（电力电子与电力传动专业论文）串并联谐振逆变式高频感应加热电源的研究.pdf

华南理工大学硕土学位论文 a b s t r a c t i n d u c t i o nh e a t i n gh a sm a n ya d v a n t a g e sc o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lh e a t i n g t h e t e c h n o l o g yo fi n d u c t i o nh e a t i n gh a sb e e na p p l i e di nm a n yi n d u s t r yf i e l dn o w a d a y s a n dt h ep o w e rs u p p l yo fi n d u c t i o nh e a t i n gd e v i c ei sv e r yi m p o r t a n t t h em a i np a r to f i n d u c t i o nh e a t i n gp o w e rs u p p l yi st h ei n v e r t e r g e n e r a l l y , s e r i e sr e s o n a n ti n v e r t e ri s t h et y p i c a lt o p o l o g yo ft h ei n v e r t e ro fi n d u c t i o nh e a t i n gp o w e rs u p p l y b u ts e r i e s r e s o n a n ti n v e r t e rh a sm a n yd i s a d v a n t a g e s ，s u c ha st h eo u t p u tp o w e ri sl i m i t e db yi n p u t v o l t a g e t h i sp a p e ra n a l y s et h e s t r u c t u r eo fs e r i e s p a r a l l e lr e s o n a n ti n v e r t e r ，i t s a d v a n t a g e sa n dd e s i g n i n gm e t h o d s f i n a l l y , a2 k w i n d u c t i o nh e a t i n gp o w e rs u p p l yi s d e v e l o p e d t h ep a p e ri n c l u d e st h r e es e c t i o n s t h ef i r s ts e c t i o ni n c l u d e st h ea n a l y s i s ，h i s t o r ya n dd e v e l o p m e n to fi n d u c t i o n h e a t i n g i ti n t r o d u c e s t h ep r i n c i p l eo fs e r i e sr e s o n a n ti n v e r t e r , p a r a l l e lr e s o n a n t i n v e r t e ra n ds e r i e s - p a r a l l e lr e s o n a n ti n v e r t e r i ta n a l y s e st h ep r i n c i p l ea n da d v a n t a g e s o fs e r i e s p a r a l l e lr e s o n a n ti n v e r t e rm a i n l y a n di ti n t r o d u c e st h ed e s i g nm e t h o du s i n g c a d t h es e c o n ds e c t i o ni sd e s i g n i n go fa2 k wi n d u c t i o nh e a t i n gp o w e rs u p p l y t h e p o w e rs u p p l yu s et h es e r i e s - p a r a l l e lr e s o n a n ti n v e r t e r a sm a i nc i r c u i tt o p o l o g y i t s w o r k i n gf r e q u e n c yi sa b o u t4 5 0 k h z - 5 5 0 k h z a n di t sc o n t r o lm e t h o di sf r e q u e n c y v a r i e t yc o n t r 0 1 t h i ss e c t i o na l s oi n c l u d e sd e s i