图腾柱PFC整流器的软开关控制电路转让专利
申请号 : CN202011489998.8
文献号 : CN112636581B
文献日 : 2021-12-07
发明人 : 郑仲舒 , 张犁 , 邹宇航 , 娄修弢 , 吴超 , 王一鸣
申请人 : 河海大学
摘要 :
权利要求 :
1.图腾柱PFC整流器的软开关控制电路，所述图腾柱PFC整流器包括交流电源、输入滤波电感、输入滤波电容、耦合电感、第一～第四开关管、输出母线电容以及一个负载电阻，输入滤波电容与交流电源并联，输入滤波电感的一端连接输入滤波电容的一端，输入滤波电感的另一端连接耦合电感原边的一端，第一开关管的源极连接第二开关管的漏极，第三开关管的源极连接第四开关管的漏极，第一开关管的漏极连接第三开关管的漏极，第二开关管的源极连接第四开关管的源极，耦合电感原边的另一端连接第一开关管与第二开关管的公共端，输入滤波电容的另一端连接第三开关管与第四开关管的公共端，第一开关管的漏极和第三开关管的漏极分别连接输出母线电容的一端，第二开关管的源极和第四开关管的源极分别连接输出母线电容的另一端，负载电阻与输出母线电容并联；其特征在于：图腾柱PFC整流器控制电路包括零电压开通检测电路和软开关控制电路；
所述零电压开通检测电路包括第二电容器，第一～第四二极管，第二～第三电阻器、耦合电感和第一比较器；
第一二极管的阳极连接第二二极管的阴极，第一二极管的阴极连接第三二极管的阴极，第三二极管的阳极连接第四二极管的阴极，第四二极管的阳极连接第二二极管的阳极，耦合电感副边异名端同第二电容器串联后连接第一二极管与第二二极管的公共端，耦合电感副边同名端连接第三二极管与第四二极管的公共端；第二电阻器和第三电阻器串联后，一端连接第一二极管与第三二极管的公共端，另一端连接第二二极管的与第四二极管的公共端；第一比较器的正输入端连接第二电阻器与第三电阻器的公共端，第一比较器负输入端接地；第一比较器的输出端与第二比例器和第二反相器的输入端连接；
所述软开关控制电路包括第一电压传感器、第二电压传感器、第二比较器、第一～第三加法器、第一～第四减法器、第一～第四乘法器、第一除法器、第二除法器、电流调节器、电压调节器、第一～第三比例器、第一反相器、第二反相器、选通器、锁相器及第一～第四驱动电路；
第二电压传感器采样PFC整流电路输出端的直流电压，并分别与第三减法器的正输入端和第一减法器的负输入点连接；第一减法器的正输入端与直流参考电压有效值连接，第一减法器的输出端与电压调节器的输入端连接；经电压调节器运算后得到电压调整量并与第二乘法器的一个输入端连接，第二乘法器的另一输入端为开关周期的最小值，第二乘法器的输出端与第一比例器的输入端连接，第一比例器的输出端与第一加法器的一个输入端连接；第一电压传感器采样PFC电流输入端的交流电压，并分别与锁相器、第二比较器的正输入端、第三减法器的负输入端和第四乘法器的一个输入端连接；锁相器的输出端与第一乘法器的一个输入端相连，第一乘法器的另一个输入端与电压调节器的输出端相连，第一乘法器的输出端与第二减法器的正输入端相连，电流传感器采样电感电流并与第二减法器的负输入端连接，第二减法器的输出端与电流调节器的输入端连接；经电流调节器运算后得到电流调整量并与第三乘法器的一个输入端连接，第三乘法器的另一个输入端为开关周期的最大值，第三乘法器的输出端与第一加法器的另一输入端连接；第一加法器的输出端与第四乘法器的另一个输入端连接；第三减法器的输出端与第二除法器的除数输入端连接，第四乘法器的输出端与第二除法器的被除数输入端连接，第二除法器的输出端与第二加法器的一个输入端连接，第一比较器的输出端经第二比例器后与第二加法器的另一输入端连接，第二加法器的输出端与第四减法器的正输入端连接，同时，第一比较器的输出端经第二反相器和第三比例器后与第四减法器的负输入端连接，第四减法器的输出端与第三加法器的一个输入端连接，第三加法器的另一个输入端与第一加法器的输出端连接，第三加法器的输出端与第一除法器的除数输入端连接，第一除法器的被除数输入端与第一加法器的输出端连接，第一除法器的输出端与选通器的输入端连接；选通器的一个输出端与第一驱动电路连接，得到第一开关管驱动信号，选通器的另一个输出端与第二驱动电路连接，得到第二开关管驱动信号；
