雙開(kāi)關(guān)T型并聯(lián)諧振逆變器拓撲結構研究

摘要：為實(shí)現感應加熱電源高頻化、高效率化及高功率輸出能力，提出了以MOSFET作為開(kāi)關(guān)的T型并聯(lián)諧振逆變器電路拓撲結構。它能夠輸出理想的正弦電壓波形，開(kāi)關(guān)元件工作在零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)狀態(tài)，降低了開(kāi)關(guān)損耗，提高了工作頻率和效率。逆變器的ZVS工作狀態(tài)不受負載影響，且工作狀態(tài)穩定，易控制。詳述了電路構成及工作原理，研究并分析了電流、電壓的關(guān)系，最后給出了實(shí)驗結果。
關(guān)鍵詞：逆變器；并聯(lián)諧振；感應加熱

1 引言
由于感應加熱的諸多優(yōu)點(diǎn)，目前感應加熱電源在高頻焊管、金屬表面熱處理等高頻條件下的應用日益廣泛。為此，要求全固態(tài)感應加熱電源具有高頻化、高效率化和高功率輸出能力的特點(diǎn)。
隨著(zhù)全控型電力電子器件技術(shù)水平的不斷提高，目前適合于高頻工作的功率MOSFET的電流指標已達幾十安培以上，正向阻斷電壓也已達數百伏以上，工作頻率可達數百千赫茲以上。同時(shí)由于功率MOSFET的通態(tài)電阻具有正溫度系數，可起到自動(dòng)平衡并聯(lián)MOSFET間漏極電流的作用，因此采取MOSFET并聯(lián)方式能解決感應加熱電源高頻化和高功率輸出能力的問(wèn)題。此外感應加熱電源逆變器的電路拓撲結構優(yōu)化和控制電路技術(shù)水平對提高感應加熱電源的高頻化、高效率化和高功率輸出能力也起著(zhù)關(guān)鍵作用。
此處提出一種適合于感應加熱電源的以功率MOSFET作為開(kāi)關(guān)元件的T型并聯(lián)諧振逆變器電路拓撲結構，它能輸出理想的正弦電壓，開(kāi)關(guān)元件工作在ZVS狀態(tài)，降低了開(kāi)關(guān)損耗，提高了工作頻率和效率。與傳統H橋逆變器相比，在相同輸入直流電壓下輸出交流電壓為其2倍；在相同負載條件下輸出功率為其4倍；所用開(kāi)關(guān)元件數量為其1／2。與單管E類(lèi)串聯(lián)諧振逆變器相比，其逆變器的ZVS工作狀態(tài)不受負載影響，工作狀態(tài)穩定、易控制，且適合用在不同負載情況下高頻感應加熱的工業(yè)生產(chǎn)中。

2 拓撲結構及工作原理
2．1 逆變器的電路構成
圖1示出雙開(kāi)關(guān)T型并聯(lián)諧振逆變器基本電路。Ud為直流輸入電壓，調節Ud就能改變逆變器輸出電壓和功率的大??；L為平波電抗，為并聯(lián)諧振回路提供恒流，同時(shí)又起到升壓的作用；開(kāi)關(guān)元件VS1，VS2各開(kāi)通、關(guān)斷半個(gè)周期，輪流工作，與諧振電壓uo同步，且在uo正弦波的過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻進(jìn)行開(kāi)關(guān)；Co，Lo為諧振電容、電感。

為區別于E類(lèi)逆變器以及用于DC／DC變換器的Boost電路，同時(shí)由于在圖1中L，VS2，VS1分布呈T型，故稱(chēng)圖1所示電路為雙開(kāi)關(guān)T型并聯(lián)諧振逆變器拓撲結構。
2．2 電路工作原理
對圖1電路作如下假設：①L足夠大，使流過(guò)的電流在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內基本不變；②電路中的元器件均為理想器件；③VS1，VS2開(kāi)關(guān)時(shí)刻有一定的重疊時(shí)間；④Co，Lo已處于諧振狀態(tài)，電路已進(jìn)入穩態(tài)。VS1，VS2的開(kāi)關(guān)頻率為Co，Lo的諧振頻率，則當uo=0時(shí)，VS1，VS2實(shí)現ZVS狀態(tài)。
假設電路已進(jìn)入穩定工作狀態(tài)，在t=0的前半個(gè)周期內VS1導通，VS2斷開(kāi)，到t=0時(shí)刻，L的電流iL達到最大值，電壓uL=Ud，其極性為左正右負。t=0時(shí)刻，Co兩端電壓由下正、上負諧振為零，Lo的儲能達到最大值，諧振電流io達到最大值且保持連續，方向向下。
工作模式1：t=0時(shí)刻，VS1斷開(kāi)，VS2閉合，實(shí)現ZVS。在VS2閉合后的半個(gè)周期內，L開(kāi)始釋放能量，iL保持連續由最大值按余弦規律逐漸下降且對諧振回路補充能量，因此在VS2閉合期間L的電壓極性是左負右正，L起升壓的作用，A，C間的電壓平均值等于2Ud。
當t在0～t1內，L和Lo同時(shí)向Co充電，uo逐漸上升，直到t=t1時(shí)刻達到最大值，io下降到零；當t在t1-t2內，Co放電，L和Co同時(shí)向Lo補充能量，直到t=t2時(shí)刻，uo回到零，Lo上的電流達到反方向最大值。