g n i n go fm a i nc i r c u i t ，c o n t r o lc i r c u i t ， e m ic i r c u i t ，a n do t h e ra s s i s t a n tc i r c u i t t h el a s ts e c t i o ni n c l u d e st h er e s u l t so fs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t ，a n dt h ea n a l y s i s o ft h er e s u l t so fe x p e r i m e n t a n di tp r o v et h er e a l i z a t i o no fs o f ts w i t c h i n gi nt h ep o w e r s u p p l y t h ep h o t oo ft h ep o w e rs u p p l ya n dh e a t i n go b j e c ta r ea l s og i v e n k e y w o r d s ：i n d u c t i o nh e a t i n gs e r i e s p a r a l l e lr e s o n a n ti n v e r t e r ，h i g hf r e q u e n c y i i 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 俊廓日期：俩年6 月多日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 成如日期：嘶年月，弓日 导师签名： z 叁0 够 日期：疗年么月凸日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究背景与研究意义 工业加热是现代工业加工技术的一个重要领域。在很多产品的形成过程中， 都需要经过加热这道工序。比如金属的加工锻造、塑料制品的成型以及其它。丽 在家居生活中，也离不开加热这个步骤，最常见的为食品的加热烹饪。 传统的加热方式，通常为燃烧一些可燃物质而产生热量，继而加热对象。比 如采用煤炭、石油、或者天然气等可燃物质，还有通过日光照射等。虽然这些方 式仍然为现在的主要加热方式，但是这些方式的缺点是显而易见的。这些方式具 有，占用空间大、污染环境严重、效率低等缺点。为了解决这些问题，一些新的 加热方法油然而生。 在一些新兴的加热方式中，利用电能加热最为瞩目。最为常见的就是让电流 流过电阻产生热量的加热方式。在一些家用电器中有广泛的应用，如电热水壶、 电热锅等。这个方法虽然简单，但是由于是接触性加热，存在造成金属物质氧 化、加热不均匀等缺点。 为了适应现代生活和工业生产逐步提高的加热要求。人们研究了一种新的加 热方式一一利用磁场和电场进行非接触式的加热。这种方式利用高频的磁场或电 场对加热对象进行加热，没有以上方式所具有的缺点。满足现代高品质的家庭生 活和高效率的工业生产的要求，具有很大的市场前景。 1 。2 非接触式加热方式的分类 利用高频电压或电流来加热通常有两种方法： ( 1 ) 电介质加热：利用高频电压产生的电场 ( 2 ) 感应加热：利用高频电流产生的磁场 1 2 1 电介质加热方式( d i e l e c t r i ch e a t i n g ) 电介质加热通常用来加热不导电材料，比如木材。原理如图l ： 当高频电压加在两极板层上，就会在两极之间产生交变的电场。需要加热的 介质处于交变的电场中，介质中的极分子或者离子就会随着电场做同频的旋转或 振动，从而产生热量，达到加热效果。这种方式通常用来加热导电性能不好的物 体，同时在家居生活中的微波炉也采用了这个原理。 华南理工大学硕士学位论文 图l l电介质加热示意图 f i g1 - lt h ed i e l e c t r i ch e a t i n g 1 2 - 3 感应加热方式( i n d u c t i o nh e a t i n g ) 导体的导电机构主要是自由电子【”。如在导体上加电压，这些自由电子便将 按照同一方向从一个原子移到另一个原子而形成电流。电子在移动过程中会遇到 阻力，阻力越大电流越小，一般用电阻率来表示导体的导电性能。由于电阻的存 在，当电流流过导体时，都会引起导体发热，根据焦耳定律可得： q = 1 2 r t ( 1 - 1 ) 式中q ：导体的发热量 i ：通过导体的电流强度 r ：导体的电阻 t ：电流通过导体的时间 在导体中流过电流时，在它的周围便同时产生磁场。通过的电流为直流时， 产生的磁场是固定的，不影响导体的导电性能：而通过交流电时，产生的磁场是 交变的，会引起集肤效应，使大部分电流向导体的表面流通，即有效导电面积减 小，电阻增加。交流电流的频率越高，集肤效应就越严重。从式( 1 1 ) 可知， 在电流i 不变的情况下，由于电阻增加，使导体的发热量增加。同时由于电流沿 表层流通，热量集中于导体的表层，因此可利用高频电流对导体的表层进行局部 加热。 