第二比较器的正输入端与第一电压传感器输出端连接，第二比较器的负输入端接地，第二比较器的输出端与第三驱动电路连接，得到第三开关管驱动信号，第二比较器的输出端经第一反相器后与第四驱动电路连接，得到第四开关管驱动信号。
2.根据权利要求1所述图腾柱PFC整流器的软开关控制电路，其特征在于：对于选通器，根据当前第二比较器的输出端逻辑值将相应的输入信号送给第一驱动电路和第二驱动电路，具体过程如下：
当第二比较器的输出为1时，将第一除法器的输出送至第一驱动电路并将该信号作反相后送至第二驱动电路；当第二比较器的输出为0时，将第一除法器的输出送至第二驱动电路并将该信号反相后送至第一驱动电路。
3.根据权利要求1所述图腾柱PFC整流器的软开关控制电路，其特征在于：对于第一比例器，根据当前第一电压传感器的输出值将自身的比例系数设置为不同的值，具体过程如下：
当第一电压传感器的值在0至160之间，则第一比例器的比例系数为0.125；当第一电压传感器的值在160至320之间，则第一比例器的比例系数为0.25。
4.根据权利要求1所述图腾柱PFC整流器的软开关控制电路，其特征在于：第二比例器和第三比例器的比例系数均为开关周期的最小值的千分之一倍。
5.根据权利要求1所述图腾柱PFC整流器的软开关控制电路，其特征在于：当图腾柱PFC整流器的输入电压在正半周时，第二开关管驱动信号按当前时刻选通器的输出高频动作，第一开关管驱动信号与第二开关管驱动信号呈互补状态高频动作，第一开关管和第二开关管的开关周期为当前第三加法器的输出值，第二开关管在一个开关周期内高电平的占空比为当前第一除法器的输出值，第三开关管驱动信号为低电平、第四开关管驱动信号为高电平；
当图腾柱PFC整流器的输入电压在负半周时，第一开关管驱动信号按当前时刻选通器的输出高频动作，第二开关管驱动信号与第一开关管驱动信号呈互补状态高频动作，第一开关管和第二开关管的开关周期为当前第三加法器的输出值，第一开关管在一个开关周期内高电平的占空比为当前第一除法器的输出值，第三开关管驱动信号为高电平、第四开关管驱动信号为低电平。
说明书 :
图腾柱PFC整流器的软开关控制电路
技术领域
背景技术
SPWM 调制时，电感电流处于连续导通模式(CCM)，开关管上存在较大的开关损耗，当开关频
率 提升时将严重影响变换器的功率变换效率。
号 为“CN 106100412”和申请公布号为“CN 106877724”的中国发明专利，分别给出了基于
临 界导通模式(CRM)的全桥逆变器的软开关控制策略。但是，上述控制策略需要对电感电
流 进行高精度的检测，以使其和上包络线和下包络线进行精准的比较，如图2所示；同时，
由于 电感反向电流为固定值，在电感电流反向时将引入额外损耗，故以上控制策略对变换
器的功 率变换效率提升不明显。为了解决上述问题，文献“Z.Liu，B.Li，F.C.Lee and
Q.Li. High‑Efficiency High‑Density Critical Mode Rectifier/Inverter for WBG‑
Device‑Based On‑Board Charger.IEEE Transactions on Industrial
