脉冲宽度调制与零电流零电压谐振开关联合控制逆变方法技术

一种脉冲宽度调制与零电流、零电压谐振开关联合控制逆变方法，应用脉冲宽度调节逆变电源的输出量，利用全桥式逆变回路中的负载及线路寄生电感、电容在开关过程中形成电压和电流的谐振，采用电流过零时关断开关器件，电压为零时开通开关器件，使逆变回路极为简单，减少了开通瞬间电流峰值，消除了关断瞬间电压尖峰，使逆变时的可靠性大为提高，开关损耗大幅度降低。为逆变技术在大或超大功率电源上的应用开辟了新途径。（*该技术在2014年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种脉冲宽度调制与零电流零电压谐振开关联合控制逆变的方法即PWM-ZCC/ZVC(简称)，属电源
，特别是涉及大功率直流稳压电源领域。开关逆变电源是一种高频电源变换电器，它采用直流变交流的方式高效率地产生一路或多路经调整的稳定的直流电压、电流或稳定的高频交流电压、电流，随着在计算机、微处理器、家用电器(如电视机)、通讯系统、机械电子产品中获得广泛的应用，使开关逆变电源成为当代的主流。开关电源电路结构分为五种，即单端反激式、单端正激式、推挽式、半桥变换式、全桥变换式。其中全桥变换式是几种方式中传输功率范围最大，尤其是今后大或超大功率逆变电源所采用的主要方式，目前其控制技术绝大多数局限于脉冲频率(PFM)调制技术或脉冲宽度(PWM)调制技术。PFM技术随着高速大功率电子器件的出现而逐渐被PWM技术取代，有PFM+PWM混合控制方式。但无论采取何种调制方式及何种开关器件，如中国专利90221541.8号《绝缘栅型双极性晶体管弧焊逆变器》所述的开关器件，对逆变开关器件的控制皆为强迫通断的强制控制方式。其不足在于1、高频逆变的变换器中，开关器件的损耗主要来自断开与闭合的瞬间，而开关的通态损耗是次要的。开关器件由断态向通态转换的瞬间，器件上承受的电压由高压变为零(近似为零)，其电流由零变为通态电流皆存在一过滤时间(上升与开启时间)，在此时间内，开关器件的瞬时电压、电流均不为零，势必造成开通损耗;同理，开关器件由通态转变为断态变存在一过滤时间(下降、关断时间)，此过程必然造成器件的关断损耗。而器件的通断损耗与逆变的频率的提高、输出的功率增大成正比的增加，极大的影响逆变电源的工作效率及其可靠性。2、强迫通断开关器件，给开关器件本身以及逆变电路中的其他器件、以至整个电源装置造成极大的瞬间电压和电流冲击，并对电源本身以及外界产生很大的干扰。当器件强迫开通时，其电压、电流的突变引起逆变回路中固有和分布的电感、电容产生极大的反激尖峰电压，造成对开关器件以及相关器件的冲击。当逆变回路中的电流愈大，电压愈高，这种通断冲击愈强烈，甚至影响整个系统的正常工作，这使逆变电源难于在大功率范围内获得可靠的应用。3、为减少强迫通断带来的开关损耗和冲击，就必须对开关器件及其他相关器件采用各种吸收保护电路，增加了整个电源电路的复杂程度，并带来不必要的能量损耗。可见强迫通断控制技术阻碍了开关逆变电源技术的进一步发展，使逆变(开关)频率难于进一步提高;逆变效率低;难于在大或超大功率逆变技术上应用。为此，近年提出了谐振变换技术，目的是改善功率半导体器件的开关条件。先后提出了零电流开关(ZCC)和零电压开关(ZVC)技术，这类技术的核心是通过特殊设计电路中的电感、电容以及寄生的电感、电容产生电流、电压谐振，在开关器件为零电压和零电流时开和关，从而大大降低开关过程的通断损耗和冲击，解决了PFM、PWM技术中存在的多种技术难点。目前，ZCC或ZVC控制技术在小功系范围获得了初步应用，主要电路结构是以单端正激、单端反激变换器为基础，辅以为产生谐振而附加的电感、电容，应用单独的ZCC或ZVC控制来实现。但问题在于1、大及超大功率(千瓦级以上)逆变电源中如何引入ZCC或ZVC控制;2、在最适合大功率逆变的桥式变换结构中，能否用最简单的方式实现零电流零电压切换;3、如何解决开关(逆变)频率与谐振频率的约束关系使逆变过程顺利进行;4、如何解决谐振逆变过程中的输出调节问题。