專利名稱：脈沖寬度調制與零電流零電壓諧振開關聯合控制逆變方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種脈沖寬度調制與零電流零電壓諧振開關聯合控制逆變的方法即PWM-ZCC/ZVC(簡稱)，屬電源技術領域，特別是涉及大功率直流穩(wěn)壓電源領域。
開關逆變電源是一種高頻電源變換電器，它采用直流變交流的方式高效率地產生一路或多路經調整的穩(wěn)定的直流電壓、電流或穩(wěn)定的高頻交流電壓、電流，隨著在計算機、微處理器、家用電器(如電視機)、通訊系統、機械電子產品中獲得廣泛的應用，使開關逆變電源成為當代的主流。
開關電源電路結構分為五種，即單端反激式、單端正激式、推挽式、半橋變換式、全橋變換式。其中全橋變換式是幾種方式中傳輸功率范圍最大，尤其是今后大或超大功率逆變電源所采用的主要方式，目前其控制技術絕大多數局限于脈沖頻率(PFM)調制技術或脈沖寬度(PWM)調制技術。PFM技術隨著高速大功率電子器件的出現而逐漸被PWM技術取代，有PFM+PWM混合控制方式。但無論采取何種調制方式及何種開關器件，如中國專利90221541.8號《絕緣柵型雙極性晶體管弧焊逆變器》所述的開關器件，對逆變開關器件的控制皆為強迫通斷的強制控制方式。其不足在于1、高頻逆變的變換器中，開關器件的損耗主要來自斷開與閉合的瞬間，而開關的通態(tài)損耗是次要的。開關器件由斷態(tài)向通態(tài)轉換的瞬間，器件上承受的電壓由高壓變?yōu)榱?近似為零)，其電流由零變?yōu)橥☉B(tài)電流皆存在一過濾時間(上升與開啟時間)，在此時間內，開關器件的瞬時電壓、電流均不為零，勢必造成開通損耗;同理，開關器件由通態(tài)轉變?yōu)閿鄳B(tài)變存在一過濾時間(下降、關斷時間)，此過程必然造成器件的關斷損耗。而器件的通斷損耗與逆變的頻率的提高、輸出的功率增大成正比的增加，極大的影響逆變電源的工作效率及其可靠性。
2、強迫通斷開關器件，給開關器件本身以及逆變電路中的其他器件、以至整個電源裝置造成極大的瞬間電壓和電流沖擊，并對電源本身以及外界產生很大的干擾。當器件強迫開通時，其電壓、電流的突變引起逆變回路中固有和分布的電感、電容產生極大的反激尖峰電壓，造成對開關器件以及相關器件的沖擊。當逆變回路中的電流愈大，電壓愈高，這種通斷沖擊愈強烈，甚至影響整個系統的正常工作，這使逆變電源難于在大功率范圍內獲得可靠的應用。
3、為減少強迫通斷帶來的開關損耗和沖擊，就必須對開關器件及其他相關器件采用各種吸收保護電路，增加了整個電源電路的復雜程度，并帶來不必要的能量損耗。
可見強迫通斷控制技術阻礙了開關逆變電源技術的進一步發(fā)展，使逆變(開關)頻率難于進一步提高;逆變效率低;難于在大或超大功率逆變技術上應用。為此，近年提出了諧振變換技術，目的是改善功率半導體器件的開關條件。先后提出了零電流開關(ZCC)和零電壓開關(ZVC)技術，這類技術的核心是通過特殊設計電路中的電感、電容以及寄生的電感、電容產生電流、電壓諧振，在開關器件為零電壓和零電流時開和關，從而大大降低開關過程的通斷損耗和沖擊，解決了PFM、PWM技術中存在的多種技術難點。目前，ZCC或ZVC控制技術在小功系范圍獲得了初步應用，主要電路結構是以單端正激、單端反激變換器為基礎，輔以為產生諧振而附加的電感、電容，應用單獨的ZCC或ZVC控制來實現。但問題在于1、大及超大功率(千瓦級以上)逆變電源中如何引入ZCC或ZVC控制;