Electronics.2017，64(11)”提出使开关管关断时间延长 的控制策略，如图3所示，实现了
全范围的开关管ZVS并将因电感电流反向而引入的损耗降至 最低。但是，该控制策略需要
对每个开关周期的延时时间进行精准计算，且仍需要一个精度 较高的电感电流过零检测
(ZCD)电路，硬件成本较高。
发明内容
检测和 输入滤波电感串联的耦合电感副边的电压即可实现对每个开关周期延时时间的自
适应调整， 进而实现每个开关周期内开关管的零电压开通，降低开关损耗的同时避免了高
精度的电流检 测器的使用和复杂的计算，具有低成本高效率技术优势。
以及 负载电阻，输入滤波电容与交流电源并联，输入滤波电感的一端连接输入滤波电容的
一端， 输入滤波电感的另一端连接耦合电感原边的一端，第一开关管的源极连接第二开关
管的漏极， 第三开关管的源极连接第四开关管的漏极，第一开关管的漏极连接第三开关管
的漏极，第二 开关管的源极连接第四开关管的源极，耦合电感原边的另一端连接第一开关
管与第二开关管 的公共端，输入滤波电容的另一端连接第三开关管与第四开关管的公共
端，第一开关管的漏 极和第三开关管的漏极分别连接输出母线电容的一端，第二开关管的
源极和第四开关管的源 极分别连接输出母线电容的另一端，负载电阻与输出母线电容并
联；
极，耦合电感副边异名端同第二 电容器串联后连接第一二极管与第二二极管的公共端，耦
合电感副边同名端连接第三二极管与第四二极管 的公共端；第二电阻器和第三电阻器串
联后，一端连接第一二极管与第三二极管的公共端，另一端连接第 二二极管的与第四二极
管的公共端；第一比较器的正输入端连接第二电阻器与第三电阻器的公共端，第一 比较器
负输入端接地；第一比较器的输出端与第二比例器和第二反相器的输入端连接；
器、 电压调节器、第一～第三比例器、第一反相器、第二反相器、选通器、锁相器及第一～第
四 驱动电路；
接，第一减法器的输出端与电压调 节器的输入端连接；经电压调节器运算后得到电压调整
量并与第二乘法器的一个输入端连接，第二乘法器 的另一输入端为开关周期的最小值
(Tmin)，第二乘法器的输出端与第一比例器的输入端连接，第一比例器 的输出端与第一加
法器的一个输入端连接；第一电压传感器采样PFC电流输入端的交流电压，并分别与锁 相
器、第二比较器的正输入端、第三减法器的负输入端和第四乘法器的一个输入端连接；锁相
器的输出端 与第一乘法器的一个输入端相连，第一乘法器的另一个输入端与电压调节器
的输出端相连，第一乘法器的 输出端与第二减法器的正输入端相连，电流传感器采样电感
电流并与第二减法器的负输入端连接，第二减 法器的输出端与电流调节器的输入端连接；
经电流调节器运算后得到电流调整量并与第三乘法器的一个输 入端连接，第三乘法器的
另一个输入端为开关周期的最大值(Tmax)，第三乘法器的输出端与第一加法器的 另一输入
端连接；第一加法器的输出端与第四乘法器的另一个输入端连接；第三减法器的输出端与
第二除 法器的除数输入端连接，第四乘法器的输出端与第二除法器的被除数输入端连接，
第二除法器的输出端与 第二加法器的一个输入端连接，第一比较器的输出端经第二比例
器后与第二加法器的另一输入端连接，第 二加法器的输出端与第四减法器的正输入端连
接，同时，第一比较器的输出端经第二反相器和第三比例器 后与第四减法器的负输入端连
接，第四减法器的输出端与第三加法器的一个输入端连接，第三加法器的另 一个输入端与
第一加法器的输出端连接，第三加法器的输出端与第一除法器的除数输入端连接，第一除
法 器的被除数输入端与第一加法器的输出端连接，第一除法器的输出端与选通器的输入
端连接；选通器的一 个输出端与第一驱动电路连接，得到第一开关管驱动信号(ugs1)，选通
