專利名稱：一種低損耗饋能式箝位電路及驅(qū)動(dòng)控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于高頻電力電子電路領(lǐng)域，尤其涉及是中大功率的高頻電力電子裝置。
背景技術(shù)：
在高頻電力電子電路中，為了降低高頻功率管關(guān)斷過程中產(chǎn)生的電壓尖峰，通常 需要采用緩沖電路或者箝位電路。常用的箝位電路有兩種，有損耗無源RCD型箝位電路以 及有源箝位電路。 有損耗無源RCD型箝位電路如附圖l所示，但其存在的問題是當(dāng)被保護(hù)的功率管 流過的電流越大，及其串聯(lián)的等效分布電感越大時(shí)，為了更好的在被保護(hù)的功率管關(guān)斷時(shí) 對(duì)其產(chǎn)生的尖峰電壓箝位，所需要的緩沖電容C值就越大，而為了維持箝位電路的RXC時(shí) 間常數(shù)為一定值，放電電阻R就越小，導(dǎo)致放電電阻R的功率需求變大。這個(gè)問題使得在大 功率場(chǎng)合，此類RCD箝位電路的電阻功率損耗過大，箝位電壓也無法設(shè)置優(yōu)化。
有源箝位電路通常由一個(gè)功率管串聯(lián)一個(gè)緩沖電容后構(gòu)成，如附圖2所示，典型 的應(yīng)用是有源箝位正激電路。此類電路的優(yōu)點(diǎn)是輔助功率管Q通常是零電壓開通，緩沖電 容C上的電壓波動(dòng)不大，被保護(hù)的功率管關(guān)斷時(shí)轉(zhuǎn)移至緩沖電容C上的能量又在輔助功率 管Q的每個(gè)開關(guān)過程中被回饋到了電路其他部分。但是，此類電路的缺點(diǎn)是緩沖電容C每 個(gè)開關(guān)周期的充放電電流都要經(jīng)過輔助功率管Q或其內(nèi)部的二極管D，造成了輔助功率管 的通態(tài)損耗，而且輔助功率管的開關(guān)頻率和主功率管的開關(guān)頻率一致，這又增加了輔助功 率管的驅(qū)動(dòng)損耗及關(guān)斷損耗。所以，傳統(tǒng)的有源箝位電路盡管能回饋箝位能量，自身的損耗 也不小。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的是提供一種低損耗饋能式箝位電路以及驅(qū)動(dòng)控制方法。
本發(fā)明所述的電路是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的(如附圖3中301部分所示)。
本發(fā)明由箝位二極管[D2]、緩沖電容[CI]和含輔助功率管[Q2]的單開關(guān)直流變 換器[302]組成，其中，箝位二極管[D2]的陽極接被保護(hù)功率管[Ql]的漏極，箝位二極管 [D2]的陰極接緩沖電容[CI]的一端，緩沖電容[CI]的另一端和被保護(hù)主功率管[Ql]的源 極相連，緩沖電容[CI]與含輔助功率管[Q2]的單開關(guān)直流變換器[302]的輸入端連接，單 開關(guān)直流變換器[302]的輸出接電力電子裝置的直流吸收環(huán)節(jié)Us。 本發(fā)明將緩沖電容[CI]的兩端電壓u。作為單開關(guān)直流變換器[302]的輸入電壓， 單開關(guān)直流變換器[302]的輸出接電力電子裝置中的直流環(huán)節(jié)[Us]。輔助功率管[Q2]為 單開關(guān)直流變換器[302]中的功率開關(guān)管。驅(qū)動(dòng)電壓u-用來驅(qū)動(dòng)輔助功率管[Q2]的通 斷，驅(qū)動(dòng)電壓u-則用來驅(qū)動(dòng)被保護(hù)功率管[Ql]的通斷。 本發(fā)明所述的箝位電路驅(qū)動(dòng)控制方法是通過以下步驟實(shí)現(xiàn)的(如附圖4所示)
1)開始，檢測(cè)初始緩沖電容[CI]兩端箝位電壓 ； 2)判斷箝位電壓u。是否小于下限電壓Uf;如果yes，則轉(zhuǎn)到步驟3 ;如果no，則
3轉(zhuǎn)到步驟5 ; 3)將輔助功率管Q2的驅(qū)動(dòng)電壓ugs2置零，即將Q2關(guān)斷；
