CN2012100209431A 移相式全桥逆变器 1-11

(10)申请公布号 CN 102545685 A (43)申请公布日 2012.07.04 CN 102545685 A *CN102545685A* (21)申请号 201210020943.1 (22)申请日 2012.01.30 201110459570.3 2011.12.31 CN H02M 7/5387(2007.01) (71)申请人 东软飞利浦医疗设备系统有限责任 公司 地址 110179 辽宁省沈阳市浑南新区新秀街 2 号东大软件园 (72)发明人 王国超 赵金铭 杨彦伟 张天洋 (74)专利代理机构 北京鸿元知识产权代理有限 公司 11327 代理人 陈英俊 (54) 发明名称 移相式全桥逆变器 (57) 摘要 提供一种移相式全桥逆变器， 包括 ： 全桥电 路， 由第一至第四晶体管开关元件组成， 第一及第 二晶体管开关元件构成超前臂， 第三及第四晶体 管开关元件构成滞后臂 ； 串联谐振电路， 由电感 和电容串联构成 ； 移相 PWM 单元， 用于输出控制脉 冲信号 ； 还具备电流过零点判断单元， 其接收来 自串联谐振电路的反馈电流， 进行串联谐振电路 中的电流的过零点判断之后， 在没有过零之前发 出脉冲， 这些脉冲构成提供给移相 PWM 控制单元 的同步信号 ； 移相 PWM 控制单元根据同步信号， 控 制滞后臂的关断时刻。 根据上述结构， 使得移相式 全桥逆变器中的全桥电路的滞后臂在电流过零点 之前关断， 因此， 关断时的电流远小于电流峰值， 因此降低了晶体管开关元件的关断时的损耗。 (66)本国优先权数据 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 4 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 4 页 1/1 页 2 1. 一种移相式全桥逆变器， 包括 ： 全桥电路， 由第一至第四晶体管开关元件组成， 其 中， 第一及第二晶体管开关元件构成超前臂， 第三及第四晶体管开关元件构成滞后臂 ； 串联 谐振电路， 由电感和电容串联构成， 其一端连接在上述第一晶体管开关元件与第二晶体管 开关元件之间 ； 移相 PWM 单元， 用于输出控制上述第一至第四晶体管开关元件的控制脉冲 信号， 其特征在于， 还具备设于上述串联谐振电路与上述移相 PWM 控制单元之间的电流过零点判断单元， 其接收来自上述串联谐振电路的反馈电流， 进行串联谐振电路中的电流的过零点判断之 后， 在没有过零之前发出脉冲， 这些脉冲构成提供给上述移相 PWM 控制单元的同步信号 ； 上述移相 PWM 控制单元根据上述同步信号， 控制上述滞后臂的关断时刻。 2. 根据权利要求 1 所述的移相式全桥逆变器， 其特征在于， 上述第一至第四晶体管开关元件是晶闸管、 电力场效应晶体管或绝缘栅双权晶体管。 3. 根据权利要求 1 所述的移相式全桥逆变器， 其特征在于， 还具备高压双环调节单元， 其根据来自外部的电压给定值、 来自上述串联谐振电路的 电流反馈和来自外部的高压变压器的电压反馈， 进行上述电压给定值与反馈电压之间的比 较后， 向上述移相 PWM 控制单元输出误差电压信号。 4. 根据权利要求 1 所述的移相式全桥逆变器， 其特征在于， 构成上述滞后臂的第三及第四晶体管开关元关断时的电流远小于电流峰值。 5. 根据权利要求 1 所述的移相式全桥逆变器， 其特征在于， 基于上述移相 PWM 控制单元的控制脉冲信号， 通过隔离变压器控制上述第一至第四晶 体管开关元件的导通和关断。 权 利 要 求 书 CN 102545685 A 2 1/5 页 3 移相式全桥逆变器 技术领域 0001 本发明涉及一种移相式全桥逆变器， 具体地说， 涉及利用电流过零点判断电路来 控制移相 PWM 电路的控制信号输出， 从而改善了开关元件的导通及关断特性的移相式全桥 逆变器。 