一种软开关控制方法、图腾柱无桥电路及系统与流程

1.本发明涉及pfc电路技术领域，特别涉及一种软开关控制方法、图腾柱无桥电路及系统。


背景技术：

2.现有传统的有桥pfc电路中导通器件多，通态损耗大，不适于中大功率场合的应用。而无桥pfc电路可以减少通态损耗并且提高效率。无桥pfc电路控制方法分为两种，ccm控制和crm控制。采用ccm控制的无桥pfc电路一般采用反向恢复特性较好的开关管如sic mos，gan mos，但这种开关管成本较高，同时开通过程为硬开关，开关损耗大，不利于小型化，同时硬开通也会产生较大的电磁干扰问题。crm控制无需sic mos，gan mos等开关管，成本较低。
3.但是传统crm控制存在一个缺点，当输入电压瞬时值大于一半的母线电压时，开关管开通时，其两端电压无法降到零，crm控制中存在一定的硬开关，增加了损耗，降低了效率同时也加大了电磁干扰问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种软开关控制方法、图腾柱无桥电路及系统，以解决现有技术中图腾柱无桥电路采用crm控制输入电压瞬时值大于一半母线电压时，开关管无法实现零电压开通，降低了效率，同时也加大了电磁干扰的问题。
5.本发明第一方面提供一种图腾柱无桥电路，所述图腾柱无桥电路包括：
6.第一桥臂，其包括串联连接的第一开关管和第二开关管，所述第一开关管和所述第二开关管连接形成第一连接点；
7.第二桥臂，其与所述第一桥臂并联连接，其包括第三开关管和第四开关管，所述第三开关管和所述第四开关管连接形成第二连接点，所述第三开关管与所述第一开关管之间形成第一汇流端，所述第四开关管与所述第二开关管之间形成第二汇流端，所述第二连接点与所述第一汇流端之间串联连接第一电流互感器的原边绕组，所述第一电流互感器的副边绕组连接第一电流检测电路，所述第二连接点与所述第二汇流端之间串联连接第二电流互感电路的原边绕组，所述第二电流互感器的副边绕组连接第二电流检测电路；
8.母线电容，其第一端连接所述第一汇流端，其第二端连接所述第二汇流端；
9.电感，其一端连接所述第二连接点，其另一端和所述第一连接点之间连接交流电源；
10.控制模块，其分别连接所述第三开关管的控制端、所述第四开关管的控制端、所述第一电流检测电路以及所述第二电流检测电路。
11.本发明提供一种软开关控制方法、图腾柱无桥电路及系统，图腾柱无桥电路包括第一桥臂、第二桥臂、母线电容、电感以及控制模块，第一桥臂包括串联连接的第一开关管和第二开关管，第二桥臂包括第三开关管、第四开关管、第一电流互感器以及第二电流互感
电路，第一电流互感器的副边绕组连接第一电流检测电路，第二电流互感器的副边绕组连接第二电流检测电路，当交流电源输出的交流电处于正半周期时，关断第三开关管和第四开关管，经过第一预设时间后导通第三开关管，检测第七开关管的两端电压极性变化时，延时第二预设时间后关断第三开关管，经过第三预设时间后开通第四开关管，再经过第四预设时间后返回执行关断第四开关管，利用负电流将第四开关管输出结电容电荷抽完，实现第四开关管的零电压开通，减小了第四开关管的开通损耗以及硬开通带来的电磁干扰问题；当交流电源输出的交流电处于负半周期时，关断第三开关管和第四开关管，经过第五预设时间后导通第四开关管，检测到第五开关管的两端电压极性发生变化时，经过第六预设时间后关断第四开关管，经过第七预设时间后开通第三开关管，再经过第八预设时间后返回执行关断第三开关管，利用负电流将第三开关管输出结电容电荷抽完，实现第三开关管的零电压开通，减小了第三开关管的开通损耗以及硬开通带来的电磁干扰问题。
附图说明
12.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
13.图1是本发明实施例所提供的一种图腾柱无桥电路的结构示意图；
14.图2是本发明实施例所提供的一种图腾柱无桥电路的电路图；