4)檢測(cè)下一拍uc，再轉(zhuǎn)到步驟2 ; 5)判斷箝位電壓u。是否大于上限電壓Uc ;如果no，則轉(zhuǎn)到步驟6 ;如果yes，則 轉(zhuǎn)到步驟8 ; 6)將輔助功率管Q2的驅(qū)動(dòng)電壓ugs2置零，即將Q2關(guān)斷；
7)檢測(cè)下一拍u。，再轉(zhuǎn)到步驟5 ; 8)將輔助功率管Q2的驅(qū)動(dòng)電壓ugs2與主功率管Ql的驅(qū)動(dòng)電壓ugsl同步，即使Q2 與Ql同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷一個(gè)周期；
9)檢測(cè)下一拍u。； 10)判斷箝位電壓u。是否小于下限電壓Uf;如果no，則轉(zhuǎn)到步驟8 ;如果yes，則 轉(zhuǎn)到步驟3 ; 所述的單開關(guān)直流變換器[302]可以是反激式變換器、正激式變換器或其它只含 單個(gè)功率開關(guān)管的直流變換器。 所述的功率管[Ql] 、 [Q2]可以是功率Mosfet、 IGBT及其他全控型開關(guān)器件。
所述的直流吸收環(huán)節(jié)Us可以是電力電子裝置中各種可以吸收回饋的箝位能量的 直流環(huán)節(jié)，如電池和大的電解電容等。 結(jié)合附圖5和附圖3解釋本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)原理。假設(shè)被保護(hù)功率管[Ql]導(dǎo)通時(shí)流 過的電流為I，當(dāng)被保護(hù)功率管[Ql]第一次關(guān)斷時(shí)，等效分布電感Ls上的能量向緩沖電容 [Cl]和功率管寄生輸出電容Cs上轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致電壓u。上升至U。(t0)，初始電壓U。(t0)符合 公式會(huì)-(Cl + Cy)'"c00)2 =會(huì)'丄5-/2 (1) 當(dāng)被保護(hù)功率管[Ql]第二次導(dǎo)通后再關(guān)斷時(shí)，分布電感Ls中的能量釋放有兩個(gè) 階段。第一個(gè)階段是分布電感Ls能量向功率管寄生電容Cs中釋放，導(dǎo)致寄生電容Cs上的 電壓上升至U。(t0);第二個(gè)階段是箝位二極管[D2]導(dǎo)通后，剩余分布電感Ls能量繼續(xù)向并 聯(lián)的寄生電容Cs和緩沖電容[Cl]中釋放，箝位電壓上升至U。(tl)，符合公式 會(huì)'Cs'C/c00)2+^.(C1 + Cs)'(f/C(。2 — ^.00)2)=會(huì)'丄5 ./2 (2) 此后如果緩沖電容[Cl]上的電壓不被釋放，其電壓會(huì)在每次被保護(hù)功率管[Ql] 關(guān)斷時(shí)刻繼續(xù)上升，其上升過程中U。(tn)及可達(dá)到最大電壓值U?！筰m符合下述公式 會(huì)-Cs.W("-I))2 + ^'(C1 + Cs)'("02 - I))2)./2 (3)會(huì).。.t/cj 4v" (4) 由上述分析可見，當(dāng)緩沖電容[Cl]足夠大時(shí)，箝位電壓u。在每次被保護(hù)功率管 [Ql]關(guān)斷時(shí)刻的電壓上升幅度很小。 設(shè)定的上限電壓U。，小于可達(dá)到最大電壓值U?！筰m，當(dāng)緩沖電容[Cl]上的電壓u。 上升至u。^U。，時(shí)，單開關(guān)直流變換器中的輔助功率管[Q2]與被保護(hù)功率管[Ql]同步導(dǎo) 通關(guān)斷，緩沖電容[Cl]中的電荷就通過單開關(guān)直流變換器釋放給直流電源側(cè)，箝位電壓u。隨之迅速下降。當(dāng)u。下降至u?！禪f時(shí)，輔助功率管[Q2]重新被關(guān)斷，箝位電壓u。又要 開始逐步上升。因?yàn)閱伍_關(guān)直流變換器只在很短的時(shí)間內(nèi)工作，所以效率高損耗小，實(shí)現(xiàn)了 緩沖電容[Cl]中的能量以較小損耗回饋到直流電源Us側(cè)的目的。 本發(fā)明一種低損耗饋能式箝位電路及其驅(qū)動(dòng)控制方法相對(duì)于傳統(tǒng)的RCD型箝位