同样，在高频交流电流通过彼此相距极近的导体，或者将直流导体变成圆 环、绕成线圈的时候，其电流密度也会发生相应变化，引起所谓的邻近效应和环 形效应。 无论是集肤效应、邻近效应和环形效应都是由于导体中流过交变电流时，在 导体周围形成交变磁场，从而在导体中产生自感电动势迫使电流发生重新分配的 结果。导体周围磁场的强弱直接与电流强度成正比。因此，平行放置的两根导 第一章绪论 体，在其电流为同方向时，刚两根导体外铡磁场较内侧强，内侧中心的磁场强度 几乎为零。两根导体流的电流方向相反时，则导体内侧磁场强度最强。如果将导 体绕成线圈并通过高频电流，则线圈内侧磁场比较强。 如果将材料放在高频磁场内( 例如放在通过高频电流的线圈内部) ，则磁力 线同样会切割材料，在材料中产生感应电动势，从而产生涡流。涡流也是高频电 流，同样具有高频电流的一些性质。由于材料具有电阻，结果使材料发热，利用 感应涡流的热效应进行加热，叫感应加热。 蟪械拽漉 图卜2 感应加热示意图 f i g1 2t h ei n d u c t i o nh e a t i n g 基本电磁定律： 法拉第定律：口：! 竺 安培定律：j h d = n i 其中：西= f b c l s ，b ；u , u o h 如果采用m k s 制，e 的单位为v ，o 的单位为w b ，h 的单位为a i m ，b 的单位 为t 。 以上定律基本阐述了电磁感应的基本性质， 集肤效应1 2 】： 当交流的电流流过导体的时候，会在导体中产生感应电流( 如图3 ) ，从而 导致电流向导体表面扩散。也就是导体表面的电流密度会大于中心的电流密度。 这也就无形中减少了导体的导电截面，从而增加了导体交流电阻，损耗增大。工 程上规定从导体表面到电流密度为导体表面的i e = 0 3 6 8 的距离6 为集肤深度。 在1 0 0 度温度下可用以下公式来计算铜的集肤深度： 6 ：至c m( 1 - 2 ) 心 华南理工大学硕士学位论文 而感应电势在加热对象中产生的涡流形成的热量为： q = o 2 4 1 2 r t ( 1 3 ) 图1 3 涡流产生示意图 f i g1 - 3t h ee d d yc u r r e n t 从以上可以看到，如果增大电流和提高频率都可以增加发热效果，使加热对 象快速升温。为了适应现代工业的快速生产要求，所以感应电源通常需要输出高 频大电流。 本文讨论的为利用磁场加热的感应加热。 1 3 感应加热的发展历史及其应用场合 1 3 1 感应加热发展历史 感应加热来源于1 8 3 1 年法拉第发现的电磁感应现象。当年，法拉第将两个 线圈绕在同一个铁环上，他发现给一个线圈加上交流电时，另外一个线圈就有感 应电压产生【3 】。 然而感应的电压又可以在导体上形成电流导致发热。长期以来，技术人员都 对这一现象有较好了解，并且在各种场合尽量抑止这种发热现象，来减小损耗。 比较常见的如开关电源中的变压器设计，通常设计人员会用各种方法来减小涡流 损耗，来提高效率。然而在1 9 世纪束期，技术人员又发现这一现象的有利面， 就是可以将之利用到加热场合。来取代一些传统的加热方法。 1 9 世纪后半叶，感应加热技术才开始应用予实际生产一一导体的加热。首先 应用的领域是金属熔化。最初的金属熔化装置都是使用金属或者其他导电的坩 埚；后来又发明了使用不导电的坩埚的感应熔化装置。使用这些装置的时候，感 应电流直接加在被熔金属上，当时通常是用6 0 赫兹的低频交流电流加热。 早先的感应熔化装置是把被熔金属制成环状放入炉膛中进行熔化。由于涡流 和感应线圈的交变电流的作用，被熔金属上产生机械力，这种力可导致被熔金属 第一章绪论 断裂从而切断感应电路，中止加热。这种情况在有色金属熔化过程中常有发生， 从而给这种熔化方式带来困难。 上世纪初，设计出了使用圆筒形坩埚和高频火花隙电源的新装置，以代替环 形熔化装置。这种装置首先被用来熔化铂，而后用来熔化其它有色金属合金。然 而，这种“无芯”感应装置的进一步应用受到火花隙发电机功率的限制。随着发 电机组的发展，出现了频率达到9 6 0 赫兹以上，功率达到几百千瓦的发电机组。 因此，从1 9 2 2 年开始，感应加热应用上限制减小了。6 0 年代末期，固态中频变 流器代替了发电机组的位置。 随着感应加热在金属熔化应用领域的发展，这项技术在其他领域的应用也逐 渐发展起来。1 9 2 7 年最早应用感应加热方法对钢件表面淬火。感应加热技术在其 它方面同样有广泛的应用，例如管状结构的内孔表面淬火，具体应用于汽车轴和 汽缸筒的加热处理。 1 9 5 7 年，美国研制出作为电力电子器件里程碑的晶闸管，标志着现代电力电 子技术的开始。同时，也引发了感应加热技术的革命。1 9 6 6 年，瑞士和西德首先 利用晶闸管研制感应加热装置，从此感应加热技术开始飞速发展。 8 0 年代后，电力电子器件再次飞速发展，g t o ，m o s f e t ，i g b t ，m c t ， s i t 等器件相继出现。感应加热装置也逐渐摒弃晶闸管，开始采用这些新器件。 现在比较常用的是i g b t 和m o s f e t ，i g b t 用于较大功率场合而m o s f e t 用 于较高频率场合。