[发明专利]用于控制谐振转换器的控制电路和方法以及功率逆变器

说明书

本发明提出了一种控制电路和以以下方式控制包括全桥配置的谐振转换器的方法：在谐振转换器的谐振电流的多个周期的每个半周期期间，从对角线对在其中是导电的初始状态(500)开始，基于电压控制信号关断(510)对角线对的第一开关构件；在关断第一开关构件之后，在谐振电流的过零(E5)之前导通(520)与第一开关构件串联连接的开关构件；在第一开关构件的关断之后，在过零(E5)之前，关断(530)对角线对的第二开关构件；以及在第二开关构件的关断之后，在谐振电流的过零事件之前导通(540)与第二开关构件串联连接的开关构件。

技术领域

本发明涉及谐振转换器，具体涉及用于控制谐振转换器的控制电路和方法。

背景技术

对于X射线发生器的高压源，全桥(即H桥)配置中的谐振转换器已被证明是有用的拓扑结构。更具体地，全桥配置中的谐振转换器能够将DC电流转换成AC电流，或反之亦然，并且因此其能够用作功率逆变器或可控整流器。

图1图示了包括全桥配置中的谐振转换器的范例性高压源。全桥配置包括两个并联的切换分支(也称为半桥或切换支路)：一个包括两个串联连接的开关构件S1和S2，另一个包括两个串联连接的开关构件S3和S4。每个开关能够是任何合适类型的功率半导体设备，并且在图1中范例性地示为具有反向导电二极管的IGBT晶体管。在DC电压源Vdc_in和全桥之间平均传导电流。DC-链路电容器C_in或一组这种电容器可以用于传导逆变器输入电流的AC分量，以平滑切换支路两端的DC电压。谐振电路与在每个切换分支中的开关构件的结点A和B之间的变压器T的转换先前初级(transfer former primary)(低压)绕组串联连接。谐振负载电路也被称为谐振槽，能够由全桥逆变器驱动。例如，它能够是串联谐振电路(即LC电路)或LCC电路。谐振元件的其他组合是可能的。例如，电容器C_res、电感器L_res和由变压器T的次级(高压)绕组产生的固有寄生电容C_p形成LCC电路。全桥的切换事件由控制电路(未示出)的110、112、114、116控制，以便将DC链路电压转换为驱动谐振电路的AC电压V_tank。产生的AC电流随后被变压器T转变为高电压电平，然后通过输出电容器C_out进行整流和平滑。固有的寄生变压器电容C_p在电流换向期间创建有利的条件，并且可以用于升高输出电压。输出电压能够被提供给任何类型的负载L，诸如X射线管。

存在几种用于控制全桥的切换事件的控制方案。主要目标是定义能够实现高操作频率以减少输出电压的波动并使组件的成本和尺寸最小化的方案。只有在功率半导体损耗能够通过零电压切换(ZVS)和零电流切换(ZCS)最小化时这才能够实现。ZVS可以通过使用缓冲电容器Cs1...Cs4来支持，缓冲电容器Cs1...Cs4分别与切换设备并联连接，如在图1中所看到的。此外，它们有助于减轻电磁干扰并减少接地泄漏电流。

众所周知的控制方案是脉冲频率调制(PFM)。这意味着经转变的输出功率取决于逆变器的受控操作频率。最经常使用的控制方法是以一个范围内的可变频率操作，所述范围被定位在根据图1中的电路的主电抗元件L_res和C_res的串联谐振频率之上。这种控制总体上需要宽的频率变化，以便覆盖从空载到满载的操作范围。此外，存在其中功率从谐振电抗反馈到DC输入电容器C_in的操作状态。当一对对角二极管，D1和D4或D2和D3传导电流时，这种功率反馈是主动的。因此，现有的PFM控制技术的缺点是体积较大，效率较低。

诸如脉冲宽度调制(PWM，参见US5719759A)的其他控制方案将两种硬切换事件(关断和导通)都应用于任何半导体开关，这使得难以使用诸如缓冲电容器的简单缓冲电路。硬切换事件导致高水平的切换损耗，从而根据半导体设备的散热能力限制操作频率。

被称为相移控制的另一种控制方案(参见US2011222651，US6178099B1)在不同的功率范围上使用不同的模式。前支路半桥和后支路以不同的切换动作进行操作。在轻载或空载状态下，ZVS状态不再存在。在高功率下，ZCS条件难以保持。因此，存在相移切换方法在软切换中不起作用的操作点。切换损耗在那里变得很显著，并导致不希望的冷却努力，甚至设备过热。

发明内容