基于CPLD的脈沖密度功率調節高頻逆變電源
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目前，高頻感應加熱電源的輸出功率調整主要是通過(guò)改變逆變器的輸出頻率或改變逆變器的輸入直流電壓方式來(lái)實(shí)現的。改變逆變器的輸出頻率實(shí)現輸出功率的調節是目前普遍采用的一種功率調節方式，其缺點(diǎn)是逆變器的負載為感性，特別是在輕載時(shí)，逆變器的輸出功率因數很低，開(kāi)關(guān)損耗大。通過(guò)控制逆變器實(shí)現功率控制就能改變這一缺點(diǎn)。脈沖密度調制(Pulse Density Modulated，PDM)DC／AC逆變器是利用串聯(lián)諧振負載的儲能，對逆變器的開(kāi)關(guān)采用脈沖群控制的方式，在一個(gè)周期內通過(guò)控制連續開(kāi)通脈沖信號和連續關(guān)斷脈沖信號的比例(占空比)來(lái)控制輸出功率。傳統的PDM實(shí)現方式是用許多計數器以及一些PWM專(zhuān)用芯片來(lái)實(shí)現的，這種方法穩定成熟，但控制電路復雜。在此提出了一種用CPLD來(lái)實(shí)現脈沖均勻調制的方法。這種方法簡(jiǎn)單易行，開(kāi)發(fā)周期短，電路簡(jiǎn)單，體積小，頻率跟蹤范圍寬，開(kāi)關(guān)管可工作在零電流關(guān)斷(ZCS)和零電壓開(kāi)通(ZVS)狀態(tài)。
1 電路結構
圖1為脈沖均勻控制串聯(lián)諧振逆變電源的主電路圖，它包括三相不可控整流電路、濾波電路、逆變電路和串聯(lián)諧振電路。
圖1中：C1，L1為濾波電容和濾波電感；L0為負載；D1，D2，D3，D4分別為反并聯(lián)快速二極管；T1，T2分別為電流互感器；R2，R3分別為分壓電阻；VT1，VT2，VT3，VT4分別為開(kāi)關(guān)管IGBT；C2為隔直電容，T0為負載匹配變壓器。
圖2為整個(gè)控制系統框圖，以CPLD作為主控芯片，包括頻率跟蹤電路，驅動(dòng)電路，檢測電路，以及顯示部分。
三相電源經(jīng)過(guò)整流電路輸出直流電壓，該直流電壓經(jīng)過(guò)濾波后輸入到逆變器，逆變器實(shí)現DC／AC變換，生成的交流電經(jīng)變壓器輸出給負載。逆變器的開(kāi)關(guān)管由CPLD組成的控制電路進(jìn)行控制。主要的控制過(guò)程如下：VT1，VT4同時(shí)導通，電流正向通過(guò)負載；VT2，VT3同時(shí)導通，電流反向通過(guò)負載，實(shí)現直流變交流。為了使逆變成功，必須保證上下橋臂的開(kāi)關(guān)管不能同時(shí)導通，否則逆變失敗，所以在設計開(kāi)關(guān)控制信號時(shí)必須加入死區。
2 脈沖密度控制功率原理
密度調節功率控制的基本思路是假設總共有N個(gè)調功單位，在其中M個(gè)調功單位里逆變器向負載輸出功率，而剩下的(N-M)個(gè)單位內逆變器停止工作，負載能量以自然振蕩形式逐漸衰減，輸出的脈沖密度為(M／N)％。輸出功率的調節是通過(guò)控制圖3中的IG-BT使VT1，VT4與VT2，VT3交替工作實(shí)現的。其原理如下：
把開(kāi)關(guān)管VT1和VT3的控制信號看作是n個(gè)1／2i(i=1，2，…，n)分頻器相加而成，即一個(gè)控制周期內有2n個(gè)控制脈沖。當開(kāi)關(guān)管完全工作時(shí)，即功率最大時(shí)為2n／2n，去掉1個(gè)脈沖，剩下2n-1個(gè)脈沖時(shí)，功率值為(2n-1)／2n；去掉m(m2n)個(gè)脈沖剩下(2n-m)脈沖時(shí)，功率值為(2n-m)／2n；在沒(méi)有脈沖，即m=2n時(shí)開(kāi)關(guān)管完全關(guān)斷，即功率最小時(shí)為0?？刂七@n個(gè)分頻器的組合就可以控制逆變器的輸出功率。
該設計采用4個(gè)分頻器，即n=4。包括2分頻器、4分頻器、8分頻器、16分頻器，通過(guò)他們的不同組合得到16個(gè)不同的功率值，如表1所示。其中，0表示關(guān)，1表示開(kāi)。全關(guān)時(shí)功率值為0，全開(kāi)時(shí)為1。其余組合對應的功率值如表1所示。
圖4給出功率值為1／16，2／16，4／16，8／16時(shí)的控制信號圖，同時(shí)也是16分頻、8分頻、4分頻、2分頻原理圖，不同功率值時(shí)VT2，VT4的控制信號相同。電路工作狀態(tài)簡(jiǎn)要說(shuō)明，如圖4所示。
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