2、在最適合大功率逆變的橋式變換結構中，能否用最簡單的方式實現零電流零電壓切換;
3、如何解決開關(逆變)頻率與諧振頻率的約束關系使逆變過程順利進行;
4、如何解決諧振逆變過程中的輸出調節(jié)問題。
本發(fā)明的目的是提出一種諧振開關逆變技術，即完整的脈寬調制與零電流零電壓諧振控制技術聯合調控橋式逆變過程(PWM-ZCC/ZVC)，運用此技術可克服或解決上述橋式逆變技術中的下列問題1、如何成倍減小強迫通斷橋式逆變電路中開關器件的通斷損耗;
2、如何改善逆變電路次級整流器件(主要是快速恢復二極管)的工作條件，使整流器件導通與截止瞬間的損耗減少;
3、如何徹底消除逆變橋中開關器件關斷時產生的瞬時反激電壓，并減弱開通瞬間電流、電壓沖擊，使開關器件不需任何瞬態(tài)吸收保護，逆變回路簡單，并使回路中的固有及分布電感、電容上的儲存能量得以合理利用;
4、如何減小逆變過程中開和關所需的過濾時間及開關損耗，使逆變頻率成倍提高，為電源的小型化提供手段;
5、如何保留傳統的PWM調制來控制電源輸出功率，使控制系統簡單實用;
6、如何將PWM、ZCC、ZVC三者有機地結合起來，合理地解決三者間的約束關系，產生互補效應，使系統能在各種負載變化條件下正常工作;
7、如何在大功率的橋式逆變中，不加入任何吸收保護及附加其他諧振結構，用最簡單的方式實現PWM調制及ZCC/ZVC的切換。
本發(fā)明的技術方案如圖所示。
附

圖1是本發(fā)明PWM-ZCC/ZVC工作原理圖;
附圖2是逆變回路等效電路圖，其中圖2(a)是半橋通態(tài)示意圖;圖2(b)是半橋斷態(tài)過濾示意圖;圖2(c)是半橋斷態(tài)示意圖;
附圖3是PWM-ZCC/ZVC主控電路原理框圖;
附圖4是驅動電路原理圖;
附圖5是采用PWM-ZCC/ZVC逆變技術的大功率直流穩(wěn)壓電源原理圖。
參照圖1，逆變即為直流變交流的過程。PWM-ZCC/ZVC主控電路接收由負載送來的輸出信號、高頻變壓器B1送來的逆變電壓信號和逆變回路電流傳感器T1送來的逆變電流信號，在主控電路的控制下，通過零電流零電壓ZCC/ZVC驅動電路產生合理的開關驅動信號，并輸送到逆變橋中開關元件的控制端，促使逆變主回路中開關器件(晶體管、達林頓管、場效應管、IGBT管)Q1-Q4合理、有序地導通和關斷，從而使高頻變壓器B1初級兩端獲得高頻交流電壓、電流，將能量高效、快速地傳輸給次級負載。
如圖1，直流電源E可從網路工頻交流直接整流獲得，或是其他可獲得為橋式逆變電路供電的直流電源。橋式逆變電路由四個相同的Q1-Q4開關管組成兩個橋臂，開關管可為晶體管、達林頓管、場效應管或IGBT管等開關均可控的器件，其中每個開關管對應并聯有一二極管D1-D4，某一橋臂上如Q2、Q4橋臂，Q2、Q4還分別并聯有電容C1、C2;逆變橋經隔直電容C3與高頻變壓器B1初級線圈相連，該逆變橋中無須任何吸收保護電路。次級回路一般由次級高速整流器件、濾波電感、電容及負載組成，可根據不同產品的性能需要而設計，在此要求逆變主回路負載即B1初級兩端的總等效負載呈感性負載(包括純阻性)。
在主控電路控制下，逆變橋中Q1、Q3一組橋臂作為零電流關斷(ZCC橋臂)單元，采用強迫開通，過零或為零關斷;另一組橋臂Q3、Q4組成零電壓開通(ZVC橋臂)單元，實行零電壓開通，強迫關斷。兩個橋臂的通斷方式互補以克服ZCC、ZVC各自的局限性。由主控電路提供Q1-Q4所需的驅動脈沖，即ZVC橋臂中Q2、Q4開關管采用超前脈沖驅動，保證Q2、Q4在電壓為零時自然開通，即時脈沖降落時強迫關斷;ZCC橋臂中Q1、Q3采用即時驅動脈沖強迫開通，檢測電流過零或為零使脈沖降落關斷。