背景技术 0002 近年来， 高频高压电源在工业控制、 民用产品等电子领域得到广泛应用， 其主电路 通常采用脉宽调制 (PWM) 硬开关控制方式， 这会导致功率开关元件在开关瞬间承受较大的 电压应力， 所以在导通 / 关断过程损耗较大， 会引起功率元件寿命下降， 进而影响整个逆变 器的工作效率。 0003 针对于此， 在专利文献 1 中公开了图 1 所示的予以改进的移相式全桥逆变器。如 图 1 所示， 该移相式全桥逆变器包括全桥电路 10 和高频变压器 20。其中， 全桥电路 10 由第 一开关管 S1、 第二开关管 S2、 第三开关管 S3 和第四开关管 S4 组成， 且每个开关管均包含续 流二极管 D。在此， 第一开关管 S1 和第二开关管 S2 组成超前桥臂， 第三开关管 S3 和第四开 关管S4组成滞后桥臂。 另外， 全桥电路还包括第一吸收电容C1和第二吸收电容C2， 分别并 联于第一开关管 S1 和第二开关管 S2 的两端。高频变压器 20 的初级绕组的一端通过隔直 电容 Cb 连接于第一开关管 S1 与第二开关管 S2 之间， 另一端通过饱和电感 Ls 连接于第三 开关管 S3 和第四开关管 S4 之间。 0004 根据采用上述结构的移相式全桥逆变器， 实现了所有功率元件的零电压开关。 0005 但是， 上述结构的桥式逆变器的逆变控制方式是工作在串联谐振点以上的变频控 制， 属于零点压开通， 但在电流高峰值处关断的软开关方式。在其每个频率周期内， 如下表 1 所示， 逆变器的全桥电路中的四个功率开关元件都在电流峰值处进行一次硬关断， 所以逆 变开关的损耗较大。 0006 表 1 ： 0007 开关元件 导通方式 关断方式 S1 软 ( 零电压导通 ) 硬 ( 电流峰值处关断 ) S2 软 ( 零电压导通 ) 硬 ( 电流峰值处关断 ) S3 软 ( 零电压导通 ) 硬 ( 电流峰值处关断 ) S4 软 ( 零电压导通 ) 硬 ( 电流峰值处关断 ) 0008 因此， 需要改善了全桥逆变器中的功率开关元件的关断特性， 降低关断时的损耗 的全桥逆变器。 0009 专利文献 1 ： 中国实用新型专利公告第 CN200920070136.4 号 说 明 书 CN 102545685 A 3 2/5 页 4 发明内容 0010 本发明为了解决现有技术中存在的上述问题而做出， 其目的在于提供一种改善了 功率开关元件的关断特性， 减小了关断时的损耗的移相式全桥逆变器。 0011 为了实现上述目的， 本发明提供一种移相式全桥逆变器， 包括 ： 全桥电路， 由第一 至第四晶体管开关元件组成， 其中， 第一及第二晶体管开关元件构成超前臂， 第三及第四晶 体管开关元件构成滞后臂 ； 串联谐振电路， 由电感和电容串联构成， 其一端连接在上述第一 晶体管开关元件与第二晶体管开关元件之间 ； 移相 PWM 单元， 用于输出控制上述第一至第 四晶体管开关元件的控制脉冲信号， 此外， 还具备设于上述串联谐振电路与上述移相 PWM 控制单元之间的电流过零点判断单元， 其接收来自上述串联谐振电路的反馈电流， 进行串 联谐振电路中的电流的过零点判断之后， 在没有过零之前发出脉冲， 这些脉冲构成提供给 上述移相PWM控制单元的同步信号 ； 上述移相PWM控制单元根据上述同步信号， 控制上述滞 后臂的关断时刻。 0012 另外， 优选的结构是， 上述第一至第四晶体管开关元件是晶闸管、 电力场效应晶体 管或绝缘栅双权晶体管。 0013 另外， 优选的结构是， 还具备高压双环调节单元， 其根据来自外部的电压给定值、 来自上述串联谐振电路的电流反馈和来自外部的高压变压器的电压反馈， 进行上述电压给 定值与反馈电压之间的比较后， 向上述移相 PWM 控制单元输出误差电压信号。 