谐振负载全桥逆变PSPWM ＆ PDM软开关控制研究

第48卷第8期 2014年8月 电力电子技术 8 014 谐振负载全桥逆变晓丽，沈锦飞 (江南大学，物联网工程学院，轻工过程先进控制教育部重点实验室，江苏无锡214122) 摘要：针对逆变器在串联谐振负载条件下，移相脉宽调制(移相角变大时电流波形三角畸变严重。脉 冲密度调节(载时电流断续的缺点，将成移相密度复合调节(对逆变器进行功率控制，逆变器始终工作在零电流开关(态。详细分析了式和控制原理，给出了仿真和实验波形。 关键词：逆变器；串联谐振；功率控制 中图分类号：献标识码：A 文章编号：1000100X(2014)08007103 0U in14122，in is of DM is DM he of is is to in of DM in by o1 引 言 高频感应加热电源具有输出功率因数高。损 耗小，电磁干扰小，加热效率高等一系列优点。串 联谐振感应加热电源以其起动容易、可采用不控 整流、不使用体积和损耗大的电感等优点，广泛地 应用于透热、淬火、焊接等金属热处理领域。目前， 高频感应加热电源的研究主要集中在调功方式、 负载谐振回路拓扑、逆变器控制方式等方面1。根 据加热工艺的要求加热电源应当对输出功率和 频率进行控制，且能在较大功率范围内进行连续 快速调节。目前调功方式主要有直流侧调功和逆 变侧调功两种。直流部分调功主要有晶闸管全控 整流和斩波调压方式。逆变侧调功方式有多种，如 调频调功、相控制方式。其中时波形会出现断续的缺点【 ，且功率调节特性 基金项目：江苏省科技支撑计划项目(定稿日期：20140225 作者简介：苏晓丽(1989一)，女，江苏扬州人，硕士研究生， 研究方向为电力电子与电力传动、新能源及节能控制。 不理想，为有级调功方式：大，输出电压脉冲宽度减小，电流波形变成近似 三角波。文献3提出一种策略。但其开关管的驱动信号复杂，用模拟电路 难以实现。故此处采用了一种新型的混合调功方式兼有时又克服了两者缺点。 2逆变电路拓扑及原理分析 图变主电路拓扑。在所提控制策略中，开关管V， V，组成定相臂，开关管V：，V 组成移相臂，对V。 和V 的触发脉冲采用为了保证输出电压 中无直流分量，控制V 和V 触发脉冲密度始终 保持相等，对V，和V 进行样逆 变器输出电压为对称的脉宽相同的脉冲。 以v 和V 脉冲的脉冲密度为816，移 相角为 时的情况为例，分析主电路一个工作周 期内的工作情况。逆变器工作过程分析如图1，给出了V，V 的驱动信号 ，流 、电压 。波形。 7】 第48卷第8期 2014年8月 电力电子技术 8 014 (a)l 二L， _=1-； c= ：= ” ：口： a U“：o罱 辜 t 坫 竹ts 1主电路及 式1(f。t )t。时，V 触发，为t 时导通做 准备， 3。 模式2(t。t：)t 时，流开始时， C 放电，C，充电，V 实现，实现零电压 开关(断，V 实现零电流电压开关(导通。换流结束后，输出电压Zo=ud，v 一C R V 一一 形成回路，C。，为零， ，C 上的电压为 。 模式3(ht )t 时， 放电， 实现 上电流转移到维持电流连续， V 在t，时触发导通。换流结束后， 通过V _+C 。=0，C。，C：上的电压 为零，C3， 模式4(t3t )3放电，C 充电，V。为 3为 为i 由+ 一 _+C 组成回路对负 载供电，：，C。上的电压为零，C。，压为 。 模式5(t 时，2为 流结束后，V ，作，一 一C ，4上的电 压为零，C ， 模式6(3为4为 流完成后， V 形成回路续流，C，C ，C：上的电压为 。 模式7(4为V 触发，在t 时导通。换流结束后，一 ，形成回路续流，“。：0，G，为零，C。，C：上的电压为 。 由上述分析可知，t 一t。