在主控電路中，由PWM調制器輸出兩路頻率固定、脈寬可調的脈沖信號，經脈沖分配單元分配出四路分別為驅動Q1-Q4作準備的脈沖信號a、b、c、d;a、b、c、d四路信號經驅動電路進行隔離及分離處理，得到與控制電路隔離并相互獨立的四路驅動脈沖A、B、C、D。其中A、B用于驅動ZVC橋臂中的Q2、Q4管，其與Q2、Q4管兩端電壓UCE2、UCE4的邏輯關系為A＝a＊ CE4、B＝b＊ CE2;即當a或b脈沖出現時，A或B并不一定出現，必須等待UCE2或UCE4＝0時，才能使A或B＝1;當a或b脈沖消失時A或B＝0，這樣就保證了Q2、Q4橋臂零電壓開通，即時脈沖關斷的驅動條件。而C、D用于驅動ZCC橋臂中的Q1、Q3管，其于時序的關系滿足C＝c，D＝d。即c或d脈沖出現時，C或D出現，等待ZVC橋臂關斷促使Q1、Q3的電流過零或為零，使C、D脈沖降落，從而滿足零電流關斷強迫開通的驅動條件。
參照圖2，其中LK為高頻變壓器B1的漏感、寄生電感、次級折算到初級電感之總和，C′3為串聯電容C3以及等效串聯電容之總和，C′1和C′2分別為C1和C2及Q2、Q4輸出電容及二極管D2、D4結電容之等效電容。設在某一時刻，主控電路輸出驅動脈沖D和A(見圖2(a))，使Q1、Q4導通，電流I經電源流經Q1、C′3、LK、RL及Q4形成回路，此時為正常逆變通態(tài)過程，通過B1將電能傳輸給負載，通態(tài)時間由PWM調制控制即脈寬控制，以調節(jié)傳輸功率的大小;通態(tài)時間結束，A脈沖消失，開始關斷Q4，于此同時控制輸出脈沖B，為Q2管零電壓開通作準備。圖2(b)中，此時Q4斷，LK、C′3、C′1、C′2、RL組成LCR諧振，即諧振過渡或斷態(tài)過渡，Q4兩端的電壓由零過渡到高壓，而Q2電壓由高壓變?yōu)榱?，滿足了零壓條件而開通。此后，逆變電流i由通態(tài)值過渡到零，過零檢測電路檢出過零信號，通過主控電路使C脈沖降落，關斷Q1(見圖2(c))，這樣就完成了PWM-ZCC/ZVC控制半個周期的逆變過程。同理，當C脈沖到來時，使Q3導通，通過Q2、Q3完成另一半周期的逆變，形成一完整的逆變周期。
參照圖3，PWM-ZCC/ZVC主控電路是基于上述逆變回路工作原理而設計，主要完成產生頻率固定、脈寬可調的脈沖以調節(jié)逆變過程的輸出功率;產生符合ZCC/ZVC橋式逆變所需的時序脈沖信號，為驅動Q1-Q4服務;具備反饋調節(jié)功能以控制所輸出量的大小;具備多重保護功能;具備啟動、停止等順序控制功能。
圖中以脈寬調制器SG3525開關集成電路及其外圍元件構成整個系統的控制核心，完成下列工作1)由電阻RS、電容CS和其內部構成振蕩器，從而決定整個控制系統的逆變頻率，RS、CS振蕩產生的固定脈沖和波形提供給SG3525內部其他電路以產生相應的脈沖信號;2)接收給定電路GD送來的電壓信號，以及反饋放大電路送來的信號，將兩者經誤差放大器進行比較放大，并通過比較器將振蕩波形調制成寬度取決于誤差放大信號、而頻率固定的脈沖波形;3)上述脈沖波形經內部脈沖分配電路，輸出兩路脈沖信號P1、P2;4)SG3525同時接收由偏磁檢出電路檢出的信號，根據信號的大小來分別調節(jié)P1或P2的脈沖寬度，達到逆變平衡過程;5)接收由各保護電路送來的關斷信號以關斷P1和P2輸出，實現系統的過程保護和程序控制目的。
