（电力电子与电力传动专业论文）1mhz1kw超高频感应加热谐振逆变器的研究.pdf

a b s t r a c t f o rt h eu n i q u ea d v a n t a g e so nh e a tt r e a t m e n to fm e t a ls u r f a c e ，t h em h z u l t r ah i g h f r e q u e n c yi n d u c t i o nh e a t i n gp o w e rs u p p l yh a sag o o da p p l i c a t i o np r o s p e c t an o v e l b i - s w i t c h i n gu l t r ah i g hf r e q u e n c yr e s o n a n ti n v e r t e ri si n t r o d u c e d t h ec o n v e r t e rc a nh a v ea v e r yg o o dd e a lw i t ht h ep r o b l e mo ft h ep a r a s i t i ci n d u c t a n c ea n dp a r a s i t i cc a p a c i t a n c eo ft h e m n z l e v e lc i r c u i t a l ls w i t c hd e v i c e so p e r a t ei nz e r o v o l t a g es o f ts w i t c h i n gm o d e ，w h i c hc a l l g r e a tr e d u c et h es w i t c h i n gl o s s s ot h ec o n v e r t e rt o p o l o g yi sv e r ys u i t a b l ef o ru l t r ah i g h f r e q u e n c yi n d u c t i o nh e a t i n gp o w e rs u p p l y d e t a i lo p e r a t i o np r i n c i p l e ，m a t ha n a l y s i so ft h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dd e s i g na l g o r i t h mf o rt h e c o n v e r t e rt o p o l o g ya r ep r e s e n t e d t h ea n a l y s i so ft h et o p o l o g yw o r k i n gc o n d i t i o n sf o rt h e i n d u c t i v e ，r e s i s t i v e ，c a p a c i t i v el o a d ，a n dt h es t a t ea n ds c o p eo ft h ez e r o - v o l t a g es o f t - s w i t c h i n g u n d e rt h ec o n d i t i o n so ff o u rc l a s s i ci n v e r t e rl o a dt o p o l o g ya r ea l s op r o p o s e d ，w h i c hc a l lg e tt h e c o n c l u s i o n ：l l ci n v e r t e rl o a dt o p o l o g yi st h em o s ts u i t a b l ef o rt h i sc o n v e r t e r t h ec o n t r o la n d p r o t e c tc i r c u i tw a sd e s i g n e d f o rv a l i d a t i n gt h ee x c e l l e n tp e r f o r m a n c eo ft h ec o n v e r t