据报道，困外可以采用i g b t 将感应加热装置做到功率超过 1 0 0 0 k w ，频率超过5 0 k 。而m o s f e t 较合适高频场合，通常在几千瓦的中小功 率场合，频率可达到5 0 0 k 以上，甚至几m 。然而国外也有推出采用m o s f e t 的 大功率的感应加热装置，比如美国研制的2 0 0 0 k w 4 0 0 k h z 的装置。 国内的电力电子技术起步比较晚，所以感应加热技术也落后于国外很多。我 国从5 0 年代开始将感应加热技术应用于工业生产中。6 0 年代末开始研究晶闸管 中频电源。8 0 年代开始研究超音频的感应加热电源。9 0 年代已经开始采用i g b t 研制高频大功率的感应加热电源。但是总体上来说还落后于国外。但是由于市场 前景广阔，所以研制的感应加热的技术人员逐渐增加 4 1 。 感应加热有以下优点： ( 1 ) 非接触式加热，热源和受热物件可以不直接接触。而且加热温度高 ( 2 ) 加热效率高，速度快，可以减小表面氧化现象 ( 3 ) 容易控制温度，提高加工精度 ( 4 ) 可实现局部加热 ( 5 ) 可实现自动化控制 ( 6 ) 可减小占地，热辐射，噪声和灰尘 ( 7 ) 能加热形状复杂的工件 华南理工大学硕士学位论文 ( 8 ) 工件加热均匀一一产品质量好 1 3 2 感应加热应用场合 感应加热可以用于多种场合，主要有： ( 1 ) 冶金：有色金属的冶炼，金属材料的热处理，锻造、挤压、轧制等型材生 产的透热：焊管生产的焊缝。 ( 2 ) 机械制造：各种机械零件的淬火，以及淬火后的回火、退火和正火等热 处理的加热。压力加工前的透热。 ( 3 ) 轻工：罐头以及其它包装的封口，比如著名的利乐砖的封口包 装。各种药品的封装。 ( 4 ) 电子：电子管真空除气的加热。 ( 5 ) 家居烹饪：利用电磁炉加热食物。 1 3 1 3 感应加热目前存在的缺点以及问题 虽然感应加热相对于传统的加热方式有许多优点。但是它也有潜在的缺点和 问题。 ( 1 ) 对加热设备的要求成本高：传统的加热设备结构简单，成本低廉。但是 感应加热设备需要高性能的电源支持，所以目前来讲成本是高昂的。而 且由于设备复杂度提高，也不利于无故障生产。但是由于这些年电力电 子集成技术和大规模集成电路技术的飞速发展，开关电源的成本和设计 难度也在飞速下降。前些年一台普通的开关电源，必须要专业的电力电 子专家来设计。丽现在，很多普通的工程师也能独立设计出来。这样器 件和设计成本的降低，直接推动了开关电源的普及。所以，这个问题将 不会是制约感应加热方式推广的主要问题。 ( 2 ) 产生电磁污染：从表面上看，感应加热设备似乎对环境没有污染。但是 它却会产生一种人眼看不到的，而且常常会被忽视的污染一一电磁污 染。虽然目前的科学技术仍然无法确定电磁污染到底对人体的危害有多 大，但是目前的共识是对人体肯定有害。所以人们必须对电磁污染抱有 足够的重视。很多发达国家对此作出了强制检测认定的规定。由于感应 加热设备的输出功率很大，而起随着技术的发展，输出电流频率也是越 来越高，所以其产生的电磁污染也是不可小觑的。所以，如何减小感应 加热的电磁污染，如何屏蔽已经产生的电磁辐射以及如何保障使用者的 人身安全这些问题将成为感应加热设备以后研究的重要课题。 6 第一章绪论 1 4 课题主要研究内容 在感应加热设备中，提供高频交流电流的电源是非常重要的环节。本文分析 了在感应加热电源中应用的各种逆变器电路拓扑和控制方式及其特点。探讨谐振 技术在感应加热电源中的应用，探讨如何提高输出电流频率和保证整机的高效 率。研究分析半桥串并联谐振逆变器的电压传递函数，通过计算机仿真的方式得 出其电压传递函数的曲线，从中分析参数设计的方法。并且在理论分析基础上， 研制一台高效、高可靠性、功率可调的感应加热电源的样机。为了减小电源体积 和提高加热速度，要求在器件和技术允许的情况下尽量提高电源的开关频率。因 此要求开关频率达到4 5 0 k h z 以上，高的开关频率必然带来大的开关损耗，所以 要求采用软开关技术。为此，也必须对逆变器的控制方法和软开关实现方法进入 深入的研究。对于感应加热设备，如果负载没有准备好，而启动电源的话，会导 致电源损坏或者电磁辐射大量泄漏。所以要有完善的检测保护功能。 最后，要根据实验所测得的实验结果，和理论做对比分析。并且分析软开关 的实现过程和效果。 1 5 本章小结 本章简单概述了感应加热方式相比传统加热方式的优点和缺点。并且阐述了 感应加热方式的基本原理。简单描述了感应加热方式的历史以及在国际和国内的 研究现状。最后提出了本课题研究的主要内容。 华南理工大学硕士学位论文 第二章谐振逆变器的原理分析 2 1 谐振逆变器的分类 对于感应加热电源来说，最主要的环节是逆变环节。也就是将直流电变化为 高频的交流电。多数情况下，逆变是靠谐振逆变的方法来实现，可以将直流电变 换成几百k 甚至几m 的高频交流电。 谐振逆变器电路根据直流侧电源的性质不同可分为两种：直流侧是电压源的 称为电压型逆变电路；直流侧是电流源的称为电流型逆变电路。