0014 另外， 优选的结构是， 构成上述滞后臂的第三及第四晶体管开关元关断时的电流 远小于电流峰值。 0015 另外， 优选的结构是， 基于上述移相 PWM 控制单元的控制脉冲信号， 通过隔离变压 器控制上述第一至第四晶体管开关元件的导通和关断。 0016 根据上述结构的本发明， 使得移相式全桥逆变器中的全桥电路的滞后臂在电流过 零点之前关断， 因此， 关断时的电流远小于电流峰值， 因此降低了晶体管开关元件的关断时 的损耗， 改善了逆变器的开关特性。 0017 为了实现上述以及相关目的， 本发明的一个或多个方面包括后面将详细说明并在 权利要求中特别指出的特征。下面的说明以及附图详细说明了本发明的某些示例性方面。 然而， 这些方面指示的仅仅是可使用本发明的原理的各种方式中的一些方式。 此外， 本发明 旨在包括所有这些方面以及它们的等同物。 附图说明 0018 通过参考以下结合附图的说明及权利要求书的内容， 并且随着对本发明的更全面 理解， 本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中 ： 0019 图 1 是表示以往的移相式全桥逆变器的具体结构的电路示意图。 0020 图 2 是表示本发明涉及的移相式全桥逆变器的具体结构的电路示意图。 0021 图 3 是表示本发明涉及的移相式全桥逆变器的功率开关元件的控制信号及逆变 电流的波形图。 0022 图4A4F是表示本发明涉及的移相式全桥逆变器的一个周期内各时刻的逆变电 路流向的示意图。 说 明 书 CN 102545685 A 4 3/5 页 5 具体实施方式 0023 下面， 参照附图详细说明本发明涉及的移相式全桥逆变器的电路结构。 0024 图 2 是表示本发明涉及的移相式全桥逆变器的具体结构的电路示意图。如该图 2 所示， 该移相式全桥逆变器具备由第一至第四晶体管开关元件 M1、 M2、 M3、 M4 组成的全桥 电路， 其中， 该四个晶体管开关元件可采用晶闸管、 电力场效应晶体管和绝缘栅双权晶体管 (IGBT) 等。而且， 在上述全桥电路中， 晶体管开关元件 M1 和 M2 形成超前臂， 晶体管开关元 件 M3 和 M4 形成滞后臂。另外， 而且这些晶体管开关元件分别具备续流二极管 D1 D4。 0025 此外， 上述该移相式全桥逆变器还具备由电感 L1 和电容 C1 串联构成的串联谐振 电路， 其一端连接在第一晶体管开关元件M1与第二晶体管开关元件M2之间， 另一端连接在 作为外部装置的高压变压器 TU 的初级绕组的一端。 0026 而且， 上述移相式全桥逆变器还具备高压双环调节单元 101， 该高压双环调节单元 101 根据来自外部的电压给定值、 来自上述串联谐振电路的电流反馈和来自上述高压变压 器 TU 的电压反馈， 进行上述电压给定值与反馈电压之间的比较后， 向后述的移相 PWM 控制 单元 102 输出误差电压信号， 该误差电压信号用于调节移相式全桥逆变器的输出电压。 0027 而且， 上述移相式全桥逆变器还具备设于上述串联谐振电路与后述的移相 PWM 控 制单元 P1 之间的电流过零点判断单元 103， 该电流过零点判断单元 103 接收来自上述串联 谐振电路的反馈电流， 进行串联谐振电路中的电流的过零点判断之后， 在没有过零之前发 出脉冲， 这些脉冲构成提供给后述的移相 PWM 控制单元 102 的同步信号。 0028 而且， 上述移相式全桥逆变器还具备与上述高压双环调节单元 101 连接的移相 PWM 控制单元 102， 其接收来自上述高压双环调节电路的电压误差信号和上述同步信号， 输 出控制上述全桥电路的第一至第四晶体管开关元件 M1 M4 的控制脉冲信号 A、 B、 C、 D。 0029 下面， 参照图 3 和图 4A 4F 详细说明具有上述结构的本发明涉及的移相式全桥 逆变器的具体工作过程。 