器的另一个输出端与第二驱动电路 连接，得到第二开关管驱动信号(ugs2)；
器的输出端经第一反相器后与 第四驱动电路连接，得到第四开关管驱动信号(ugs4)。
驱动电路 并将该信号反相后送至第一驱动电路。
呈互补状态高频动作，第一开关管和第二开关管的开关周期为当前第三加法器的输出值，
第 一开关管在一个开关周期内高电平的占空比为当前第一除法器的输出值，第三开关管
驱动信 号(ugs3)为高电平、第四开关管驱动信号(ugs4)为低电平。
并 提高了该图腾柱PFC整流器的功率变换效率；
附图说明
Transactions on Industrial Electronics.2017，64(11)”提出的软开关控制策略；
具体实施方式
同名端耦合电感L1、 一个输入滤波电容Cf和一个负载电阻R。控制电路包括零电压开通检测
电路1和软开关控制电路4。所述 零电压开通检测电路1包括一个电容器，四个二极管，两个
电阻器、一个耦合电感和一个比较器；所述软 开关控制电路4包括两个电压传感器，一个电
流传感器，一个比较器，三个加法器，四个减法器，四个乘 法器，两个除法器，一个电流调节
器，一个电压调节器，三个比例器，两个反相器，一个选通器、一个锁 相器和四个驱动电路，
具体如下：
的阳极连接第二二极管的阳极， 耦合电感副边异名端同第二电容器串联后连接第一二极
管与第二二极管的公共端，耦合电感副边另一端连 接第三二极管与第四二极管的公共端；
第二电阻器和第三电阻器串联后，一端连接第一二极管与第三二极 管的公共端，另一端连
接第二二极管的与第四二极管的公共端；第一比较器的正输入端连接第二电阻器与 第三
电阻器的公共端，第一比较器负输入端接地；第一比较器的输出端与第二比例器和第二反
相器的输入 端连接。
考电压有效值连接，第一减法器 的输出端与电压调节器的输入端连接；经电压调节器运算
后得到电压调整量并与第二乘法器的一个输入端 连接，第二乘法器的另一输入端为开关
周期的最小值(Tmin)，第二乘法器的输出端与第一比例器的输入端 连接，第一比例器的输
出端与第一加法器的一个输入端连接；第一电压传感器采样PFC电流输入端的交流 电压，
并分别与锁相器、第二比较器的正输入端、第三减法器的负输入端和第四乘法器的一个输
入端连接； 锁相器的输出端与第一乘法器的一个输入端相连，第一乘法器的另一个输入端
与电压调节器的输出端相 连，第一乘法器的输出端与第二减法器的正输入端相连，电流传
感器采样电感电流并与第二减法器的负输 入端连接，第二减法器的输出端与电流调节器
的输入端连接；经电流调节器运算后得到电流调整量并与第 三乘法器的一个输入端连接，
第三乘法器的另一个输入端为开关周期的最大值(Tmax)，第三乘法器的输出 端与第一加法
器的另一输入端连接；第一加法器的输出端与第四乘法器的另一个输入端连接；第三减法
器 的输出端与第二除法器的除数输入端连接，第四乘法器的输出端与第二除法器的被除
数输入端连接，第二 除法器的输出端与第二加法器的一个输入端连接，第一比较器的输出
端经第二比例器后与第二加法器的另 一输入端连接，第二加法器的输出端与第四减法器
的正输入端连接，同时，第一比较器的输出端经第二反 相器和第三比例器后与第四减法器
的负输入端连接，第四减法器的输出端与第三加法器的一个输入端连 接，第三加法器的另
一个输入端与第一加法器的输出端连接，第三加法器的输出端与第一除法器的除数输 入
端连接，第一除法器的被除数输入端与第一加法器的输出端连接，第一除法器的输出端与
选通器的输入 端连接；选通器的一个输出端与第一驱动电路连接，得到第一开关管驱动信
号(ugs1)，选通器的另一个输 出端与第二驱动电路连接，得到第四开关管驱动信号(ugs2)。