電路或有源箝位電路及其控制方法的優(yōu)點(diǎn)是用于緩沖電容能量回饋的單開關(guān)直流變換器
被控制成間斷性工作，降低了電路自身的損耗，增加了回饋的能量，提高了電路的效率。 本發(fā)明一方面可以將受保護(hù)功率管的關(guān)斷電壓有效箝位；另一方面可以將緩沖電
容中的能量以較小的損耗回饋到電路的直流側(cè)。本發(fā)明簡(jiǎn)單易行，可以作為一個(gè)模塊設(shè)計(jì)
在現(xiàn)有的各類相關(guān)高頻電力電子裝置中實(shí)現(xiàn)功率管箝位及箝位能量回饋的功能，提高高頻
電力電子裝置的開關(guān)頻率，降低電路損耗。


附圖1為傳統(tǒng)的有損耗無源RCD型箝位電路。
附圖2為傳統(tǒng)的有源箝位電路。 附圖3中所示的301為本發(fā)明所述電路。其中Ql為被保護(hù)功率管，Cs為Ql的寄 生電容，D1為二極管，L1為電感，Ls為等效分布電感，D2為箝位二極管，C1為緩沖電容，302 為單開關(guān)直流變換器。 附圖4為本發(fā)明驅(qū)動(dòng)控制方法流程圖。
附圖5為本發(fā)明的信號(hào)波形詳細(xì)示意圖。 附圖6為一個(gè)采用了一種低損耗饋能式箝位電路及其驅(qū)動(dòng)方法的升壓電路實(shí)施 例，其中虛線框601內(nèi)為升壓電路主電路，虛線框602內(nèi)為升壓電路控制電路，虛線框603 內(nèi)為箝位電路主電路，虛線框604內(nèi)為箝位電路驅(qū)動(dòng)控制方法電路。
附圖7為附圖6實(shí)施例的波形圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖6的一個(gè)具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。僅用以說明而 非限制本發(fā)明的技術(shù)方案。 本實(shí)施例參見圖6，其為一個(gè)采用了本發(fā)明所述低損耗饋能式箝位電路的驅(qū)動(dòng)控 制方法的升壓式充電裝置原理框圖。該電路原理框圖包括升壓電路主電路601 、升壓電路控 制電路602、箝位電路主電路603及箝位電路驅(qū)動(dòng)控制方法電路604。 升壓電路主電路601實(shí)現(xiàn)將100VDC電壓升壓并給192VDC電池組充電功能，由輸 入電源Vin、電感Ll、二極管Dl、功率管Ql、檢測(cè)電流電阻Rs、輸出電容C2和192V電池組構(gòu) 成，圖中的電感Ls是電路中的等效分布電感。其中，輸入電源Vin正極接電感Ll的一端，電 感L1的另一端接二極管D1的陽極和分布電感Ls的一端。分布電感Ls的另一端接功率管 Ql的漏極，功率管Q1的源極接檢測(cè)電阻Rs的一端，檢測(cè)電阻Rs的另一端接輸入電源Vin 的負(fù)極和參考地。二極管Dl的陰極接電池組的正極和輸出電容C2的正極，電池組的負(fù)極 和電容C2的負(fù)極接參考地。功率管Q1的柵極接驅(qū)動(dòng)電阻R1的一端。圖中的電感L1值為 0. 5mH，主功率管Ql采用的功率Mosfet型號(hào)為SPW35N60C3， 二極管Dl型號(hào)為RURG3060，分 布電感Ls用了一個(gè)luH的電感代替。
5
升壓電路控制電路602是一個(gè)對(duì)升壓電路主電路601進(jìn)行峰值電流控制的電路， 由峰值電流控制芯片UC3845及其外圍電路構(gòu)成。其中，電壓檢測(cè)電阻R3 —端接電池組的正 極，R3的另一端接電壓檢測(cè)電阻R4。 R4的另一端和R5的一端、電容C3的一端以及UC3845 的vfb引腳相連。電阻R5的另一端接參考地。電容C3的另一端接UC3845的comp引腳。 電容C5的一端接UC3845的vref引腳，另一端接地。電阻R6的一端接UC3845的vref引 腳，另一端接UC3845的rct引腳。電容C6的一端接UC3845的rct引腳，另一端接參考地。 電阻R7的一端接電流檢測(cè)電阻Rs的檢測(cè)端，另一端接濾波電容C7的一端和UC3845的cs 腳。濾波電容C7的另一端接參考地。