圖3中，ZCC/ZVC電路由邏輯處理電路LC、觸發(fā)器1＃-4＃、脈沖驅動電路QD、以及零電流檢測電路GLJ、同步識別電路TS、脈沖整形電路MZ等組成。首先P1、P2脈沖輸入到邏輯處理電路LC中，根據對P1、P2脈沖時序關系的處理，向1＃-4＃觸發(fā)器輸出多路脈沖信號以控制觸發(fā)器之觸發(fā)、置位、復位等功能，1＃、2＃觸發(fā)器輸出對稱方波脈沖a、b，其相位相錯180度，并與P1、P2保持確定的對位關系;c、d觸發(fā)器發(fā)出寬度由P1、P2以及逆變回路諧振參數即過零條件決定的脈沖c、d，其相位相錯180度。該回路脈沖以各自的推挽電路驅動后輸出，同時這些信號(包括其反相信號)反輸至邏輯處理電路LC中以實現信號間的相互約束，保證有序而不出現紊亂現象。
零電流ZCC檢測電路GLJ接收逆變回路中電流傳感器T1送來的電流和高頻變壓器B1送來的電壓信號，通過同步識別電路TS加以判斷，然后經過脈沖整形MZ而獲得零電流關斷脈沖，并送至邏輯處理電路LC中處理，以控制3＃、4＃觸發(fā)器輸出關斷信號，由此可見ZCC/ZVC電路是一時序上的部分閉環(huán)輸出數字控制電路。
見圖3。為了保證系統穩(wěn)定的工作，設置了過流GL、缺相QS、過熱GZ、偏磁PT、程序保護CK及故障保護GZB、逐脈沖保護ZM、輸出過流保護SG等保護環(huán)節(jié)。
圖3中，反饋電路為系統閉環(huán)控制所必不可少的環(huán)節(jié)，反饋信號根據系統所需控制輸出量而取，可以是輸出電流、電壓或其他間接參數，反饋信號經反饋電路放大后，再經濾波器獲得平滑的反饋控制信號，該信號送入SG3525集成電路中與給定信號相比較以調制脈沖寬度，從而控制逆變電源的輸出功率大小。給定電路GD是通過調節(jié)給定電壓信號大小，利用反饋控制系統實現對輸出量的調節(jié)。而直流穩(wěn)壓電路WY產生所需的直流電壓、電流，為整個控制系統正常工作穩(wěn)定地提供能量。
圖4中，驅動電路為逆變橋中各開關管提供通、斷脈沖，是連接PWM-ZCC/ZVC主控電路與逆變回路的不可缺少的中間環(huán)節(jié)。由PWM-ZCC/ZVC輸出a-d四路脈沖信號，經光電隔離為四個獨立的驅動電路，其中a、b路為ZVC驅動電路，c、d路為ZCC驅動電路。ZVC驅動電路工作過程如下由PWM-ZCC/ZVC主控電路輸出脈沖a，經光電隔離傳輸到脈沖整形電路ZX整形后輸出至與門入端;同時，由開關管集電極或漏極等電壓信號經非門輸入至與門另一端。當a脈沖出現、開關管電壓(集電極或漏極電壓)為零時，與門才能獲得輸出，經推挽驅動相應的開關管。當a脈沖消失時，驅動脈沖亦消失，實現了ZVC控制。同時ZVC驅動亦有自保護功能，如出現開關管電壓不為零等異常情況時會自動關閉。b路驅動原理與a路相同。
ZCC驅動電路與ZVC驅動電路稍有不同，其工作過程如下脈沖C輸入經光電隔離、整形ZX后輸入至與門入端，由與門直接輸出高電平，經推挽驅動相應的開關管，使其導通。同時該驅動脈沖經RC延時后，選通非門電路，以檢測開關管集電極電壓。當電壓為零(近似為零)時，非門輸出仍為高電平，以保持與門驅動脈沖輸出;相反，當電壓不為零時，非門輸出為零以關閉與門輸出，起保護開關管作用，此功能為保護開關管過流而設。d路與c路同理。由上述可見，ZCC/ZVC驅動電路必須與PWM-ZCC/ZVC主控電路相配合才能使逆變回路PWM-ZCC/ZVC完整過程。
