詳解串聯(lián)諧振單相全橋逆變器常用的控制方法

討論了幾種常用的串聯(lián)諧振單相全橋逆變器的功率和頻率控制方法，比較了各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，同時(shí)對脈寬加頻率調制的方法進(jìn)行了較深入的討論。

引言

隨著(zhù)可自關(guān)斷電力電子器件的發(fā)展，串聯(lián)諧振逆變電路獲得越來(lái)越多的應用，各種適合于串聯(lián)諧振逆變電路的控制方法不斷出現。本文對常用的調幅控制、脈沖頻率調制、脈沖密度調制以及諧振脈沖寬度調制等控制方法進(jìn)行了討論和比較。特別對脈寬加頻率調制的控制方法進(jìn)行了較詳細的分析。

串聯(lián)諧振逆變器基本結構

串聯(lián)諧振逆變器的基本原理圖包括直流電壓源，和由開(kāi)關(guān)S1～S4組成的逆變橋及由R、L、C組成的串聯(lián)諧振負載。其中開(kāi)關(guān)S1～S4可選用IGBT、SIT、MOSFET、SITH等具有自關(guān)斷能力的電力半導體器件。逆變器為單相全橋電路，其控制方法是同一橋臂的兩個(gè)開(kāi)關(guān)管的驅動(dòng)信號是互補的，斜對角的兩個(gè)開(kāi)關(guān)是同時(shí)開(kāi)通與關(guān)斷的。

串聯(lián)諧振逆變器的控制方法

1、調幅控制（PAM）方法

調幅控制方法是通過(guò)調節直流電壓源輸出（逆變器輸入）電壓Ud（可以用移相調壓電路，也可以用斬波調壓電路加電感和電容組成的濾波電路，來(lái)實(shí)現調節輸出功率的目的。即逆變器的輸出功率通過(guò)輸入電壓調節，由鎖相環(huán)（PLL）完成電流和電壓之間的相位控制，以保證較大的功率因數輸出。

這種方法的優(yōu)點(diǎn)是控制簡(jiǎn)單易行，缺點(diǎn)是電路結構復雜，體積較大。

2、脈沖頻率調制（PFM）方法

脈沖頻率調制方法是通過(guò)改變逆變器的工作頻率，從而改變負載輸出阻抗以達到調節輸出功率的目的。

圖2PDM控制原理圖

圖3諧振脈沖寬度調制

圖3、圖4及圖5中為避免橋臂直通，S1、S4及S2、S3管應遵循先關(guān)斷后開(kāi)通的原則，S1、S4及S2、S3門(mén)極觸發(fā)脈沖應有死區時(shí)間。因本文重點(diǎn)討論控制方法，故圖中沒(méi)有畫(huà)出。

從串聯(lián)諧振負載的阻抗特性可知，串聯(lián)諧振負載的阻抗隨著(zhù)逆變器的工作頻率（f）的變化而變化。對于一個(gè)恒定的輸出電壓，當工作頻率與負載諧振頻率偏差越大時(shí)，輸出阻抗就越高，因此輸出功率就越小，反之亦然。脈沖頻率調制方法的主要缺點(diǎn)是工作頻率在功率調節過(guò)程中不斷變化，導致集膚深度也隨之而改變，在某些應用場(chǎng)合如表面淬火等，集膚深度的變化對熱處理效果會(huì )產(chǎn)生較大的影響，這在要求嚴格的應用場(chǎng)合中是不允許的。但是由于脈沖頻率調制方法實(shí)現起來(lái)非常簡(jiǎn)單，故在以下情況中可以考慮使用它：

1）如果負載對工作頻率范圍沒(méi)有嚴格限制，這時(shí)頻率必須跟蹤，但相位差可以存在而不處于諧振工作狀態(tài)。

2）如果負載的Q值較高，或者功率調節范圍不是很大，則較小的頻率偏差就可以達到調功的要求。

3、脈沖密度調制（PDM）方法

脈沖密度調制方法就是通過(guò)控制脈沖密度，實(shí)際上就是控制向負載饋送能量的時(shí)間來(lái)控制輸出功率。其控制原理如圖2所示。

這種控制方法的基本思路是：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，這樣輸出功率就跟脈沖密度聯(lián)系起來(lái)了。因此通過(guò)改變脈沖密度就可改變輸出功率。

脈沖密度調制方法的主要優(yōu)點(diǎn)是：輸出頻率基本不變，開(kāi)關(guān)損耗相對較小，易于實(shí)現數字化控制，比較適合于開(kāi)環(huán)工作場(chǎng)合。

脈沖密度調制方法的主要缺點(diǎn)是：逆變器輸出功率的頻率不完全等于負載的自然諧振頻率，在需要功率閉環(huán)的場(chǎng)合中，工作穩定性較差。由于每次從自然衰減振蕩狀態(tài)恢復到輸出功率狀態(tài)時(shí)要重新鎖定工作頻率，這時(shí)系統可能會(huì )失控。因此在功率閉環(huán)或者溫度閉環(huán)的場(chǎng)合，工作的穩定性不好。其另一個(gè)缺點(diǎn)就是功率調節特性不理想，呈有級調功方式。

4、諧振脈沖寬度調制（PWM）方法

在圖3中，諧振脈沖寬度調制是通過(guò)改變兩對開(kāi)關(guān)管的驅動(dòng)信號之間的相位差來(lái)改變輸出電壓值以達到調節功率的目的。即在控制電路中使原來(lái)同相的兩個(gè)橋臂開(kāi)關(guān)（S1，S2）、（S3，S4）的驅動(dòng)信號之間錯開(kāi)一個(gè)相位角，使得輸出的正負交替電壓之間插入一個(gè)零電壓值，這樣只要改變相位角就可以改變輸出電壓的有效值，最終達到調節輸出功率的目的。

這種控制方法的優(yōu)點(diǎn)是電源始終工作在諧振狀態(tài)，功率因數高。但存在反并聯(lián)二極管的反向恢復問(wèn)題、小負載問(wèn)題、軟開(kāi)關(guān)實(shí)現問(wèn)題。