基于分時一相位控制串聯諧振逆變器的研究

0 引 言
??? 感應加熱電源利用電磁感應原理，通過感應線圈在被加熱的工件中產生渦流，對工件進行加熱。感應加熱具有加熱速度快，加熱效率高，溫度易于控制，容易實現自動化等諸多優點，因而在現代工業生產中得到越來越廣泛的應用，感應加熱技術也日趨成熟。針對IGBT開關損耗小，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點，選用IGBT作為功率開關管。但是IGBT的開關損耗，尤其是拖尾電流在高頻開關工作狀態下引起的關斷損耗很大，限制工作頻率的提高。目前IGBT的開關頻率在零電流開關(ZCS)狀態下可工作于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并聯分時的控制方法可以提高逆變器的開關頻率。
??? 感應加熱電源的調功方法可分為兩類：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缺點。相對這些調功方式，相位調功具有控制電路和驅動脈沖簡單，穩定工作范圍寬，響應速度快和適應性強等優點。
??? 這里從設備成本、體積及轉換效率的角度出發，設計了4個IGBT并聯的負載串聯諧振逆變器，采用IG-BT分時-相位復合控制的新型策略，同時實現逆變器四倍頻輸出和輸出功率調節，并進行了系統的理論分析和電路仿真。通過仿真，驗證了該方案的可行性。

1 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，輸入經三相不控整流得到脈動的直流電壓，再經過濾波環節C0得到平滑的直流電壓，送入采用負載串聯諧振式單相全橋逆變器，在感應線圈上產生高頻電壓和電流。逆變電路的每個橋臂都由4個IGBT開關器件并聯而成，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。

2 控制策略的分析
??? 傳統的逆變器工作方式是每個橋臂并聯的IGBT在每個開關周期同時工作。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，而且并聯器件的均流也是一個問題，輸出頻率的提高也很有限。將逆變器每個橋臂的IGBT進行分時控制，可避免這些缺點，實現輸出頻率的提高，它的工作原理見圖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諧振周期。這樣，如果IGBT允許的開關頻率為f0，則電源的輸出頻率為4f0。同時，采用相位調功方式，通過調節開關管的導通寬度來調節輸出電流與電壓的滯后角度ψ來調節輸出功率。通過檢測負載電流過零點，調節開關管的導通時間，使它的超前電流一個角度ψ，ψ從O～90°可調，根據P=UIcosψ可知，改變ψ可實現調功的目的。逆變器的具體工作過程分析如圖3所示。

???設C1～C4是IGBT的CE極間結電容。初始狀態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：
???
??? 初始條件：uC=-Ucm，i=0
??? 式中：UD為逆變器輸入電壓；R為負載回路等效電阻；L為負載等效電感；i為負載回路電流。
??? 解該微分方程得：
???
??? (2)tl一t2：t1時刻，UC=UC1，i=i1。Q1a，Q4a在零電壓(ZVS)下關斷。負載諧振電流i為正，其等效電路如圖3(c)所示。電感L和C，C1～C4共同諧振；C3，C2放電；C1，C4充電。
??? 列出負載回路的電壓微分方程為：
???
式中：Ca=C+C1。
??? 初始條件：UC=UC1，i=i1
??? 解該微分方程得：

???

當t=t2時，UC=UC2，i=i2。C2，C3上的電壓放到零，D2a,D3a導通。(3)t2-t3：t2時刻，D1a，D4a在電容C1～C4的作用下零電壓導通，負載諧振電流i為正且向C1反充電。其等效電路如圖3(d)所示。列出負載回路的電壓微分方程為：

??? 逆變器t4～t6時刻，Q2a和Q3a動作，其工作過程類似于t1～t3。接下來后三組開關管分時工作，工作過程同第一組。通過分析可知，分時一相位復合控制方式可以方便的提高輸出頻率和調節輸出功率，提高了整機的效率。同時實現了開關管的軟開關，有效降低了開關損耗。

3 仿真及分析
??? 利用上述分時一相位復合控制策略對全橋IGBT逆變器主電路進行Pspice仿真分析，對新型控制策略的正確性與可行性進行了驗證。仿真時，逆變器負載等效為變壓器一次側R，L，C諧振槽路。設逆變器動態過程仿真條件為：輸入直流電壓UD=180 V，負載等效電阻R=3．5 Ω，開關管頻率為f0=100 kHz，輸出頻率f=400 kHz，等效諧振電感L=20 μH，等效諧振電容C=0．075μF，對開關管的驅動波形和負載的電壓電流波形進行了仿真。得出如下波形(見圖4，圖5)，其中圖4為上下橋臂IGBT的驅動仿真波形，圖5(a)和圖5(b)分別為ψ=0°和ψ＝25°時負載電壓電流的仿真波形，由于一開始啟動時電流波形不明顯，故截取后段時間的仿真波形。從圖中可以看出，仿真結果與理論分析相符合。從圖5(a)和圖5(b)波形可知，串聯諧振型逆變器的輸出負載電壓波形近似為方波，負載電流波形接近于正弦波，可知電路工作于諧振頻率附近，在此方法下逆變器能夠基本滿足較大范圍內的功率調節。

4 結 語
??? 這里研究了一種采用時間分割和相位調功復合控制的IGBT全橋串聯型逆變器，它使采用IGBT制作高頻大容量感應加熱電源成為可能。理論分析和計算機仿真結果表明，采用這種控制方式的高頻大功率電源電路結構簡單、控制方便，能方便地提高輸出頻率和調節輸出功率，具有很好的應用前景。