圖5為采用PWM-ZCC/ZVC逆變技術實現的大功率直流穩(wěn)壓電源。從工頻電源直接通過整流橋ZL1以及C4整流獲得高壓電源，該高壓電源直接與四個IGBT管或晶體管、場效應管以及C1、C2組成的全橋逆變結構連接，電容C3和高頻變壓器B1為全橋之負載，T1串聯于回路中用以檢測逆變電流。B1的次級采用中心抽頭繞組輸出方式，輸出通過D1、D2整流以及L1、C5濾波而獲得直流電源，該直流電源的電壓、電流信號反饋到PWM-ZCC/ZVC電路中，通過其控制輸出四路脈沖信號，經ZCC/ZVC驅動電路而獲得四路獨立的驅動脈沖，驅動四個開關元件有序的通斷。
該穩(wěn)壓電源額定輸出直流電壓5-60V可調，額定輸出電流100A，效率＞＝0.85，功率因數＞＝0.95，重量約12公斤。該機采用IGBT管作開關器件，使用PWM-ZCC/ZVC控制技術，使常規(guī)逆變電源難于克服的技術難點得以妥善解決。該機采用四只IGBT管構成兩個橋臂，電路控制由PWM-ZCC/ZVC主控電路和IGBT驅動電路完成，主變壓器采用鐵氧體鐵芯并以漏磁最小方式繞制線圈;次級整流用快速恢復二極管模塊，次級濾波電感采用非晶態(tài)鐵芯作磁芯，通過整個系統的閉環(huán)控制獲得高質量、大功率的直流穩(wěn)壓輸出。
本發(fā)明為逆變技術在大或超大功率范圍內應用、提高電源系統性能尤其是可靠性能方面開辟了新的途徑。與現有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于1、使橋式逆變過程中的開關損耗降低一倍以上;
2、使逆變過程開關器件的關斷沖擊電壓(關斷反激尖峰)消除或消失，使開通電流沖擊減小;
3、使逆變橋無須吸收保護，逆變主電路變得非常簡單實用;
4、使逆變頻率提高到原來的2倍以上;
5、使次級整流過程更合理;
6、使逆變電源整體性能大幅度提高，性能更可靠、效率更高、體積及重量進一步減小、更大的適用范圍、更好的經濟效益及社會效益。
權利要求
1.一種脈沖寬度調制與零電流零電壓諧振開關PWM-ZCC/ZVC聯合控制逆變的方法，以脈沖寬度調制技術和零電流、零電壓開關技術為基礎，采用全橋式逆變方法，其特征是PWM-ZCC/ZVC主控電路接收由負載送來的輸出信號、高頻變壓器B1送來的逆變電壓信號和逆變主回路電流傳感器T1送來的逆變電流信號，向零電流零電壓ZCC/ZVC驅動電路輸送脈沖信號，由該驅動電路處理出驅動信號，輸到逆變橋中開關元件的控制端，控制開關元件的開通和關斷，從而變直流為交流，輸到B1的初級并通過其向負載輸出。
2.如權利要求1所述的逆變方法，其特征是逆變橋由四個相同的Q1-Q4開關管組成兩個橋臂，每個開關管均并聯有一個二極管D1-D4，該二極管可隱含在各開關管內或獨立于其外，開關管可為晶體管、達林頓管、場效應管或IGBT管等開關均可控的電力電子元件。
3.如權利要求2所述的逆變方法，其特征是逆變橋中Q2、Q4兩開關管還各自并聯一電容C1、C2，Q2、Q4開關管組成零電壓ZVC開通半橋臂，Q1、Q3組成零電流ZCC關斷半橋臂，在兩橋臂之間串聯有隔直電容C3。