本专利技术的目的是提出一种谐振开关逆变技术，即完整的脉宽调制与零电流零电压谐振控制技术联合调控桥式逆变过程(PWM-ZCC/ZVC)，运用此技术可克服或解决上述桥式逆变技术中的下列问题1、如何成倍减小强迫通断桥式逆变电路中开关器件的通断损耗;2、如何改善逆变电路次级整流器件(主要是快速恢复二极管)的工作条件，使整流器件导通与截止瞬间的损耗减少;3、如何彻底消除逆变桥中开关器件关断时产生的瞬时反激电压，并减弱开通瞬间电流、电压冲击，使开关器件不需任何瞬态吸收保护，逆变回路简单，并使回路中的固有及分布电感、电容上的储存能量得以合理利用;4、如何减小逆变过程中开和关所需的过滤时间及开关损耗，使逆变频率成倍提高，为电源的小型化提供手段;5、如何保留传统的PWM调制来控制电源输出功率，使控制系统简单实用;6、如何将PWM、ZCC、ZVC三者有机地结合起来，合理地解决三者间的约束关系，产生互补效应，使系统能在各种负载变化条件下正常工作;7、如何在大功率的桥式逆变中，不加入任何吸收保护及附加其他谐振结构，用最简单的方式实现PWM调制及ZCC/ZVC的切换。本专利技术的技术方案如图所示。附附图说明图1是本专利技术PWM-ZCC/ZVC工作原理图;附图2是逆变回路等效电路图，其中图2(a)是半桥通态示意图;图2(b)是半桥断态过滤示意图;图2(c)是半桥断态示意图;附图3是PWM-ZCC/ZVC主控电路原理框图;附图4是驱动电路原理图;附图5是采用PWM-ZCC/ZVC逆变技术的大功率直流稳压电源原理图。参照图1，逆变即为直流变交流的过程。PWM-ZCC/ZVC主控电路接收由负载送来的输出信号、高频变压器B1送来的逆变电压信号和逆变回路电流传感器T1送来的逆变电流信号，在主控电路的控制下，通过零电流零电压ZCC/ZVC驱动电路产生合理的开关驱动信号，并输送到逆变桥中开关元件的控制端，促使逆变主回路中开关器件(晶体管、达林顿管、场效应管、IGBT管)Q1-Q4合理、有序地导通和关断，从而使高频变压器B1初级两端获得高频交流电压、电流，将能量高效、快速地传输给次级负载。如图1，直流电源E可从网路工频交流直接整流获得，或是其他可获得为桥式逆变电路供电的直流电源。桥式逆变电路由四个相同的Q1-Q4开关管组成两个桥臂，开关管可为晶体管、达林顿管、场效应管或IGBT管等开关均可控的器件，其中每个开关管对应并联有一二极管D1-D4，某一桥臂上如Q2、Q4桥臂，Q2、Q4还分别并联有电容C1、C2;逆变桥经隔直电容C3与高频变压器B1初级线圈相连，该逆变桥中无须任何吸收保护电路。次级回路一般由次级高速整流器件、滤波电感、电容及负载组成，可根据不同产品的性能需要而设计，在此要求逆变主回路负载即B1初级两端的总等效负载呈感性负载(包括纯阻性)。在主控电路控制下，逆变桥中Q1、Q3一组桥臂作为零电流关断(ZCC桥臂)单元，采用强迫开通，过零或为零关断;另一组桥臂Q3、Q4组成零电压开通(ZVC桥臂)单元，实行零电压开通，强迫关断。两个桥臂的通断方式互补以克服ZCC、ZVC各自的局限性。由主控电路提供Q1-Q4所需的驱动脉冲，即ZVC桥臂中Q2、Q4开关管采用超前脉冲驱动，保证Q2、Q4在电压为零时自然开通，即时脉冲降落时强迫关断;ZCC桥臂中Q1、Q3采用即时驱动脉冲强迫开通，检测电流过零或为零使脉冲降落关断。在主控电路中，由PWM调制器输出两路频率固定、脉宽可调的脉冲信号，经脉冲分配单元分配出四路分别为驱动Q1-Q4作准备的脉冲信号a、b、c、d;a、b、c、d四路信号经驱动电路进行隔离及分离处理，得到与控制电路隔离并相互独立的四路驱动脉冲A、B、C、D。其中A、B用于驱动ZVC桥臂中的Q2、Q4管，其与Q2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种脉冲宽度调制与零电流零电压谐振开关ＰＷＭ－ＺＣＣ／ＺＶＣ联合控制逆变的方法，以脉冲宽度调制技术和零电流、零电压开关技术为基础，采用全桥式逆变方法，其特征是ＰＷＭ－ＺＣＣ／ＺＶＣ主控电路接收由负载送来的输出信号、高频变压器Ｂ↓［１］送来的逆变电压信号和逆变主回路电流传感器Ｔ↓［１］送来的逆变电流信号，向零电流零电压ＺＣＣ／ＺＶＣ驱动电路输送脉冲信号，由该驱动电路处理出驱动信号，输到逆变桥中开关元件的控制端，控制开关元件的开通和关断，从而变直流为交流，输到Ｂ↓［１］的初级并通过其向负载输出。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：韦伟平，雷丽平，
申请(专利权)人：广东金泰企业集团公司，韦伟平，雷丽平，
类型：发明
国别省市：44[中国|广东]