[发明专利]一种变流器开关管实现软关断和能量回馈的电路及方法

说明书

技术领域    

    本发明涉及一种变流器开关管实现软关断和能量回馈的电路及方法，即中大功率变流器的效率提升，属高频变流器技术领域。

背景技术    

在高频变流器中，功率开关管的开关损耗是总损耗的主要部分，严重影响了电路的效率。开关管的开关损耗包括开通→关断过程中的关断损耗，以及关断→开通的开通损耗。要降低功率管的关断损耗，传统的方法是在功率管Q的两端并联一个RCD（R代表电阻，C代表电容，D代表二极管）缓冲电路，如附图1所示。当功率管Q开通→关断时，并联的电容C使得电压u_ce缓慢上升，降低了u_ce和i_c的重叠区面积，从而降低了关断损耗，如附图2所示。当电容C足够大时，关断损耗就可以忽略了。然而，在功率管Q从关断→开通过程中，电容C要通过电阻R放电以限制流过IGBT的冲击电流。在此过程中，几乎所有的电容C上的储能都通过电阻R消耗掉了。所以，电容C越大，电阻R的损耗就越大。这就使得电容C实际上不可能设计得很大，功率管Q仍然会有不小的关断损耗，大大制约了该电路的应用。

发明内容    

本发明的目的，旨在于提供一种变流器中应用的实现开关管软关断及能量回馈的电路，降低开关管的关断损耗，提高变流器效率和可靠性。

本发明一种变流器开关管实现软关断和能量回馈的电路是通过以下技术方案实现的：如附图3中虚线框内图所示，电路由缓冲电容C1、储能电容C2、电感L1、续流二极管D1和D2、整流二极管D3和D4、变压器TX1、辅助开关管Q2构成。其中，电路输入侧的正极（缓冲电容C1的上端）接受保护开关管Q1（IGBT）的集电极，缓冲电容C1的下端接续流二极管D1的阳极和续流二极管D2的阴极，电路输入侧的负极（续流二极管D1的阴极）接受保护开关管Q1的发射极和储能电容C2的阳极以及整流二极管D3的阳极，续流二极管D2的阳极接电感L1的左端，电感L1的右端接储能电容C2的阴极以及辅助开关管Q2（功率MOSFET）的源极，整流二极管D3的阴极接变压器原边绕组P1的上端（异名端），原边绕组P1的下端（同名端*）接辅助开关管Q2的漏极，变压器副边绕组S1的上端（同名端*）接整流二极管D4的阳极，整流二极管D4的阴极接电路输出侧的阳极及直流吸收环节US的阳极、副边绕组S1的下端（异名端）接电路输出侧的阴极及直流吸收环节US的阴极。

所述的直流吸收环节US可以是变流器中的电池，也可以是直流电容构成的直流母线储能环节。

所述的辅助开关管Q2依据储能电容C2的电压幅值大小来做开通关断。当储能电容C2的电压u_c2大于设定的最高阀值电压U_H时，辅助管开关Q2进入工作区，被高频脉冲驱动u_gs工作。当储能电容C2的电压u_c2小于设定的最小阀值电压U_L时，辅助开关管Q2进入停止区，u_gs始终为低电平，不再动作。

所述的电路应用在一个变流器中可以有N个，其输入侧分别对应N个不同的受保护开关管Q1，其输出侧可以根据需要对应M（1≦M≦N）个不同的直流吸收环节US。

本发明提出了一种变流器开关管实现软关断和能量回馈的电路及控制方法，与现有技术相比，具有如下优点，（1）缓冲电容C1可以设计的很大，消除开关管的关断损耗，及减小开关管的关断电压尖峰，（2）缓冲电容C1中的能量转移存贮到一个储能电容后又间歇式集中转移到直流环节，降低了电路自身的损耗，增加了回馈的能量，提高了电路的效率。

本发明提出的变流器开关管实现软关断和能量回馈的电路，普遍适用于中大功率变流器。本发明简单易行，可以作为一个模块设计在现有的各类相关高频电力电子装置中实现功率管软关断及缓冲电容能量回馈的功能，提高高频电力电子装置的开关频率，降低电路损耗。

附图说明   

图1为传统的有损耗无源RCD型箝位电路；

图2为附图1电路中受保护开关管Q1关断过程中的波形；

图3为本发明变流器开关管实现软关断和能量回馈的电路；

图4为本发明在一个半桥电路中的应用实例；

图5为附图4中对实验测试信号标示了部分图；

图6为测试的受保护开关管Q1的u_ce和i_c波形图；