15.图3是本发明实施例所提供的一种图腾柱无桥电路中的第一电流检测电路的结构示意图；
16.图4是本发明实施例所提供的一种图腾柱无桥电路中的第一电流检测电路的电路图；
17.图5是本发明实施例所提供的一种图腾柱无桥电路中的第二电流检测电路的结构示意图；
18.图6是本发明实施例所提供的一种图腾柱无桥电路中的第二电流检测电路的电路图；
19.图7是本发明实施例所提供的一种软开关控制方法的流程图；
20.图8是本发明实施例所提供的一种图腾柱无桥电路中的交流电源输出的交流电处于正半周时的电流波形图；
21.图9是本发明实施例所提供的一种图腾柱无桥电路的电流流向图；
22.图10是本发明实施例所提供的一种图腾柱无桥电路中的第一电流检测电路的电流流向图；
23.图11是本发明实施例所提供的一种图腾柱无桥电路的另一电流流向图；
24.图12是本发明实施例所提供的一种图腾柱无桥电路中的第二电流检测电路的电流流向图；
25.图13是本发明实施例所提供的一种软开关控制方法的另一流程图；
26.图14是本发明实施例所提供的一种图腾柱无桥电路中的交流电源输出的交流电处于负半周时的电流波形图；
27.图15是本发明实施例所提供的一种图腾柱无桥电路的另一电流流向图；
28.图16是本发明实施例所提供的一种图腾柱无桥电路中的第二电流检测电路的另一电流流向图；
29.图17是本发明实施例所提供的一种图腾柱无桥电路的另一电流流向图；
30.图18是本发明实施例所提供的一种图腾柱无桥电路中的第一电流检测电路的电流流向图。
具体实施方式
31.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
32.为了说明本发明的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
33.本发明实施例提供一种图腾柱无桥电路如图1所示，图腾柱无桥电路包括：
34.第一桥臂，其包括串联连接的第一开关管101和第二开关管102，第一开关管101和第二开关管102连接形成第一连接点；
35.第二桥臂，其与第一桥臂并联连接，其包括第三开关管103和第四开关管104，第三开关管103和第四开关管104连接形成第二连接点，第三开关管103与第一开关管101之间形成第一汇流端，第四开关管104与第二开关管102之间形成第二汇流端，第二连接点与第一汇流端之间串联连接第一电流互感器106的原边绕组，第一电流互感器106的副边绕组连接第一电流检测电路110，第二连接点与第二汇流端之间串联连接第二电流互感器107的原边绕组，第二电流互感器107的副边绕组连接第二电流检测电路111；
36.母线电容108，其第一端连接第一汇流端，其第二端连接第二汇流端；
37.电感105，其一端连接第二连接点，其另一端和第一连接点之间连接交流电源。
38.其中，第一开关管101和第二开关管102可以为二极管或者mos管，第三开关管103和第四开关管104可以为n沟道型金属氧化物半导体场效应晶体管mosfet或绝缘栅双极型晶体管igbt，电感105为pfc电感，电感105的一端和第一连接点之间连接交流电源109，交流电源109输出交流电。
39.其中，如图2所示，第一开关管101为二极管d1，第二开关管102为二极管d2，第三开关管103为mos管q3，第四开关管104为mos管q4，母线电容为电容cbus，电感105为电感l1，第一电流互感器106为电流互感器ct1，第二电流互感器107为电流互感器ct2。