它们也分别被称 为电压源型逆变电路( v o l t a g es o u r c et y p ei n v e r t e r - - v s t i ) 和电流源型逆变电路 ( c u r r e n ts o u r c et y p ei n v e r t e r c s t i ) 【鲥。 图2 1 为并联逆变器的一种电路结构，也是一种常见的全桥逆变器，由图可 知并联谐振逆变器属于电流源逆交器，由于工作频率接近于并联谐振负载电路的 谐振点，其负载电压接近正弦波，而逆变器输出电流为一近似方波。 电流型逆变电路有以下主要特点： ( 1 )直流侧串连有大电感，相当于电流源。直流侧电流基本无脉动，直流 回路呈现高阻抗。 ( 2 ) 电路中开关器件的作用仅仅是改变直流电流的流通路径，因此交流侧 输出电流为矩形波，并且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电压波形 和相位则因负载阻抗情况的不同而不同。 ( 3 ) 当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电感起缓冲无功能 量的作用。因为反馈无功能量时直流电流并不反向，因此不必象电压 型逆变电路那样要给开关器件反并联二极管。 | + 卜 妇蛔 图2 1并联谐振逆变器 f i g2 1p a r a l l e lr e s o n a n ti n v e r t e r d 3 第二章谐振逆变器的原理分析 在这种方案中，为了提供可靠的换流，在换流期间负载回路必须提供一定的 电压，以保证被关断管所在臂的电流能迅速转移到正在开通的桥臂中去。但是换 流结束，这一电压的存在将使被关断管承受反压，所以在采用并联逆变方案的时 候要在开关管中串联一个= 极管来承受反压。这种方案在大功率场合比较少用。 图2 2 为一种串联谐振逆变器，也为全桥结构。串联谐振逆变器属于电压源 逆变器，逆变器输出电压为近似方波，由于其工作频率接近负载电路的谐振工作 点，其输出电流为近似正弦波。电压型逆变电路有以下特点： ( 1 )直流侧为电压源，或者并联有大电容，相当于电压源。直流侧电压基本 无脉动，直流回路呈现低阻抗。 ( 2 )由于直流电压源的钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负 载阻抗角无关。而交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗的情况不同而 不同。 ( 3 )当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量 的作用。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂 都并联了反馈二极管。 为了避免逆变器上下桥臂的共通，换流必须遵循先关断后开通的原则，在关 断与开通脉冲之间应该保窝一定的死区。这种结构在感应加热电源中有着最广泛 的应用1 6 1 。 = j 一 | = 图2 2 串联谐振逆变器 f i g2 - 2s e r i e sr e s o n a n ti n v e r t e r 对于并联谐振逆交器和串连谐振逆变器其实是一对对偶拓扑。对偶作为一种 电路现象，同样存在电力电子拓扑中间。由于电力电子这个学科侧重于实用性， 所以对于对偶这样的理论研究并不是很热门。但是从以上两个拓扑可以看到很多 的对偶特性： ( 1 ) 并联谐振逆变器属于电流馈电逆变器，串联谐振逆变器属于电压馈电 逆变器。 9 华南理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 并联谐振逆变器要避免一对上管或下管同时关断，否则电感产生反压 将击穿开关管。而串联谐振逆变器要避免一个桥臂上的两个开关管同 时导通。这样同样会因为电容放电电流而破坏开关管。 ( 3 ) 并联谐振逆变器要求开关管具有单向导电性，而串联谐振逆变器要求 开关管具有双向导电性。 ( 4 ) 并联谐振逆变器容易实现开关管的z c s ，而串联谐振逆变器容易实现 开关管的z v s 。 上述两种逆变器当然还有其它拓扑，比如半桥结构的并联谐振逆变器和串联 谐振逆变器。然而在实际应用中，需要插入变压器等，其电路会有很多变换。而 且难度更大的是，实际情况下，加热对象的等效电路很难通过测量和理解计算得 出。而起实际等效模型也非常复杂，如果考虑的寄生参数，将更加复杂。所以理 论分析和计算往往和实际电路有很大的差别，所以实验成为一种非常重要的手 段。 2 2 串联谐振逆变器原理分析 这里介绍串联谐振逆变器的工作原理f7 1 。 对于如图2 - 2 所示的串联谐振逆交器，谐振环节l c r 两端所加的电压正负对 称的方波电压。假设电压幅值为v i ，频率为f 则对该电压进行傅立叶分解： v ：4 v t 妻塑型s i n ( n a , , t ) ( 2 1 ) l 鲁 2 n 、。 而l c r 串联电路的阻抗为： z = t o l j + ：+ r ( 2 2 ) c i 所以电流为： i = 兰 ( 2 3 ) b k 式( 2 _ 2 ) e e 嘲t n ，当w l 2 壶的时候z 的值为最小，如果只考虑电压v 中基 波。