4.如權利要求1所述的逆變方法，其特征是主控電路包括PWM脈寬調制器SG3525、零電流零電壓ZCC/ZVC電路、反饋電路FF、給定電路GD，GD電路給定電壓信號，與從輸出電路獲得并經FF電路處理的反饋信號一起輸入到SG3525，SG3525輸出兩路脈沖信號P1、P2到ZCC/ZVC電路，由其處理后輸出四路脈沖信號到ZCC/ZVC驅動電路。
5.如權利要求4所述的逆變方法，其特征是主控電路還設置了保證系統穩(wěn)定工作的過流GL、過熱GZ、偏磁PT、程序保護CK及故障保護GZB、逐脈沖保護ZM、輸出過流保護SG等電路。
6.如權利要求4所述的逆變方法，其特征是主控電路中的調制器SG3525內部與其外部的電阻RS、電容CS構成決定整個控制系統逆變頻率的振蕩器。
7.如權利要求4所述的逆變方法，其特征是主控電路中的零電流零電壓ZCC/ZVC電路包括邏輯處理電路LC、觸發(fā)器1＃-4＃、脈沖驅動電路QD以及零電流檢測電路GLJ、同步識別電路TS、脈沖整形電路MZ等，LC電路接收SG3525送來的兩路脈沖后，向1＃-4＃觸發(fā)器輸出多路控制其觸發(fā)、置位、復位等功能的脈沖信號，各觸發(fā)器輸出的脈沖經各自的QD電路驅動后輸出到ZCC/ZVC驅動電路，GLJ電路接收逆變回路中電流傳感器T1送來的電流信號和高頻變壓器B1送來的電壓信號，通過TS電路加以判斷后，經MZ電路而獲得零電流關斷脈沖，并送到LC電路中處理。
8.如權利要求1所述的逆變方法，其特征是ZCC/ZVC驅動電路包括四路相互獨立的驅動電路，其中兩路為零電壓ZVC驅動電路，接受1＃、2＃觸發(fā)器發(fā)出并經相應QD電路驅動的脈沖，以便驅動Q2、Q4開關管，另兩路為零電流ZCC驅動電路，接受3＃、4＃觸發(fā)器發(fā)出開經相應QD電路驅動的脈沖，用于驅動Q1、Q3開關管。
9.如權利要求8所述的逆變方法，其特征是ZCC/ZVC驅動電路中，ZVC驅動電路包括光電耦合器、整形電路ZX、與門電路、非門電路及推挽輸出電路，ZCC驅動電路包括光耦合電路、整形電路ZX、RC電路、與門電路、非門電路及推挽輸出電路。
10.一種采用脈沖寬度調制與零電流零電壓諧振開關PWM-ZCC/ZVC聯合控制逆變的方法的直流穩(wěn)壓電源，該電源直接從整流橋ZL1及C4整流獲得高壓直流電源，其特征是該電源直接與四個IGBT管或晶體管、場效應管及C1、C2組成的全橋逆變結構連接，電容C3和高頻變壓器B1為全橋的負載，電流傳感器T1串聯于該回路中用以檢測逆變電流，B1的次級采用中心抽頭繞組輸出方式，輸出通過D1、D2整流以及L1、C5濾波而獲得直流電源，該直流電源的電壓、電流信號反饋到PWM-ZCC/ZVC電路中，通過其控制輸出四路脈沖信號，經ZCC/ZVC驅動電路而獲得四路獨立的驅動脈沖，驅動四個開關元件有序的通斷。
全文摘要
一種脈沖寬度調制與零電流、零電壓諧振開關聯合控制逆變方法，應用脈沖寬度調節(jié)逆變電源的輸出量，利用全橋式逆變回路中的負載及線路寄生電感、電容在開關過程中形成電壓和電流的諧振，采用電流過零時關斷開關器件，電壓為零時開通開關器件，使逆變回路極為簡單，減少了開通瞬間電流峰值，消除了關斷瞬間電壓尖峰，使逆變時的可靠性大為提高，開關損耗大幅度降低。為逆變技術在大或超大功率電源上的應用開辟了新途徑。
文檔編號H02M7/48GK1109654SQ9411333
公開日1995年10月4日 申請日期1994年12月29日 優(yōu)先權日1994年12月29日
發(fā)明者韋偉平, 雷麗平 申請人:廣東金泰企業(yè)集團公司, 韋偉平, 雷麗平