UC3845的output引腳同功率管Ql的驅(qū)動(dòng)電阻Rl 以及輔助功率管Q2的驅(qū)動(dòng)電阻R2相連。UC3845的gnd和pwgnd兩個(gè)引腳都接參考地。 UC3845的vcc和vc兩個(gè)引腳接+13V電源。圖中的R3、 R4和R5構(gòu)成輸出電壓Vout的反 饋分壓電阻；R6和C6構(gòu)成100kHz的鋸齒波震蕩器；R7和C7構(gòu)成了電流檢測(cè)濾波電路；C3 為控制補(bǔ)償電容；UC3845的輸出驅(qū)動(dòng)腳output直接驅(qū)動(dòng)主功率管Ql，同時(shí)也作為一個(gè)控制 驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入到輔助功率管Q2的柵極。 饋能式箝位電路主電路603實(shí)現(xiàn)對(duì)功率管Q1的關(guān)斷電壓箝位，并將緩沖電容上的 能量回饋至蓄電池組，由箝位二極管D2、緩沖電容Cl、輔助功率管Q2、反激變壓器TX1和續(xù) 流二極管D3組成。其中，輔助功率管Q2、反激變壓器TX1和續(xù)流二極管D3構(gòu)成了傳統(tǒng)的 反激式直流變換器，即圖3中的單開關(guān)直流變換器302包含的一種電路。箝位二極管D2的 陽極接被保護(hù)功率管Q1的漏極，箝位二極管D2的陰極接電容C1的一端以及變壓器TX1原 邊的異名端。變壓器TX1原邊同名端接輔助功率管Q2的漏極。主功率管Q1和輔助功率管 Q2的源極以及緩沖電容Cl的另一端與參考地相連。變壓器TX1副邊的同名端接續(xù)流二極 管D3的陽極，續(xù)流二極管D3的陰極接蓄電池組的正極。變壓器TX1副邊的異名端接蓄電 池組的負(fù)極和參考地。電路中箝位二極管型號(hào)為MUR860 ;緩沖電容為0. 2uF ;輔助功率管 Q2型號(hào)為2SK2611 ;輔助變壓器變比為1 : l，變壓器原邊電感Lp的值為100uH。
饋能箝位電路驅(qū)動(dòng)控制方法電路604通過檢測(cè)緩沖電容C1上的電壓u。，控制輔助 功率管Q2的開關(guān)來實(shí)現(xiàn)饋能式箝位電路的電壓箝位和低損耗能量回饋的目的，由LM555及 其外圍電路構(gòu)成。其中，電壓反饋電阻R8的一端接電容C1的正極，另一端接電阻R9。電阻 R9的另一端接LM555的thr和trig引腳，以及電阻R10。電阻R10的另一端接參考地。電 容C8的一端接LM555的ctrl引腳，另一端接參考地。LM555的vcc和rst兩個(gè)引腳接+5V 電源。LM555的out弓l腳與電阻Rll相連，電阻Rll的另一端接三極管Q3的基極。三極管 Q3的集電極同驅(qū)動(dòng)電阻R2和輔助功率管Q2的柵極相連，三極管Q3的發(fā)射極接地。電路中 的電阻R8、 R9和R10構(gòu)成的分壓電路檢測(cè)箝位電壓u。并將其輸入至LM555構(gòu)成的遲滯比 較器。當(dāng)檢測(cè)到箝位電壓Ue滿足u。 < 250V時(shí)，LM555的output引腳輸出高電平，輔助三 極管Q3導(dǎo)通，導(dǎo)致輔助功率管Q2被始終關(guān)斷，箝位電壓u。開始上升；直至uc增加至u。 > 500V時(shí)亥lj， LM555的output引腳輸出翻轉(zhuǎn)成低電平，輔助三極管Q3關(guān)斷，這時(shí)輔助功率管 Q2的驅(qū)動(dòng)信號(hào)來自于UC3845的output引腳，與主功率管Ql的驅(qū)動(dòng)信號(hào)同步開通關(guān)斷，箝 位電壓ue開始下降；當(dāng)箝位電壓ue下降到滿足ue < 250V時(shí)，LM555的output引腳翻轉(zhuǎn)輸 出高電平，輔助三極管Q3重新導(dǎo)通，導(dǎo)致輔助功率管Q2再被始終關(guān)斷，箝位電壓u。又開始 上升。 附圖7是附圖6實(shí)施例的波形圖，圖中顯示當(dāng)箝位電壓達(dá)到上限電壓500V時(shí)，輔助功率管Q2的驅(qū)動(dòng)電壓ugs2才發(fā)生。而因?yàn)榫彌_電容CI為0. 2uF，變壓器TX1原邊電感 Lp為100uH，兩者1/4的諧振周期為7uS，而輔助功率管Q2 —次導(dǎo)通時(shí)間約4. 7uS，所以輔 助功率管Q2僅僅導(dǎo)通一次，箝位電壓就從500V下降到200V，低于250V的下限電壓，之后輔 助功率管Q2又被關(guān)斷。整個(gè)箝位電壓u。波動(dòng)周期中，箝位電壓從200V上升到500V的時(shí) 間約4. 3mS，之后輔助功率管僅僅導(dǎo)通一次，故電路中的反激電路部分單位時(shí)間內(nèi)的開關(guān)頻 率很低，電路的損耗小而效率高。