40.其中，如图3所示，第一电流检测电路110包括第一复位电路121、第七开关管122、第八开关管123以及第二电阻，第一电流互感器ct1副边绕组的第一端连接第一复位电路121的第一端以及第七开关管122的第一端，第七开关管122的第二端连接第二电阻的第一端，第一电流互感器ct1副边绕组的第二端连接第一复位电路121的第二端以及第八开关管123的第一端，第八开关管123的第二端连接第二电阻的第二端；控制模块连接第七开关管122的控制端和第八开关管123的控制端。如图4所示，第七开关管122为mos管q7，第八开关管123为mos管q8，第二电阻为电阻r2，控制模块为复杂可编程逻辑器件cpld或现场可编程门阵列fpga或数字信号处理器dsp或微控制器mcu，第一复位电路包括电阻或电容或tvs或稳压管，例如，第一复位电路包括电容c2、稳压管vt3、稳压管vt4。
41.其中，如图5所示，第二电流检测电路111包括第二复位电路131、第五开关管132、第六开关管133以及第一电阻，第二电流互感器ct2副边绕组的第一端连接第二复位电路131的第一端以及第五开关管132的第一端，第五开关管132的第二端连接第一电阻的第一端，第二电流互感器ct2副边绕组的第二端连接第二复位电路131的第二端以及第六开关管133的第一端，第六开关管133的第二端连接第一电阻的第二端；控制模块连接第五开关管132的控制端和第六开关管133的控制端。如图6所示，第五开关管132为mos管q5，第六开关管133为mos管q6，第一电阻为电阻r1，控制模块为复杂可编程逻辑器件cpld或现场可编程门阵列fpga或数字信号处理器dsp或微控制器mcu，第二复位电路131包括电阻或电容或tvs或稳压管，例如，第二复位电路131包括电容c1、稳压管vt1、稳压管vt2。
42.其中，所述控制模块根据交流电源输出的正负极性信号向第五开关管、第六开关管、第七开关管以及第八开关管输出驱动信号。
43.本发明实施例还提供一种图腾柱无桥系统，包括上述的图腾柱无桥电路。
44.本发明实施例还提供一种软开关控制方法，应用于控制模块中，如图7所示，控制模块执行以下步骤，当交流电源输出的交流电处于正半周期时，软开关控制方法包括：
45.步骤s101，关断第三开关管和第四开关管，经过第一预设时间后导通第三开关管。
46.步骤s102，检测所述第七开关管的两端电压极性变化时，延时第二预设时间后关断所述第三开关管，其中，在所述第二预设时间内，流经所述第三开关管的第一电流逐渐减小至零再至负数。
47.步骤s103，经过第三预设时间后开通所述第四开关管，再经过第四预设时间后返回执行步骤s101，其中，在所述第三预设时间内，所述第四开关管两端结电容电压放电至电压为零。
48.上述步骤具体过程如下，交流电源输出交流电的正半周：
49.如图8所示，为各点波形示意图，其中，il表示电感电流；i_ct1_p为第一电流互感器的原边电流；i_ct1_s为第一电流互感器的副边电流；u_gj为点g和点j之间的电压，u_copare为电压极性检测单元输出；u_q4_gs为mos管q4的驱动信号；u_q3_gs为mos管q3的驱动信号。
50.如图9所示，在t0时刻，mos管q4关断，回路中电流方向为：
51.l线
→
电感l1
→
mos管q3的体二极管
→
第一电流互感器ct1
→
电容cbus
→
二极管d2
→
n线。
52.为了降低导通损耗，提高效率，当开关mos管q3关断时，电流是从mos管q3体二极管流通，延迟一段时间后在t1时刻开通mos管q3，电流由mos管q3的体二极管流通转为从mos管q3的沟道流通。
53.如图10所示，在主拓扑中，第一电流互感器ct1的电流流向为：从f端到e端，此时第一电流互感器ct1副边电路中电流流向为：
54.h端
→
mos管q8
→
电阻r2
→
mos管q7的体二极管
→
g端，电阻r2的电压可用作过流保护，此时，电压u_gj《0。
55.在mos管q3开通期间，电感电流是不断减小的，由于第一电流互感器激磁电流的影响，第一电流互感器的副边电流超前其原边电流，所以随着电感电流的不断减小，副边电流先在t2时刻到零，原边电流在t3时刻到零。