e ru s e di n u l t r ah i 【g hf r e q u e n c yi n d u c t i o nh e a t i n gs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s u l t so p e r a t i n ga r o u n d 1m h z f r e q u e n c yi sg 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 g ，u l t r ah i g hf r e q u e n t 5l o a dm a t c h i n g ，r e s o n a n ti n v e r t e r i l 浙江大学硕士学位论文 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得逝姿态堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名：夥7 痧 签字日期：和办年7 月r 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权迸姿盘堂可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：墨彩胗 导师签名：渺主己弘 签字日期：砚加年岁月，厂日签字日期：叫，年了月r 日 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 感应加热的原理 第一章绪论 1 8 3 1 年法国科学家m i c h a e lf a r a d a y 在前人研究成果的基础上，通过实验提出 了著名的电磁感应定律，从此揭开了感应加热电源发展序幕。感应加热是利用电 磁感应的现象将电能转化成热能，在感应线圈上通入一个交变的电流，根据电磁 感应定律在被加热体上产生感应电势e ，并产生涡流i ，使工件加热。 感应加热电动势的有效值为： e ：2 x f n 压q 9 4 4 4 v f e , 。 ( 1 1 ) 产生的焦耳热为： q = o 2 4 1 2 r t ( 卜2 ) 由此可见感应电动势的大小与频率高低和磁场强弱有关，而产生的感应电流 除了与感应电动势有关外还与金属的截面积、截面形状、电导率、磁导率以及透 热深度有关。 电磁感应产生的高频电路在导体内的分布受下面三个原理影响： 1 肌肤效应：感应电流沿导体截面上的分布不均匀，表面最大，越深入内部 感应电流越小，这种感应电流集中在表面的现象称为肌肤效应。 2 邻近效应：通有交流电流的导体彼此相距很近时，会相互影响，导体内的 电流要作重新分布。邻近效应的电流密度分布不仅取决于导体本身的磁场，而且 与邻近导体磁场总作用有关。 3 圆环效应：交流电流通过圆环形线圈时，最大电流密度出现在导体内侧， 这种现象称为圆环效应n 1 3 1 1 1 , 1 。 1 2 课题来源及意义 感应加热技术自问世以来，已越来越多的影响着工业生产和人民生活， 相对于传统的火焰加热方式，感应加热技术具有独特的优越性能和特点1 ： 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 1 加热温度高，效率高，而且是非物理性接触式加热，安全。 2 加热速度快。加热工件内部可以直接并立即形成热量，工件铁屑损耗小， 表面氧化较轻。 3 具有精确的加热深度和加热区域，可以加工形状复杂的工件。 4 表面淬火后工件表层有较大压缩应力，工件抗疲劳破断能力较高。 5 节能环保，不会产生有害的放射、废气、烟雾和噪音。 6 无机械运动，噪声小，安装和维修方便，不需要特殊的基础。 7 启动停止方便，频率能够自动跟踪以保证最佳的运行状态m ” 因此，在冶金、国防、机械加工等部门的金属熔炼铸造、透热、热处理、 热锻造、焊接、烧结、弯管以及半导体的区域提纯、单晶片外延等热加工工 艺方面感应加热电源都获得了广泛的应用，而且随着以感应加热为手段的电 磁妒等的推广，感应加热也已经不断进入到人们的家庭生活。