则当= 去的时候电阻r 上消耗的功率为最大。而且对于一定频率下，l c r 串联电路的阻抗可以呈现阻性，容性和感性，而且是在阻性的时候最小。如图2 3 ，当= 去的时候，l c r 的阻抗最小，当增大或减小的时候，阻抗z 都会 增大。 i 0 第二章谐振逆变嚣的原理分析 l 一一竺一 图2 3 串联谐振回路的阻抗频率特性 f i g2 - 3 z 一c u r v eo fs e r i e sr e s o n a n ti n v e r t e r 2 3 串联谐振逆变器的软开关实现 对于串联谐振逆变器，通常让其负载工作在感性状态下。在这种状态下，负 载电流滞后电压，所以很容易实现逆变器开关管的z v s ，有效的减小开关损耗， 有利逆变频率的提高。如图2 2 的全桥串联谐振逆变器，如果l c r 支路的阻抗处 于感性状态，则负载电流滞后于电压。 模态一：开关管q 1 和q 4 导通，电流流过q 1 l i c l 一 r i - q 4 。 模态二：此时，开关管q 1 和q 4 关断。由于负载处于感性状态，所以电流流向 不变，所以电流会抽走开关管q 2 和q 3 结电容上的电荷当q 2 和q 3 上电压降 到零，两管的体二极管或者反并二极管导通，此时导通q 2 和0 3 为z v s 开通。 下半个周期，q l 和q 4 的z v s 开通也是如此。 l 所以要实现z v s ，必须要求厂 丢。 2 4 串联谐振逆变器的调功方法 通常逆变器要求功率可调，以满足负载要求，而串联谐振逆变器主要有有四 种调功方式。 1 频率调制( p f m ) 从图2 3 可以看出串联谐振回路的阻抗频率特性。如果让负载工作在感性状 态下，那么负载阻抗将随频率的提高丽提高，从而减小输出功率。 频率调制的方式简单易行，而且容易实现软开关。但是由于需要调节频率， 不利于隔离变压器的设计。而且调节范围有限，如果要求输出功率接近零，就要 求开关频率达到无群大，这显然是不可能的，所以只有在负载q 值较高的时候才 比较有优势。 华南理工大学硕士学位论文 2 脉冲密度调制( p d m ) p d m 就是通过控制脉冲密度，从而控制输出平均功率，来达到控制功率的目 的。也就是通过控制加热时间来控制功率。这种控制方法较容易实现，在一些传 统的电阻加热的设备中比较常用。但是由于是间断加热，所以加热效果不好，使 加热对象加热不均匀。所以这种方法比较少用。 3 脉冲宽度调制( p w m ) p w m 通过调节逆变开关管的一个周期内导通时间来调节输出功率。这种方 法等同普通开关电源约调制方法，调节线性好，范围大，但是不容易实现软开 关。 4 直流输入电压调节 以上三种调节方式都属于逆变调功。还有一种方式就是调节输入直流电压， 这种方式兼具各种优点，但是需要加一级d c d c 变换，增加了成本和复杂性。 当然，感应加热的负载通常会随着工作条件的改变而改变特性。这样就会要 求电源要监视负载的变化，从而进行调整，比如采用频率跟踪等方法。 2 5 串并联谐振逆变器 串联谐振模式的电压型逆变器有很多固有的缺点。首先串联谐振逆变器属于 降压型的逆变器，也就是说负载电阻上的输出电压受输入电压的限制，所以最大 输出功率受限于输入电压和负载电阻。而且为了避免短路情况下出现大电流，串 联谐振逆变器的工作频率不能靠谐振频率太近，所以进一步限制了逆交器的功率 输出。为了解决这个问题，可以采用插入变压器的方法，也可以采用兼具串联逆 变器和并联逆变器特点的串并联逆变器。”。 串并联逆变器有很多种形式，包括电流逆变器型的和电压逆变器型。这里介 绍一种电压逆变器型的串并联逆变器( 也称为负载并联的串联谐振逆变器) 。 图2 - 4 所示的电压型串并联谐振逆变器的谐振回路负载阻抗为： z 嘲，+ 南+ c o c 2 j l + 12 码，+ 南+ 面r 河咄，+ 南+ 雠 n 为了简化分析可以将负载等效为串联谐振模式，如图2 - 5 。图2 - 5 - a 为原始的负 载回路。图b 将c z 和r 的并联电路等效为c 。和艮的串联电路。其中： ，1 + 2 r 2 c ； t 2 而罕 r 墨 一5 l + 曲2 r 2 c ? 第二章谐振逆变器的原理分析 ii i g - j 一 j 匀j 昌 0 1 jl y j ，uj # c ：壬( i 口4 li 图2 - 4 电压型串并联谐振逆变器 f i g2 - 4s e r i e s - p a r a l l e lr e s o n a n ti n v e r t e r 图c 将c 和c ；合并为一个电容c ，最终等效为串联谐振电路。其中 c ：盟 c l + e 由式中可以得知： c c 1 r ， d 噼面l2 冱13 籍c t u国r l ml l l jr5 华南理工大学硕士学位论文 对于，的计算通过解析式解答的方法会比较繁琐和困难。但是可以通过计算 机仿真的方法来简化计算过程。 若让c 2 = a c l q o = 苦他 厶= 2 ( - 0 万o q o r 曰o = 面1 鱼：量 。 