一種新型感應加熱電源雙機并聯(lián)拓撲的研究

現代感應加熱電源正朝著(zhù)大功率,高頻化方向發(fā)展。這對現代電力電子器件來(lái)說(shuō)是一個(gè)相當大的挑戰。傳統的方法是采用器件串并聯(lián)的方式,但這存在器件之間均流均壓閑難的問(wèn)題,特別是當器件串并聯(lián)很多時(shí),則需要保證精確的同步信號,以避免器件之間的環(huán)流損壞電力電子器件。但在很多情況下這很難精確保證。特別是當串并聯(lián)器件較多功率等級很大,信號線(xiàn)上延時(shí)將對器件之間的環(huán)流產(chǎn)生惡劣的影響,所以采用器件申并聯(lián)的方式時(shí),器件數量、最大功率都將受到限制?；诖?一種新型的LLC拓撲被提出,它的優(yōu)良特性可有效地減少逆變橋并聯(lián)之間的環(huán)流,通過(guò)參數設計可以均衡各橋的功率分配,降低器件的損耗,從而有效地解決了逆變橋并聯(lián)中出現的一些問(wèn)題,有利于感應加熱電源多橋并聯(lián),提高輸出功率和可靠性。

l 單機LLC分析
電壓型LLC負載拓撲如圖1所示。由圖1可知,不同之處是在以往LC并聯(lián)負載基礎上再串聯(lián)一個(gè)電感L1,L2和R為感應圈的等效電路,通常L1比L2大很多,L1參與諧振并起到隔離負載和電源,調節功率分配的作用?？梢?jiàn)它與傳統感應加熱電源中的負載匹配變壓器作用很相似,因而可以消除造價(jià)昂貴,效率不高的高頻變壓器,使得整個(gè)裝置的體積縮小、重量減輕。LLC諧振電路阻抗表達式為

由基本的電路分析可得它有兩個(gè)諧振頻率, 一個(gè)是并聯(lián)諧振頻率f0和一個(gè)串聯(lián)諧振頻率f1

式中：Leq=L1//L2。
定義k=L1/L2,一般來(lái)說(shuō)k值較大以滿(mǎn)足負載匹配的要求,因此f0與f1很接近。為了獲得較大功率以及控制系統設計方便,系統的理想工作點(diǎn)在f1。Q=L2ωo/R≈L2ω1/R為了負載的品質(zhì)因數{Q》]),將k》1,Q代入式(1),則在諧振點(diǎn)有

由式(3)可知在ω1、點(diǎn)電源工仵在感性狀態(tài)以保證開(kāi)關(guān)管可靠換流,且電容上電壓滯后逆變器輸出電壓90°?？梢宰C明在ω1點(diǎn)為輸出功率最大值。

由式(4)可看出電感L1起到阻抗變換,功率調節作用。系統功率曲線(xiàn)以及阻抗特性曲線(xiàn)如圖2所示。

從圖2中可以看出φ(ω)在整個(gè)頻域內是非單調函數,這種特性不利于用鎖相環(huán)控制．相反θ(ω)=arg(vc/v1)卻呈單調變化特性,且在ω1點(diǎn)有θ(ω1)≈—90°,所以．θ(ω)可作為控制變量引入到PLL中,從而鎖定在A(yíng)振點(diǎn)。電容上電壓最大值出現在諧振點(diǎn)ω1。 vc ≈v1Q/k (5)

2 感應加熱并聯(lián)模塊環(huán)流分析
LLC諧振負載最大的優(yōu)點(diǎn)是有利于感應加熱中的多機并聯(lián),它小需要在逆變器之間附加任何元件,即使各橋的信弓延時(shí)角度很大也能保證系統止常工作,抑制各橋之間的環(huán)流,調節各逆變器的輸出功率,多機并聯(lián)圖如圖3所示。

假設各逆變器INV1至INVn工作在理想狀態(tài),即INV1至INVn對應相同的驅動(dòng)信號,有相同的直流電壓vdc,則多機并聯(lián)可以等效為單機的情況,轉換等式如式(6)。

實(shí)際控制中各個(gè)模塊的驅動(dòng)信號統一由控制板產(chǎn)生,但在傳輸信號的過(guò)程中,由于傳輸路線(xiàn)上的邏輯器件延遲,驅動(dòng)變壓器的延遲以及工藝方面的原因可能造成模塊之間驅動(dòng)信號的差異。這種延遲造成逆變器輸出電壓存在相位差,因此,研究它所產(chǎn)生的環(huán)流有實(shí)際意義,首先做出雙機并聯(lián)的等效電路如圖4所示。

根據式(6)選取L11=L12=2L1,由于感應加熱負載的高Q值,假定感應圈中的電量均用正弦量,則有

式中：zp為電容與感應圈并聯(lián)等效阻抗。