现在1o o k h z 以下的固态高频感应加热电源技术比较成熟，基本上有比较完善的产品体 系，但是1o o k l t z 以上特别是兆赫级的超高频感应加热电源还处于研究阶段， 实际应用中主要还是以电子管振荡器为主，但是电子管振荡器感应加热设备 有其固有的一些缺点1 ： 1 电子管使用寿命短，一般在40 0 0 6 0 0 0 小时，大功率电子管的寿命 仅2 0 0 0 小时，维护困难。 2 电子管设备的效率低，一般只能达到5 0 ，浪费能源。 3 由于存在高压，给使用者带来更大危险。同样，由于需要高压变压器， 绝缘困难，体积特别庞大。 4 电子管需预热启动。 5 加重了冷却系统的负担阻 n 2 1 。 与传统的电子管振荡器相比，全固态高频感应加热电源有着显著的优点。 基于以上的状况可见超高频全固态感应加热技术还有很大的发展空间。现在 固态感应加热电源的高频化已经是感应加热电源发展的主要趋势。 1 3 国内外技术现状及发展趋势 自超快速开关器件m o s f e t 等研制成功以来，高频化已成为电力电子发展 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 的一个趋势，同时超高频全固态感应加热电源也获得了长足的进步。 1 3 1 国内外技术现状 欧美几个工业强国和日本由于资金和技术方面的优势，所以在高频感应 加热电源产品的开发和超高频感应加热电源的研究方面代表着世界的领先 水平，已经非常多超高频全固态感应加热电源面世。在高频这一频段可供选 择的全控型器件只有静电感应晶体管( s i t ) 和功率场效应晶体管 ( p o w e r m o s f e t ) 。日本采用大容量高频器件s i t 技术比较成熟，做了很多s i t 感应加热电源研究工作。日本在19 8 7 年久开始研制12 0 0 k w 2 0 0 k h z 的s i t 电源，1 99 6 年日本兴业公司研制的感应加热产品频率上限为2 0 0 k h z 、功率 上限为3 0 0 k w ，现阶段日本采用s i t 器件的固态高频感应加热电源的水平可 达4 0 0 k w 40 0 k h z 。尽管日本的s i t 感应加热电源已经发展到比较高水平，但 是s i t 元件价格较高，导通时压降高，因此效率相对于其他可控元件偏低， 除日本以外其他国家少有s i t 高频产品，因此高频感应加热电源的发展主流 仍然是采用p o w e rm o s f e t 器件为主。其中美国i n d u c t o r h e a t 公司的 s t a t i t r o n 型号m o s f e t 电源达到40 0 k h z ，最大功率2 m w 2 1 ，代表了高频大 功率应用的发展方向。在超高频感应加热电源拓扑的研究方面，早在上世纪 80 年代末就有人使用e 类单管拓扑成功制作5 0 0 w 3 3 m h z 引和150 w 7 m h z n5 的样机。目前在现有超高频感应加热电源产品中，较为领先的有新起之秀韩 国i n s u n g 公司研制的5 k w 1 5 m h z 感应加热电源。 相对于国外来说国内在感应加热领域研究的起步比较晚，但现在有了比 较长足的进步。在生产领域内，9 0 年代初辽宁电子设备厂研制成功 8 0 k w 15 0 k h z 的s i t 高频感应加热电源产品，1 9 9 6 年天津高频设备厂研制的 7 5 k w 2 0 0 k h z 的s i t 高频感应加热电源产品代表了国内s i t 电源的最高水平。 在采用m o s f e t 开关器件的高频电源产品中目前邯郸市惜源高频设备有限公 司设计制造的高频感应加热设备已达60 0 k h z 10 0 k w 。在超高频电源的实用 化产品研制中，上海热基机电设备有限公司在20 0 0 年与上海工程技术大学 合作开发小功率超高频感应加热机，并研制出采用德国西门子公司生产的 m o sf e t 功率器件的超高频感应加热电源5 k v a 1 m h z ，该公司于2 0 0 2 年已 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 并入台湾实力雄厚的伟祥实业有限公司。学术研究成果方面，浙江大学上世 纪9 0 年代已经研制出2 0 k w 3 0 0 k h z 的m o s f e t 高频电源n 1 并投入实际应用， 江南大学在本世纪初研制成功l k w 2 m h z 的m o s f e t 超高频电源样机n 2 。