權(quán)利要求
一種低損耗饋能式箝位電路，其特征是由箝位二極管[D2]、緩沖電容[C1]和含輔助功率管[Q2]的單開關(guān)直流變換器組成，其中，箝位二極管[D2]的陽極接被保護(hù)功率管[Q1]的漏極，箝位二極管[D2]的陰極接緩沖電容[C1]的一端，緩沖電容[C1]的另一端和被保護(hù)主功率管[Q1]的源極相連，緩沖電容[C1]與含輔助功率管[Q2]的單開關(guān)直流變換器的輸入端連接，單開關(guān)直流變換器的輸出接電力電子裝置的直流吸收環(huán)節(jié)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其特征是所述的單開關(guān)直流變換器是反激式變換器、 正激式變換器或其它只含單個(gè)功率開關(guān)管的直流變換器。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其特征是所述的功率管為功率Mosfet、IGBT或其它全 控型功率開關(guān)器件。
4. 權(quán)利要求1所述的箝位電路的驅(qū)動(dòng)控制方法，其特征是按以下步驟1) 開始，檢測(cè)初始緩沖電容[Cl]兩端箝位電壓u。；2) 判斷箝位電壓Uc是否小于下限電壓Uf;如果yes，則轉(zhuǎn)到步驟3 ;如果no，則轉(zhuǎn)到 步驟5 ;3) 將輔助功率管Q2的驅(qū)動(dòng)電壓ugs2置零，即將Q2關(guān)斷；4) 檢測(cè)下一拍u。，再轉(zhuǎn)到步驟2;5) 判斷箝位電壓Uc是否大于上限電壓U^ ;如果no，則轉(zhuǎn)到步驟6 ;如果yes，則轉(zhuǎn)到 步驟8 ;6) 將輔助功率管Q2的驅(qū)動(dòng)電壓ugs2置零，即將Q2關(guān)斷；7) 檢測(cè)下一拍u。，再轉(zhuǎn)到步驟5;8) 將輔助功率管Q2的驅(qū)動(dòng)電壓ugs2與主功率管Ql的驅(qū)動(dòng)電壓ugsl同步，即使Q2與Ql 同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷一個(gè)周期；9) 檢測(cè)下一拍uc ;10) 判斷箝位電壓u。是否小于下限電壓Uf;如果no，則轉(zhuǎn)到步驟8 ;如果yes，則轉(zhuǎn)到 步驟3。
全文摘要
一種低損耗饋能式箝位電路及驅(qū)動(dòng)控制方法，電路由箝位二極管、緩沖電容和含輔助功率管的單開關(guān)直流變換器組成，箝位二極管的陽極接被保護(hù)功率管的漏極，箝位二極管的陰極接緩沖電容的一端，緩沖電容的另一端和被保護(hù)主功率管的源極相連，緩沖電容與單開關(guān)直流變換器的輸入端連接，單開關(guān)直流變換器的輸出接裝置的直流吸收環(huán)節(jié)；方法為檢測(cè)箝位電壓幅值，僅當(dāng)其上升到大于上限電壓后，輔助功率管與主功率管同時(shí)開關(guān)，直至其下降到小于下限電壓；而其它時(shí)間輔助功率管關(guān)斷。本發(fā)明既可將受保護(hù)功率管的關(guān)斷電壓有效箝位；又可將緩沖電容中的能量以較小的損耗回饋到電路的直流側(cè)，簡(jiǎn)單易行，可提高高頻電力電子裝置的開關(guān)頻率，降低電路損耗。
文檔編號(hào)H02M3/07GK101795063SQ201010133478
公開日2010年8月4日 申請(qǐng)日期2010年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月26日
發(fā)明者袁義生 申請(qǐng)人:華東交通大學(xué)