为逆变器一个周期 的工作阶段分解，段为逆变器向负载输出 功率的工作单元，段为逆变器通过环流停 止工作。负载能量自然衰减的工作单元，功率输出 单元和负载能量自然衰减单元按不同的比例组 合，就可实现对输出功率的有级控制，再结合对 的控制，就可实现输出功率的无级调功。 72 3逆变器输出功率特性分析 当V。和V 脉冲的D 同为816，移相角为 时当加热工艺要求调节输出功率时，就需要改变 V。和V：脉冲密度或V，和V 的移相角进行调功。 对行分析，要首先对功率输出工作单元进行分析 来实现。在功率输出工作单元内，对单个脉冲周期 的控制情况进行分析则平均输出功率为【 】： P#专J。T d 了1 c。ot)d (1) 式中： ， 为脉冲密度周期、功率输出时间； 为电流包络线。 若6 ，则上式近似为： ， f n =竺 I ) = (菩)(2) 式中： r=8l(Ro。 在 的状况下，眦不变，谐振电流与脉冲 密度成正比，从而 的平方成正比：71) 。在T,载电流不连续， 则正比【 】：眦(综上，电 流连续时， 和 的关系为： (争) (3) 为了使输出电流比较均匀对称，就必须对脉 冲的位置进行编码，即从 中选取合适位置作为 个功率输出单元，可使输出电流对称均匀，当 T=16时具体实现时。选用4个计数器即可达到 16个组合，从低位到高位为12，14，18和116， 哪位被选择时哪位为1，否则为0。根据表1进行 脉冲密度控制，在输出功率从额定值到允许输出 的最小值变化过程中，开关管驱动信号的脉冲密 度会逐渐减小，同时配合改变移相角来调节输出 功率。以 =1316的脉冲为例，其合成方式可 写为： 1316=12+14+116。 感应加热电源的输出功率从额定功率向最小 允许输出功率调节过程中，v 和V 的驱动信号脉 冲密度减小并配合移相角的变化来调节输出功 率，则可得如表1所示的功率调节规则。功率调节 的过程是先判断给定功率信号值所对应的脉冲密 度，然后根据判断出的脉冲密度使能相应的计数器 的组合，产生所需的脉冲密度的后 判断是否需要移相若需要则调用移相功能模块 计算出所需的移相角，并产生所需的谐振负栽全桥逆变1功率控制规则表 of _为满功功率；T,4仿真与实验 为了验证所提出的观点的可行性，此处采用 的感应加热电源进行仿真验证。电路中三相交 流整流后。经大电容滤波其电压波形为脉动的直 流。在建立仿真模型时。用一个直流电源模块代替 整流部分。仿真参数为：谐振频率50 功功 率功率50 功功率10 谐振阻抗 Q， 谐振电容575 载等效电感170 H。输出电 压 和输出电流i。的仿真波形如图2所示。 “。 _- “ -” Q 。推 r(10 格) (a)90额定功率，616时 ： ：一 雕 f f 八 |_ _ V 一 。 睾霎 孵 t(1 0 )t(20 ) (b)25额定功率，16时 (c)5额定功率16时 图2仿真波形 新型控制策略的感应加热电源样机进行了 实验验证，电路参数与仿真参数一致。图3示出实 验波形。由图3D =1616，调节 将输 出功率调节到90额定功率时，电流波形基本平 稳，近似为正弦波；由图3D =816，调 节 将输出功率调节到25额定功率时，电流峰 值有一定的三角畸变；由3D =416，通 过调节 将输出功率调节到5额定功率时，电 流仍然连续，克服了环应用的缺陷，和轻载时电流断续的缺点。 冀 厂、 弋 l 一一 蜘 卅 u J - ，(10 ) 0额定功率，Dv=6时 鞠 冀 t(10 )0 ) (b)25额定功率，16时 (c)5额定功率，3实验波形 结 论 提出了 大了功率可调节范围的精度。通过合理组合脉冲 密度与移相角的关系可使逆变器输出电流波形 接近正弦波，且波峰的波动较小。仿真及实验验证 了该策略的优良性以及可行性。 参考文献 【1】刘超，李健宇，历