20 1 。 1 3 2 感应加热的发展趋势 感应加热电源的整流器和逆变器是典型的电力电子电路，伴随着电力电 子技术的发展而发展，随着工业应用不断提出新的要求，从目前情况看，感 应加热电源技术的发展趋势主要有以下几个方面1 ： 1 高频化。现在高频领域里电子管振荡器还占据相当比例，但其功率变 换效率仅为50 - 6 0 ，固态感应加热取代电子管振动器是必然的一个趋势。随 着频率的提高，功率器件、无源器件等均有许多特殊要求，因此，实现感应 加热电源高频化仍有许多技术需进一步研究，因此新型高频大功率器件( 如 m c t 、i g c t 及s i c 功率器件等) 的问世将进一步促进高频感应加热电源的发 展。 2 大容量化。在现有单个m o s f e t 容量不大的情况下，大容量化技术主 要分为二大类：一类是器件的串、并联，另一类是多台电源串、并联。多台 电源的串、并联技术是在器件串、并联技术基础上进一步大容量化的有效手 段，借助于可靠的电源串、并联技术，在单机容量适当的情况下，可简单地 通过串、并联运行方式得到大容量装置。在器件串、并联方式中，必须认真 处理串联器件的均压问题和并联器件的均流问题。由于器件制造工艺和参数 离散性，限制了器件的串、并联的数目，并且串、并联数越多，装置的可靠 性越差。串联逆变器可等效为低阻抗的电压源，并联时由于相互间的幅值、 相位和频率不同或波动时造成很大的环流，因此串联逆变器存在并机扩容困 难的问题；而对于并联逆变器，逆变器输入端的直流大电抗器可充当并联机 子之间的电流缓冲环节，使输入端有足够时间来纠正电流的偏差，达到多级 的并联扩容2 川似5 1 。 3 负载匹配。感应加热电源运行工况比较复杂，它的负载对象也各式各 样，而电源逆变器与负载是一个有机的整体，负载直接影响到电源的运行效 率和可靠性。一般负载匹配采用匹配变压器连接电源和负载感应器，但功率 4 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 变压器绕制困难，成本高，同时会降低电源的整体效率，因此现在越来越多 的研究如何实现动态阻抗匹配以及三阶逆变器负载代替原来的二阶逆变器 负载，在取消匹配变压器的同时实现高效、低成本的隔离匹配。 4 智能化。感应加热电源正向智能化控制方向发展，具有计算机智能接 1 2 远程控制、故障自动诊断等控制性能的感应加热电源是下一代发展目标。 5 高功率因数、低谐波电源。绿色电网、绿色电源必将成为今后的发展 趋势，因此要求感应加热电源具有高功率因数( 带有大功率三相功率因数校 i - 1 ：) 低谐波污染1 q 刀 。 1 4 课题背景 兆赫仔超高频电源由于开关频率高，在电路设计和生产工艺上增加了很 多问题，特别是需要解决电路中分布寄生参数引起的电压电流过冲和器件开 关损耗这两大问题。目前较为理想的就是零电压开通，即在m o s f e t 开通前 已经把电容上的电荷抽掉，则该电荷不从管子本身放电，也就是开通损耗接 近于零。在关断时，也有零电压和零电流等技术降低关断损耗d 1 q 卯。在现有 器件还未获得突破性进展时，研究合适的拓扑改善开关状态是目前的当务之 急。 1 4 1 经典全桥逆变电路 图1 1 和图1 2 所示为经典全桥串联型逆变器和并联型逆变器。原理上 二者具有对偶性，在高频化下有其固有的局限性。电流型逆变器中，二极管 与自关断器件是相串联的，二极管的电流容量与自关断器件相当，但大容量 的快速二极管的反向恢复特性较差，恢复时间较长，因此电流型逆变器不适 合高频化。 电压型逆变器为了防止桥臂之间的短路，需要在驱动信号中预留死区时 间，保证开关管先关断后开通，这一特点限制了电源频率的进一步提高，因 此也具有一定的局限性。 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 1 4 2d 类谐振逆变器 图i 1l r c 串联型谐振全桥拓扑 l d 图1 2l r c 并联型全桥拓扑 目前超高频小功率电源的拓扑多为单管或双管结构，追溯各类超高频电 源的结构拓扑可以得到最基本的两个拓扑，即c l a ss - d 6 圳1和c 1 a ss e n4 15 2 2 “，们1 功率放大器。d 类和e 类功放与a 、b 、c 类功放相比较，最大特点 就是功率管工作在开关状态，因此统称d 类和e 类功放为开关功放。 