r 所以： c t2 面1 i ， r a o l = 一 相位角 z - 邮面1 + 瓦1 。毒孵鲁啪布 ( 2 4 ) 其中v 。是输出电压，也就是负载电阻上的电压，v ，。是输入电压。m ，是电压传 递函数。图2 6 是a = 0 ，1 ，2 ，3 时候，在不同q 。下，m 。一f f 。的曲线图。从图 中也可以看到当a 越大，q 。越小的时候m ，就越大。所以也能够输出更大的功率。 图2 7 为电流相对电压的相位角。 而相对于串联谐振电路，串并联谐振电路多出一个参数。虽然分析会比较复 杂，但是对于元件参数的选择就会有比较大的余地。可以通过调节各个参数，让 器件的选值、应力等参数达到实际的要求。 1 4 焉 ! c ；旦 一 生讲生 + m 堕m 一 旦 觋 吼差言 | | 妒 第二章谐振逆变器的原理分析 0 m v 0 0 0 m v u 3 0 = 0 5 哆旷气k 飞弋 _ - _ - - - - - ，一 ， n恐q o ：= 卜i 、姐0 - - 。 1 、l 一一、 = 1r | 、 、q 么 _ - _ _。 、 一 i l 02o40 608 1214 ， 一 1 8 0 a = 0 国珊。 f ll q o =) 5 ， f 一1l_ _ 、 o n =￥ 一 吻k ，、 吣k c1 0 = 1 0 l 一 誊 ； 二一 、泓 吣 _ 蔓多 l 020 406 0 8121 4618： 5 a = i o j 0 3 。 华南理工大学硕士学位论文 m v m v 4 2 0 l 一、 一，1c 纱 i q o = 1 jl *n 一 馨、 1 佩， u 0 = u 髟飞 露。n k - _ - ! !孑， 、c 邕 02o40608 12141618： a = 2 c o o j 。 q o 吣5 q o =1 j 1 | | 、_ ，一 0 0 ) = 1 u o埯 鲞塞 日= r 0 2o 40 608 2141618 o j m o a = 3 图2 - 6 串并联电路m ，一o ) o ) o 曲线图 f i g2 - 6t h em ，一o j c o 。c u r v e o fs e r i e s p a r a l l e lr e s o n a n tc i r c u i t 1 6 第二章谐振逆变器的原理分析 1 7 a = 0 a = l o i c o o o ) o k 、八j) o = 、 、i i 八 n= 1n | 蛙 1 一 1 1 = n 瓦 l 、 nn = 1 除k 弱 l f 、- q 一- - 一 02040 60812141618： 5ap，c_lu)lm芷 、：! k 。o 、tl o = iu pq i = 1 、- t i il uu u o f、| f l i i cr 讯 、1 1，一u 1 皇 _ - 1 石a口、cio】iore 华南理工大学硕士学位论文 1 鲁- 心、 u o = 1 警 a0 = 05 1 1 一 l、l 以 1 l q c= 5| ll 一一爿 蠢 、- 吐、一一_ v 鬯心 a = 2 印。0 0 、 冈一q l k # , u b i l皆 q o = 1 l1 jr 、 ! u ， ， ，、一一dn o a 一 n f 1l 0 2o406081 2141618： a = 3 图2 7 电流相位角 f i g 2 - 7t h ep h a s eo fc u r r e n t 1 8 m c o 59刁、e-lu)i四1id 6。口、e毒o)i再匠 第二章谐振逆变器的原理分析 对于l 。和c t 上的电压应力为： r q 0 旦j ”_ r 统旦三 = _ 笋 如图2 - 6 中，当a = 0 的时候，也就是串联谐振电路。如果要求输出电流比较 正弦化，那么就必定要求q 比较大。而 旷 q2 1 f 百伸 在负载一定的情况下，就要要求电感l 比较大而电容c 比较小。这样的话，由于 电感l 和电容c 的阻抗比较大，产生的压降必然大。这样器件的耐压等级就要比 较高。 而如果增加一个并联电容的话，如图2 - 6 中a = 1 、2 、3 。可以适当选择q 。和 a ，在q 。不大的情况下，同样可以减小高频谐波，让输出电流比较正弦化。所以 可以避免器件应力太大。 2 。6 变异型半桥谐振逆变器的工作原理 2 6 1 变异型半桥谐振逆变器工作原理 图2 8 为变异型半桥谐振逆变器的简化原理图，与传统半桥逆变器不同的 是，该种拓扑没有传统半桥的电容桥臂。而电容c 同时起谐振作用和隔直作用。 控制方式可以采用调宽，调频或者调节脉冲密度等方法。由于调频方式有利于软 开关的实现，所以适用于频率较高的逆变器。这里根据这种调制方式来分析。 其工作原理为q l 和q 2 交替导通，占空比各为0 5 。但是为了保证两管不出 现共通，两者的驱动信号之间需要留一定的死区时间。在稳态分析的时候，忽略 死区时间的存在。当开关频率为f 的时候，开关管桥臂的中点电压为一频率为 f ，占空比为o 5 的脉冲方波。