利用分時(shí)一相位控制串聯(lián)諧振逆變器的研究與應用

引言

感應加熱電源利用電磁感應原理，通過(guò)感應線(xiàn)圈在被加熱的工件中產(chǎn)生渦流，對工件進(jìn)行加熱。感應加熱具有加熱速度快，加熱效率高，溫度易于控制，容易實(shí)現自動(dòng)化等諸多優(yōu)點(diǎn)，因而在現代工業(yè)生產(chǎn)中得到越來(lái)越廣泛的應用，感應加熱技術(shù)也日趨成熟。針對IGBT開(kāi)關(guān)損耗小，通斷速度快，工作頻率較高，元件容量大且其成本逐漸降低等優(yōu)點(diǎn)，選用IGBT作為功率開(kāi)關(guān)管。但是IGBT的開(kāi)關(guān)損耗，尤其是拖尾電流在高頻開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)下引起的關(guān)斷損耗很大，限制工作頻率的提高。目前IGBT的開(kāi)關(guān)頻率在零電流開(kāi)關(guān)(ZCS)狀態(tài)下可工作于100 kHz頻率。采用倍頻方式逆變器輸出頻率可提高2倍，但需要額外的諧振電路，并且頻率的提高有限，器件的換流條件也較差，采用IGBT并聯(lián)分時(shí)的控制方法可以提高逆變器的開(kāi)關(guān)頻率。

感應加熱電源的調功方法可分為兩類(lèi)：逆變調功和直流調功。逆變調功的方法目前主要有：脈沖頻率調制法(PFM)、脈沖密度調制法(PDM)、脈沖寬度調制法(PWM)、脈沖均勻調制(PSM)等。直流調功通常采用直流斬波或相控整流來(lái)改變逆變器的輸入直流電壓的大小，從而將逆變器的功率調節轉化為對直流電壓的調節。每種調功方式都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。相對這些調功方式，相位調功具有控制電路和驅動(dòng)脈沖簡(jiǎn)單，穩定工作范圍寬，響應速度快和適應性強等優(yōu)點(diǎn)。

這里從設備成本、體積及轉換效率的角度出發(fā)，設計了4個(gè)IGBT并聯(lián)的負載串聯(lián)諧振逆變器，采用IG-BT分時(shí)-相位復合控制的新型策略，同時(shí)實(shí)現逆變器四倍頻輸出和輸出功率調節，并進(jìn)行了系統的理論分析和電路仿真。通過(guò)仿真，驗證了該方案的可行性。

電路結構

圖1給出了四倍頻逆變器的主電路結構圖。該電源采用AC/DC/AC結構，輸入經(jīng)三相不控整流得到脈動(dòng)的直流電壓，再經(jīng)過(guò)濾波環(huán)節C0得到平滑的直流電壓，送入采用負載串聯(lián)諧振式單相全橋逆變器，在感應線(xiàn)圈上產(chǎn)生高頻電壓和電流。逆變電路的每個(gè)橋臂都由4個(gè)IGBT開(kāi)關(guān)器件并聯(lián)而成，CD為隔直電容；T為高頻變壓器用于負載匹配；R，L為感應線(xiàn)圈等效電感和電阻；補償電容C組成變壓器二次側諧振槽路。

控制策略的分析

傳統的逆變器工作方式是每個(gè)橋臂并聯(lián)的IGBT在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期同時(shí)工作。在散熱條件一定的情況下，為了提高輸出頻率，IGBT必須增加電流定額，而且并聯(lián)器件的均流也是一個(gè)問(wèn)題，輸出頻率的提高也很有限。將逆變器每個(gè)橋臂的IGBT進(jìn)行分時(shí)控制，可避免這些缺點(diǎn)，實(shí)現輸出頻率的提高，它的工作原理見(jiàn)圖2。

從圖2可以看出，由Q1a～Q4a構成第一組逆變橋，由Q1b～Q4b構成第二組逆變橋，由Q1c～Q4c構成第三組逆變橋，由Q1d～Q4d構成第四組逆變橋，四組逆變橋輪流導通一個(gè)諧振周期。這樣，如果IGBT允許的開(kāi)關(guān)頻率為f0，則電源的輸出頻率為4f0。同時(shí)，采用相位調功方式，通過(guò)調節開(kāi)關(guān)管的導通寬度來(lái)調節輸出電流與電壓的滯后角度ψ來(lái)調節輸出功率。通過(guò)檢測負載電流過(guò)零點(diǎn)，調節開(kāi)關(guān)管的導通時(shí)間，使它的超前電流一個(gè)角度ψ，ψ從 O～90°可調，根據P=UIcosψ可知，改變ψ可實(shí)現調功的目的。逆變器的具體工作過(guò)程分析如圖3所示。

設C1～C4是IGBT的CE極間結電容。初始狀態(tài)D1a,D4a導通，負載諧振電流i為負，并向C0反充電。其等效電路如圖3(a)所示。

(1)t0-t1：t0時(shí)刻，電流i反向，●1a，Q4a在零電流零電壓(ZVZCS)下導通，負載諧振電流i為正，其等效電路如圖3(b)所示。負載諧振電流i從a流向b，諧振負載由電源UD提供能量。

列出負載回路的電壓微分方程為：