图i 3 双管d 类谐振电路 6 r 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 经典的c l a ss - o 双管1 3 州0 1 电路在功放和射频电源中的应用由来己久。图 1 3 所示的是d 类双管谐振电路。d 类功放的设计原理是：当功率管流过电 流时，管子上的电压很小，甚至趋近于零；当电流截至时，管子上的电压达 到很大这样，在任一时刻内，电流与电压的乘积都很小，因此功率管的开 关损耗就非常小，甚至趋于零。d 类功放实际效率为90 左右。由于d 类双 管谐振电路是电压型谐振逆变器，直流电压源是不能短路直通，因此双管d 类谐振逆变器必须设置死区时间，这一点对于应用在超高频的逆变器来说是 一个非常大的缺陷，并且其短路保护较困难。文献 的射频电源样机开关 频率达到i3 56 m h z ，功率3 0 0 w ，效率高达9 0 ，文献钉是用于可变负载与 可变频率( 典型的是感应加热) 的i m h z 的d 类谐振逆变器，其驱动运用了 正弦e 类谐振驱动方法。 1 4 3e 类谐振逆变器 为了克服d 类逆变器存在的上述缺点，19 7 5 年s o k a l 提出了经典的 c 1 a ss - e 型电路，引起了广泛关注。e 类功放在提高效率和降低开关损耗方 面更进一步，他是按照“电流与电压不同时出现”的原理来设计，因此在任 一时刻电流与电压的乘积均为零，即功率管无耗散功率，实际效率为9 5 左 右。e 类谐振逆变器主要通过并联在功率器件两端的电容来吸收原本存在的 寄生电容，针对电容放电过程，降低器件在开关过程中的能量损耗。图1 4 所示为c l a s s - e 型单管谐振电路基本结构。图中z 和刀代表负载等效电感和 电容。鉴于e 类谐振电路在超高频领域的优越表现，也被引入到感应加热电 源的应用研究中 “1 ，并且取得了非常不错进展，达到50 0 w 3 3 m h z 和 1 50 w 7 m h z 的水平。国内超高频感应加热电源对e 类拓扑的研究也比取得很 好的成绩“7 们一9 1 ，其中文献7 1 用e 类双管拓扑研制成功的2 m h z i k w 的超高 频感应加热电源，基本原理与单管e 类是相同的，采用双管交替工作的目的 是提高频率以及减小单管容量，其电路如图1 5 所示。c 1 a ss - e 谐振电路要 保持高效率工作，负载网络的瞬变响应必须满足下列两个条件：( 1 ) 功率管 截止时，输出端电压必须延迟到功率管开关断开后才开始上升；( 2 ) 功率管 饱和导通时，集电极电压及其对时间的导数必须都为零( 假定功率管饱和压 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 降为零) 。因此虽然c l a ss - e 电路拓扑非常适合在超高频领域中使用，但从 其负载网络瞬变响应的两个条件可以看出其负载适应能力比较差，感应加热 负载在加热过程中都会有比较大的变化，因此e 类放大器在感应加热应用中 有很大的局限性。 c 图1 4 单管e 类谐振电路 r 1 5 本文完成的工作 图1 5 双管e 类谐振电路 本文提出了一种新颖的双管全桥逆变器拓扑，该拓扑能有效的吸收线路上杂 散电容、寄生电感以及一些分布参数，并且工作时开关器件是零电压关断、零电 压零电流开通，极大的减少了器件的开关损耗，逆变器的输入端增加了高频平波 电抗器，使该拓扑具有电流型逆变器和电压型逆变器的优点，使两只开关管的导 通没有死区时间的限制，并且能够缓冲开关器件短路或感应圈短路时对电源的冲 击，增加了保护动作时间，提高了电源的可靠性，因此该拓扑比较适合兆赫级超 高频感应加热。 本文的主要工作分成三个部分： 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 1 引入了双管全桥逆变器拓扑，分析了其工作过程，分析了四种逆变器负载 对电源工作状态的影响。 2 介绍了电路参数设计的原理，提出可行的控制方案和保护措施。 3 仿真并设计了1 m h z 、1 k w 的样机，验证了理论分析的正确性，证明了该拓 扑在超高频领域应用的可行性。 