56.当第一电流互感器ct1的副边电流减小到零后，电流开始反向流通，由于mos管q7是关断的，电流不能反着从mos管q7的沟道流通，当电流过零后，mos管q7的体二极管关断截止，当电流过零并反向增加大时，一部分电流给mos管q7的输出结电容冲电，mos管q7的ds电压u_gj增加，一部分电流通过电容c2或稳压管vt3、vt4流通，此时，u_gj》0。当电感电流过零后，第一电流互感器ct1开始磁复位，但此时u_gj仍然大于零。
57.从上面的分析过程可以知道，可以通过判断gj两端电压的极性来判断第一电流互感器的副边电流的过零时刻，延迟一段时间后，在t3时刻，第一电流互感器原边电流过零，即电感电流过零，再延迟一段时间后，在t4时刻关断mos管q3，此时电感电流为负值，mos管q3关断后，这一负值电流将会抽取mos管q4输出结电容中储存的电荷，当mos管q4输出结电容中储存的电荷抽完，即当mos管q4的ds两端的电压为零时，即在t5时刻开通mos管q4，从而实现mos管q4的零电压开通。即当检测到gj两端电压极性变化时，延迟一段时间关断mos管q3，再延迟一段时间开通mos管q4，利用负电流将mos管q4输出结电容电荷抽完，实现mos管q4的零电压开通，减小了mos管q4的开通损耗以及硬开通带来的电磁干扰的问题。
58.如图11所示，在t5时刻，开通mos管q4以后，电感电流逐渐增加，电流流向为：
59.l线
→
电感l1
→
第二电流互感器ct2
→
mos管q4
→
二极管d24
→
n线。
60.如图12所示，在主拓扑中，第二电流互感器ct2的电流流向为：a端到b端，此时，第二电流互感器ct2的副边电路中电流流向为：
61.c端
→
mos管q5
→
电阻r1
→
mos管q6的体二极管
→
d端，此时电阻r1的电压可用作过流保护。
62.在t6时刻，关断mos管q4，此刻发生的事件重复t0时刻事件。
63.本实施方式当检测到mos管q7两端电压极性变化时，延迟一段时间关断mos管q3，再延迟一段时间开通mos管q4，利用负电流将mos管q4输出结电容电荷抽完，实现mos管q4的零电压开通，减小了mos管q4的开通损耗以及硬开通带来的电磁干扰问题。
64.当交流电源输出的交流电处于负半周期时，如图13所示，方法包括：
65.步骤s104，关断第三开关管和第四开关管，经过第五预设时间后导通第四开关管。
66.步骤s105，检测所述第五开关管的两端电压极性变化时，经过第六预设时间后关断所述第四开关管，其中，在第六预设时间内，流经所述第四开关管的所述第三电流逐渐减小至零再至负数。
67.步骤s106，经过第七预设时间后开通所述第三开关管，再经过第八预设时间后返回执行步骤s104，其中，在第七预设时间内，第三开关管两端结电容放电至电压为零。
68.上述步骤具体过程如下，交流电源输出交流电的负半周：
69.如图14所示，为交流负半周的各点相关波形示意，其中，il表示电感电流；i_ct1_p为第一电流互感器的原边电流；i_ct1_s为第一电流互感器的副边电流；u_copare为电压极性检测单元输出；u_q4_gs为mos管q4的驱动信；u_mos管q3_gs为mos管q3的驱动信号。
70.如图15所示，在t7时刻，mos管q3关断，回路中电流方向为：
71.n线
→
二极管d1
→
电容cbus
→
mos管q4的体二极管
→
电感l1
→
第二电流互感器ct2
→
l线。
72.当开关mos管q3关断时，电流是从mos管q4体二极管流通，为了降低导通损耗，提高效率，延迟一段时间后在t8时刻开通mos管q4，电流由mos管q4体二极管流通转为从mos管q4
的沟道流通。
73.如图16所示，在主拓扑中，第二电流互感器ct2的电流流向为：b端到a端，此时，第二电流互感器ct2副边电路中，电流流向为：
74.d端
→
mos管q6
→
电阻r1
→
mos管q5的体二极管
→
c端，电阻r1的电压可用作过流保护，此时，电压u_ce《0。