0030 首先， 参照图 3 说明上述移相式全桥逆变器的控制脉冲信号 A D、 同步信号和逆 变电流之间的时序关系。如图 3 所示， 从上述移相 PWM 控制单元 102 的四个输出端分别输 出用于控制全桥电路的四个晶体管开关元件 M1 M4 的控制脉冲信号 A、 B、 C、 D。根据通常 的移相 PWM 电路的特性可知， 输出的控制脉冲信号 A D 是具有一定脉宽且相互间具有规 定时间延迟的移相脉冲。在此， 利用控制脉冲信号 A D 并通过隔离变压器 T1、 T2 控制上 述全桥电路的四个晶体管开关元件 M1 M4， 利用控制脉冲信号 A、 B 控制晶体管开关元件 M1 和 M2 的导通和关断， 利用控制脉冲信号 C、 D 控制晶体管开关元件 M3 和 M4 的导通和关 断。 0031 图 3 是表示本发明涉及的移相式全桥逆变器的功率开关元件的控制信号及逆变 电流的波形图。根据图 3 的波性及时序可知， 控制脉冲信号 A、 B 的启动 / 截止时序以及控 制脉冲信号 C、 D 的启动时序同以往的脉冲波形基本相同， 不同之处在于控制脉冲信号 C、 D 的截止时序， 由于提供给移相 PWM 控制单元 102 的同步信号脉冲是在串联谐振电路的电流 过零之前发出， 因此， 基于该同步信号， 控制脉冲信号 C、 D 也在串联谐振电路的电流过零之 前截止， 从而， 本发明的全桥逆变器的逆变电流如该图 3 所示， 晶体管开关元件 M3、 M4 关断 时的逆变电流比峰值小很多。 说 明 书 CN 102545685 A 5 4/5 页 6 0032 接着， 参照图 4A 4F 说明本发明涉及的移相式全桥逆变器的一个周期内各时刻 的逆变电路流向。 0033 在 t1 期间， 在开始时刻， 第一晶体管开关元件 M1 和第四晶体管开关元件 M4 导通， 此时电流 i 反向流过第一晶体管开关元件 M1 和第四晶体管开关元件 M4 的续流二极管 D1、 D4。此时， 第一晶体管开关元件 M1 和第四晶体管开关元件 M4 的两端电压是零。所以， 这两 个晶体管开关元件是零电压导通。 0034 在t2期间， 电流i正向流过第一晶体管开关元件M1和第四晶体管开关元件M4， 产 生正常的负载电流。 0035 在t3期间， 在开始时刻， 第一晶体管开关元件M1关断， 此时的电流处于峰值， 电流 i 反向流过第二晶体管开关元件 M2、 同时正向流过第四晶体管开关元件 M4， 此时处于续流 状态。然后， 第二晶体管开关元件 M2 导通， 此时第二晶体管开关元件 M2 的两端电压是零， 所以是零电压导通。 0036 在 t4 期间， 在开始时刻， 第四晶体管开关元件 M4 已关断， 此时电流接近于零， 而 且， 此时的电流 i 反向流过第二晶体管开关元件 M2 和第三晶体管开关元件 M3。然后， 第三 晶体管开关元件 M3 导通， 但此时第三晶体管开关元件 M3 的两端电压是零， 所以是零导通。 0037 在t5期间， 电流i正向流过第二晶体管开关元件M2和第三晶体管开关元件M3， 产 生正常的负载电流。 0038 在t6期间， 在开始时刻， 第二晶体管开关元件M2关断， 此时的电流处于峰值， 电流 i 反向流过第一晶体管开关元件 M1 和第三晶体管开关元件 M3， 此时处于续流状态。然后， 第一晶体管开关元件M1导通， 此时第一晶体管开关元件M1的两端电压是零， 所以是零电压 导通。 0039 综上所述， 在本发明涉及的移相式全桥逆变器中， 第一晶体管开关元件 M1 和第二 晶体管开关元件 M2 的驱动超前， 它们导通时电流反向流过各自的续流二极管 D1、 D2， 所以 是零电压导通。而且， 在关断时， 逆变电流处于峰值， 所以是硬关断。与此相比， 第三晶体管 开关元 M3、 第四晶体管开关元件 M4 的驱动滞后， 它们导通时反向流过各自的续流二极管的 电流