器的输出端经第一反相器后与 第四驱动电路连接，得到第四开关管驱动信号(ugs4)。
输出送至 第二驱动电路并将该信号反相后送至第一驱动电路。
呈互补状态高频动作，第一开关管和第二开关管的开关周期为当前第三加法器的输出值，
第 二开关管在一个开关周期内高电平的占空比为当前第一除法器的输出值，第三开关管
驱动信 号(ugs3)为低电平、第四开关管驱动信号(ugs4)为高电平。
呈互补状态高频动作，第一开关管和第二开关管的开关周期为当前第三加法器的输出值，
第 一开关管在一个开关周期内高电平的占空比为当前第一除法器的输出值，第三开关管
驱动信 号(ugs3)为高电平、第四开关管驱动信号(ugs4)为低电平。
算出电压 调整量和电流调整量。将电流调整量乘以预设开关周期的最大值，再将电压调整
量乘以预设 开关周期的最小值，最后将二者相加得到下一开关周期的开关管导通时间。根
据计算出的导 通时间和第一电压传感器采样的直流侧电压，由电感伏秒平衡原理计算得
到下一开关周期的 开关管关断时间。第一比较器的正输入端为开关管ZVS检测信号，具体
如下：
若上一 周其开关管未实现ZVS开通，则耦合电感副边电压存在瞬时突变，电压下降斜率存
在突变的 较大值，此时第一比较器的正输入端为一高电平信号，因此第一比较器输出端为
逻辑1。计 算出关断时间后检测第一比较器的输出端，若为1，则表明上一开关周期开关管
未实现ZVS 开通，则下一开关周期内需要将开关管的关断时间按固定步长进行延长，此步
长即为第三比 例器的比例系数；反之，若第一比较器的输出端为0，则表明上一开关周期开
关管已实现ZVS 开通，则下一开关周期内为避免引入过多损耗需要将开关管的关断时间按
固定步长进行缩减， 此步长即为第二比例器的比例系数。
确的驱动电 路。
管S2导通时，电感电流经第二开关管S2和第四开关管S4线性上升(见图6中的(a))，第二开关
管S2的导通时间为上一开关周期结束时软开关控制回路计算出的导通时间；第二开关管S2
关断后，电感电流经第一开关管S1和第四开关管S4线性下降(见图6中的(b))，当电感电 流
下降至0时，输入滤波电感与第一开关管S1和第二开关管S2的结电容发生谐振，导致电感 中
产生反向电流，使得第一开关管S1的体二极管截止的同时第二开关管S2的结电容开始放
电，第一开关管S1的漏源电压开始上升且第二开关管S2的漏源电压开始下降(见图6中的
(c))；因第二开关管S2的关断时间受伏秒平衡原理和ZVS检测电路共同控制，故当第二开 关
管S2再次开通时，第二开关管S2的漏源电压已降低至0，此时第二开关管S2为零电压开 通
(见图6中的(d))。
周 期结束时软开关控制回路计算出的导通时间；第一开关管S1关断后，电感电流经第二开
关管 S2和第三开关管S3线性下降(见图6中的(f))，当电感电流下降至0时，电感与第一开关
管S1和第二开关管S2的结电容发生谐振，导致电感中产生反向电流，使得第二开关管S2的
体二极管截止的同时第一开关管S1的结电容开始放电，第二开关管S2的漏源电压开始上升
且 第一开关管S1的漏源电压开始下降(见图6中的(g))；因第一开关管S1的关断时间受伏秒
平衡原理和ZVS检测电路共同控制，故当第一开关管S1再次开通时，第一开关管S1的漏源 电
压已降低至0，此时第一开关管S1为零电压开通(见图6中的(h))。
出的图 腾柱PFC整流器软开关控制方案的正确性。同时，搭建了实验平台，得到了在本发明
所提软 开关控制策略下正半周时的实验波形，如图8所示，第一开关管S1的漏源uds1在电感
电流过 零后开始下降，因此S1实现了零电压开通，验证了本发明提出的图腾柱PFC整流器
软开关控 制方案的正确性。
内。