[发明专利]一种开关电源中软开关电路的控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及开关电源，尤其涉及一种开关电源中软开关电路的控制方法。

背景技术

目前开关电源发展趋势为：高频小型化，高功率密度，高效率，低成本。而传统的开关电源由于半导体器件处于硬开关工作状态，其损耗非常大，无法提高自身效率，从而使体积庞大，逐渐失去市场竞争力。由于受到半导体器件行业发展以及价格等方面因素的限制，软开关电路拓扑成为绝大多数开关电源厂商提高产品竞争力的选择，关于软开关电路方面的研究以及专利非常多，其中一种“电感+开关”串连形式的软开关电路ARCP(auxiliary resonant commutated pole辅助谐振换流极)因硬件电路简单，控制易实现，效果好，得到很多开关电源行业人员青睐。如中国实用新型专利ZL200620131113.6公开了一种ARCP软开关电路，即属此类软开关电路的改进。

上述“电感+开关”串连形式的软开关电路的工作原理示意图如图1，其工作原理如下：

正负直流输入电压源±1/2Ud与主功率开关管SW1、SW2组成主功率半桥逆变电路，通过SW1、SW2不断开通与关断，在B点得到±1/2Ud的高频脉冲电压，通过主功率滤波电路，在滤波电容C3两端得到设计需要的工频输出电压Uo，同时在滤波电感L1上形成了主功率滤波电流I1。这时，主功率开关器件SW1、SW2属于传统硬开关电路，其损耗非常大。

为降低主功率开关器件SW1、SW2的损耗，ARCP软开关电路增加了两个单向辅助开关器件SW3、SW4和谐振电感L2，同时在主功率开关器件SW1、SW2两端分别并联相对其自身寄生电容较大的谐振电容C1、C2。通过控制单向辅助开关器件SW3、SW4的开通与关断，在谐振电感L2上形成谐振电流I2，其电流在方向上与主功率滤波电流I1保持一致，通过谐振电感L2与谐振电容C3发生的谐振，实现主功率开关器件SW1、SW2零电压开通。同时，由于在主功率开关器件SW1、SW2两端分别并联容值相对自身寄生电容大得很多的谐振电容C1、C2，从而实现主功率开关器件的零电压关断。这样，ARCP软开关电路能够实现主功率开关器件SW1、SW2的零电压开通和零电压关断，从而大大降低了主功率开关器件的损耗。同时对于新增加的单向辅助开关器件SW3、SW4，由于与其串连的谐振电感L2的存在，电流不会发生突变，从而实现零电流开通，通过合理有效的控制SW3、SW4的开通和关断时间，可以实现辅助开关器件SW3、SW4的零电流关断，这样对于新增加的辅助开关器件SW3、SW4而言，其工作状态属于零电流开通和零电流关断，其开关损耗非常小。此ARCP软开关电路正、负半周的开关逻辑示意图分别如图2A、2B所示。

通过上述分析我们可以看到，ARCP软开关电路不但实现主功率开关器件SW1、SW2的零电压开关，降低其损耗，而且还实现了单向辅助器件SW3、SW4的零电流开关，其开关损耗非常小，基本可以忽略其开关损耗。从而电路整体工作效率有非常明显的提高，整机损耗大大降低，其体积也可以明显缩小，从而提高产品整机竞争力。

此ARCP软开关电路在降低开关器件损耗，提高效率方面效果的确很好，但此电路存在一个很大缺陷，即正负直流输入电压源输出功率不平衡，导致正负直流输入电压不平衡。而一旦出现不平衡，会引发一系列问题，如：

1)电压较高会导致器件无法正常工作或损坏；

2)输出电压正负半周不对称，输出电压精度以及失真度等指标达不到要求；

3)负载无法正常工作。

综上所述，由于ARCP软开关电路在正负直流输入电压源±1/2Ud中点N和半桥电路输出点B之间引入一个谐振电流，此电流的引入会导致正负直流输入电压源±1/2Ud的输出功率不一致，从而导致两者电压出现偏差，进一步引发一系列问题。这是ARCP软开关电路拓扑必然和致命缺陷，大大限制了其使用范围和可靠性。

为解决此问题通常做法是增加一个外部平衡电路来平衡输入电压，如图3所示，在平衡电路和正负直流输入电压源中点N之间引入一个平衡电流Ib，通过此平衡电流来抵消因谐振电流I2产生的问题，可以通过控制实现Ib＝I2，即谐振电流I2与平衡电流Ib大小时刻相等，方向时刻相同，有(I+)+(I2)＝(I-)+(Ib)，因为Ib＝I2，从而有(I+)＝(I-)，这表示正负直流输入电压源输出功率完全一样，从而解决正负直流输入电压不平衡的问题。