75.在mos管q4开通期间，电感电流是不断减小的，由于第二电流互感器激磁电流的影响，第二电流互感器副边电流超前原边电流，所以随着电感电流的不断减小，第二电流互感器副边电流先在t9时刻到零，原边电流在t10时刻到零。
76.当第二电流互感器ct2的副边电流减小到零后，副边电流开始反向流通，由于mos管q5是关断的，电流不能反着从mos管q5的沟道流通，当电流过零后，mos管q5的体二极管关断截止，当电流过零并反向增加大时，一部分电流给mos管q5的输出结电容充电，mos管q5的ds电压u_ce增加，一部分电流通过电容c1或稳压管vt1、vt2流通，此时的u_ce》0。当第二电流互感器ct2原边电流过零后，第二电流互感器ct2开始磁复位，但此时u_ce仍然大于零。
77.从上面的分析过程可以知道，可以通过判断ce两端电压的极性来判断第二电流互感器的副边电流的过零时刻，延迟一段时间后，在t10时刻，第二电流互感器原边电流过零，即电感电流过零，再延迟一段时间后，在t11时刻关断mos管q4，此时电感电流为负值，mos管q4关断后，这一负值电流将会抽取mos管q3输出结电容中储存的电荷，当mos管q3输出结电容中储存的电荷抽完，即当mos管q3的ds两端的电压为零时，在t11时刻开通mos管q3，从而实现mos管q3的零电压开通。这一过程可以简单概括为当检测到ce两端电压极性变化时，延迟一段时间关断mos管q4，再延迟一段时间开通mos管q3，利用负电流将mos管q3输出结电容电荷抽完，实现mos管q3的零电压开通。减小了mos管q3的开通损耗以及硬开通带来的电磁干扰问题。
78.如图17所示，在t12时刻，开通mos管q3以后，电感电流逐渐增加，电流流向为：l线
→
二极管d1
→
电流互感第一电流互感器ct1
→
mos管q3
→
pfc电感l1
→
l线。
79.如图18所示，负半周mos管q3导通后，在主拓扑中，第一电流互感器ct1的电流流向为：e端到f端，此时第一电流互感器ct1的副边电路中电流流向为：
80.g端
→
mos管q7
→
电阻r2
→
mos管q8的体二极管
→
d端，此时电阻r2的电压可用作过流保护。
81.在t13时刻关断mos管q4，此刻重复t7时刻事件，不再多述。
82.本实施方式可以概括为当检测到mos管q5两端电压极性变化时，延迟一段时间关断mos管q4，再延迟一段时间开通mos管q3，利用负电流将mos管q3输出结电容电荷抽完，实现mos管q3的零电压开通，减小了mos管q3的开通损耗以及硬开通带来的电磁干扰问题。
83.本发明实施例提供一种软开关控制方法、图腾柱无桥电路及系统，图腾柱无桥电路包括第一桥臂、第二桥臂、母线电容、电感以及控制模块，第一桥臂包括串联连接的第一开关管和第二开关管，第二桥臂包括第三开关管、第四开关管、第一电流互感器以及第二电流互感电路，第一电流互感器的副边绕组连接第一电流检测电路，第二电流互感器的副边绕组连接第二电流检测电路，当交流电源输出的交流电处于正半周期时，关断第三开关管和第四开关管，经过第一预设时间后导通第三开关管，检测第七开关管的两端电压极性变化时，延时第二预设时间后关断第三开关管，经过第三预设时间后开通第四开关管，再经过
第四预设时间后返回执行关断第四开关管，利用负电流将第四开关管输出结电容电荷抽完，实现第四开关管的零电压开通，减小了第四开关管的开通损耗以及硬开通带来的电磁干扰问题；当交流电源输出的交流电处于负半周期时，关断第三开关管和第四开关管，经过第五预设时间后导通第四开关管，检测到第五开关管的两端电压极性发生变化时，经过第六预设时间后关断第四开关管，经过第七预设时间后开通第三开关管，再经过第八预设时间后返回执行关断第三开关管，利用负电流将第三开关管输出结电容电荷抽完，实现第三开关管的零电压开通，减小了第三开关管的开通损耗以及硬开通带来的电磁干扰问题。
84.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。