如果输入电压为v l ，角频率为，对该点电压进行 傅立叶级数分解，可以得到以下表达式： v ：互+ 丝争世s i n ( n o t )( 2 - 5 ) 9 r 图2 - 8 基本拓扑 f i g2 - 8t h em a i nc i r c u i to f h a l fb r i d g ei n v e r t e r 图2 - 9 电压电流波形 f i g2 - 9t h ec u r r e n tw a v ea n d v o l t a g ew a v eo fi n v e r t e r 从式( 2 5 ) 看到电压v 具有直流分量，基波分量和奇次谐波分量。对于l c r 串 联的负载v 的直流分量全部加在电容c 上，而其它交流分量根据l c r 在不问频 率下的阻抗分配。所以 t i = v ( r + 国巧一= 一)( 2 6 ) 啪 1 从式( 2 6 ) 可以看到如果只考虑基波分量，当国= 去的时候i 为最大值，此 q l c 1 时输出功率最大，如果大于或小于：的时候，输出功率都将减少。如果负 0 c 载呈现容性电流就会超前电压，如果负载呈现感性，电流就会滞后电压。一般让 负载呈现感性，这样可是使开关管实现零电压开通，有效的减小了开通损耗。其 输出电压和电流波形如图2 - 9 ，方波为电压波形，近似正弦波的为电流波形。而 且电流是滞后于电压。这样在开关管导遁之前，负载电流会先抽走开关管的结电 容电荷，导致反并二极管导通，此时开关管导通，为零电压开通。如果在开关管 上并电容，可以减小关断损耗，但是会使零电压开通条件更加苛刻。 对于输出功率的调节，可以通过调节开关频率来实现，如果负载处于感性。 则开关频率的提高可以减小输出功率。但是为了避免负载进入容性状态，要将最 小开关频率设置大于l c 谐振频率。 半桥逆变器拓扑的其它形式 图2 - 8 为此种半桥谐振逆变器的基本拓扑，但是根据负载要求的不同可以对 这拓扑进行适当变化。图2 1 0 就是各种变化形式，而且为了电气隔离的目的， 也可以在适当的位置插入隔离变压器。 第二章谐振逆变器的原理分析 虽然图2 1 0 的拓扑形式各有不同，但是都和图2 8 都属于电压型谐振逆变器 类。但是图2 一1 0 中的各种拓扑的电压传递函数和图2 8 中的基本串联谐振半桥逆 变器的电压传递函数有所不同。其中图2 一l o - a 为前面一节所论述的串并联谐振电 路结构。而其它形式的半桥逆变器也是各有特点。但是这里不作详细论述。 ( a ) ( c ) ( b ) ( d ) ( e ) 图2 1 0 半桥拓扑其它形式 f i g2 - 10t h eo t h e rt o p o l o g i e so fh a l fb r i d g ei n v e r t e r 华南理工大学硕士学位论文 2 6 2z v s 变异型半桥串并联谐振逆变器 2 5 节讨论了串并联谐振电路的电压传递函数。而图2 - l o - a 就是基于半桥结 构的串并联谐振电路。 如图2 一t o a ，其中q 和q 。为两个开关管。d 。和d ：为开关管的反并二极管，而 c ，和c z 为开关管的并联电容。如果q 。和q ：为m o s f e t 的话，这些反并二极管和电 容可以是m o s f e t 内部寄生器件，也可以外接。 对于要实现z v s 的半桥逆变器，需要三个个条件。 l ：开关管必须要有反并二极管和并联电容。 2 ：逆变桥的输出电流必须滞后输出电压。 3 ：两开关导通信号之间，要有一定的死区时间，死区的大小与输出大小，相位 和开关管并联电容的大小有关。 关于半桥逆变器的电压传递函数，和电流的相位角等，前面的章节已经作了 详细的论述。这里主要分析实现z v s 的条件。对于如图2 1 0 - a 所示的半桥逆变 器。如果q ，和q ：上的并联电容c 。和c 。的取值比较大，就会让开关管关断的时候 d s 之间的电压上升变得缓慢。这样可以有效减小关断损耗。但是如果不能实现零 电压开通的话，储存在电容c 。和c 。中的能量就在q 。和q 。开通的时候损耗掉。所 以将带来开通损耗。虽然在电流滞后电压的逆变器中比较容易实现软开关。但是 必须保证一定的死区时间，但是死区时间比较大是不允许的。所以有必要对死区 时间作计算。 假设逆变桥的输出电流为正弦波。 f = i s i n ( 甜一妒) ( 2 - 7 ) 其中，。为电流的峰值，妒为电流相对于输出电压的相位角。所以如果要将即 将开通的开关管上的电容电压降到零电压。就必须满足下式： = 志f 卜l s 呱甜一矿) v ) i 。 国( c i + c 2 ) f c o s ( o j r 一妒) 一c o s l p 】 ( 2 8 ) 但是根据式( 2 - 8 ) 来计算死区时间t ，比较困难，如果死区时间t 很小，也 就是满足 匕“ t 这里的t 为开关周期。 这样的话，可以假设在开关管的并联电容放电的时候。逆变桥的输出电流是 恒定的。即 第二章谐振逆变器的原理分析 所以 i = 1 。s i n p ( 2 - 9 ) t _ ( c + c 2 ) 等= ，( 2 - 1 0 ) 所以 ， 。百面 所以 f ：! 堕! 刍! ! z ! ( 2 - 1 1 ) 根据式( 2 - 1 1 ) 可以计算出实现z v s 的