浙江大学硕士学位论文第二章双管= 牟= 桥逆变器电路原理分析 第二章双管全桥逆变器电路原理分析 2 1 双管全桥逆变器电路拓扑 与中频或超音频感应加热电源相比，兆赫级感应加热电源有其自身的一些特 点，在电路设计中需要特别注意以下几点： 1 寄生参数对电源工作状态的影响。从结构工艺上来看，高频电源对分布 参数较为敏感，杂散电感和分布电容等易引起电压过冲和开关过程的高频震荡， 因此对主电路的工艺要求需要特别考虑。 2 开关器件的开关损耗大。随着频率的升高，开关损耗成倍增长，一旦工 作在非软开关状态可能会使开关管因开关损耗过大而烧坏的情况，因此超高频逆 变器要求开关器件必须工作在软开关状态。 3 感应加热负载随温度变化而变化比较大，要求逆变器电源对负载的变化 有一定的适用能力。 以上原因使得经典传统逆变器拓扑在兆赫级感应加热应用中有很大的局限 性，因此兆赫级逆变器的拓扑研究是当前研究的重点之重。本章提出了一种新颖 的双管全桥谐振逆变器，如图2 1 所示。 图2 1 双管全桥逆变器原理图 本拓扑是根据e 类功放提高效率和降低开关损耗方面的原理来设计的，按照 “电流与电压不同时出现”的原理，这样在任一时刻电流与电压的乘积均为零， 极大的降低了m o s f e t 的功率损耗。在逆变器的输入端增加了高频平波电抗器l d ， 使该拓扑具有电流型逆变器和电压型逆变器的优点，减缓了感应圈短路或 1 0 浙江大学硕士学位论文第二章双管全桥逆变器电路原理分析 m o s f e t 损坏时短路电流对电源的冲击，增加了保护动作的时间，提高电源可靠 性；逆变器具有电流型特点，两只开关管的导通没有死区时间的限制；此外，电 感l d 、l a l 、l a 2 能有效吸收所在支路上的寄生电感，电容c a l 、c a 2 能有效吸收 m o s f e t 的输出电容，因此能有效解决线路上寄生参数和分布参数对电路的影响， 降低了主电路工艺上的要求，由此可以看出该拓扑非常适合兆赫级感应加热电源 的要求。 2 2 双管全桥逆变器基本工作原理 从图2 1 的原理图可以看出该拓扑是一个多谐振回路的电路，其主要的两个 谐振频率一是开关频率i ) ，另一个是辅助谐振频率【i ) a ，即l a ( l a l 和l a 2 ) 与 逆变器负载r l 并联后的等效电感l 1 e q 与c a ( c a l 或c a 2 ) 组成的谐振回路。 为了便于分析，设s 2 导通，s 1 关断，等效电路如图2 2 所示。其中l a l = l a 2 = l a ， c a l = c a 2 = c a 。 l d 口 l 一2 b 。0 图2 2s 2 导通，s 1 关断时等效电路 负载回路z l 的约束条件： 旷厶罢袱。 ( 2 - 1 ) 根据节点p 和a 列微分方程得出以下约束关系： 圹必2 = 詈 l 誓帆砩 l t i - = - 白警 么l = f + 萌 ( 2 - 2 ) 浙江大学硕士学位论文 第二章双管全桥逆变器电路原理分析 整理可得： 垂+ 墨垂+ 墨堡垒一d u 卜一窒甜：o ( 2 3 ) 。o o 一+ o + 一+ 一o ，! i i t ，一1 j 础l 出22 l - l a c ad t2 l l a c a 要实现零电压软开关必须使上式微分方程有复数根，这样m o s f e t 开通时电 压u 才能谐振上升，并且在s 1 导通前u 谐振下降到零，实现零电压关断、零电 压开通。由盛金公式可得，当 = 曰2 4 么c 0( 2 - 4 ) 时，三阶齐次线性微分方程有一个实根和两个共轭复根，其中 么：尚：一3 墨兰：丝 占：一r 墨兰：丝一9 墨 ( 2 5 ) c ：( 些) ：一3 一r l 由微分方程的通解可知，其稳态分量的基波分量是由正弦函数组成，因此根 据电路的等效原理将c a l 以外的电路等效成电感l l e q 和电阻r e q 的串联，其谐 振周期： 铷：芦 ( 2 - 6 2 - 0 ) 铷= 。声= = = = = = lj 4 l l p q c a 其中： l 1 绷：丛型 ( 2 7 ) 4 c o l ( z ，) 是z 。的虚部。 因此将一周期划分成五个时间点，在( t l - t 2 ) 时间内设： 5 “= s i n a ) a t 在( t 2 - t 3 ) 时间内由于m o s f e t 反并联二极管的钳位作用 2u 8 = “p = o 1 2 ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) ( 2 - 10 ) 浙江大学硕士学位论文第二章双管全桥逆交器电路原理分析 由对称性分别得到( t 3 一t 4 ) 和( t 4 - t 5 ) 的表达式。 因此可以得出“爿，郎的表达式： f u ms i n o 蛔( t t 1 ) t l t f 2 玑- - 1 0 t 2 f f 5 f 玑s i n 铷( f t 3 ) t 3 f t 4 2 1 0f l t t 3 ，f 4 f f 5 “p = 生2 监= ( 2 - 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) 三s i n 豳( 川1 ) 水2 三s i n 踟( 川3 ) t 3 t t 4 ( 2 _ 1 3 ) 0t 2 f t 3 t 4 t t 5 列平波电感l d 的约束条件并两边求积分可得： = 亍1r ( 价 n 枞亭h 衍 ( 2 - 1 4 ) 稳定条件下，电感l d 每周期的电压变化率为零，因此 = ；k 班= 盎。 ( 2 - 1 5 ) 即： = 等玑( 2 - 1 6 ) 设： d ：旦 ( 2 1 7 ) 吧 d 表示了谐振频率和辅助谐振频率的关系，在该拓扑的理论分析中是一个相 当重要的物理量。当d i 时，即彩 i 时，m o s f e t 在门极脉冲 关断之前m o s f e t 的漏源极电压还未谐振下降到零，因此m o s f e t 关断过程中 m o s f e t 的电流和漏源极电压乘积不为零，存在着关断损耗，在兆赫仔的开关频 率下关断损耗相当可观，可能使m o s f e t 因局部过热而瞬间烧坏，因此正常工作 浙江大学硕士学位论文 第二章双管伞桥逆变器电路原理分析 时因使d i ，这是双管全桥逆变器满足零电压关断的条件，也是该逆变器基本工 作原理。 按照“p 的波形将该逆变器在一个开关周期内分成四个时间段描述，如图2 3 ( b ) 所示。 甜p = 三1 = 三s i n 吃( 川1 ) 弓，= c 白老= 。c a 乩s i n 眈。一，+ 三 ：= l 一乞，= 厶+ 吧c 切s i n 吧。一，1 ) 一考 铲彘两n 卜棚+ 舟每 k = 老s i n 州驴舟每 在( t 2 t t3 ) 时间内 甜一= u 占= u j p = 0 i 、i h ：近似保持不变，因此 l l a i - = 一彘+ 铲彘+ 每 和也l - i = - 忐+ 缸m ， 铲”汪彘+ 1 2 0 _ 乜屯， ( 2 - 1 8 ) ( 2 - 1 9 ) ( 2 - 10 ) ( 2 - 1 1 ) ( 2 - 13 ) ( 2 - 1 4 ) ( 2 - 1 6 ) 由对称性分别得到( t3 t t 4 ) 和( t 4 t t 5 ) 的表达式。各节点的电压电流其波 形见图2 3 。 1 4 浙江大学硕士学位论文 第一章双管全桥逆变器电路原理分析 pf l 1f a m o s f e tt 1 的驱动电席u 9 1 八厂 、u 厂j 、 vv t r t 2 t 3t 4 t 5 一 b 感性时逆变输出电压u v | ；i ；、心vvvv 一上u l c 感性时桥臂电感电流i l a l ，i l a 2 d 感性时负载和开关管上电流j i t l i t 2 图2 3 感性负载时逆变器主要节点电压电流波形 因此由式( 2 - 1 7 ) 可得，当 ：旦1d= 二 吧 ( 2 - 1 8 ) 即m o s f e t 门极驱动脉冲关断前m o s f e t 漏源极电压u d s 降为零，因此m o s f e t 实现零电压关断。 由( 2 - 10 ) 可得，当 2 ( f = o ) = 厶+ 吧c a 巩s i n ( 一要) 啦( 2 - 2 0 ) 刀u 2 缈 j l j 即m o s f e t 开通时其电流是经二极管逆向流过m o s f e t ，因此m o s f e t 能实现零电 流，零电压开通。 因此逆变器负载为感性负载时，在满足 1 5 浙江大学硕士学位论文第二章双管全桥逆变器电路原理分析 能保证m o s f e t 零电压关断、零电流零电压开通。 2 3 占空比d 的选择 ( 2 - 2 1 ) 由上节分析可知，设( t 1 t 3 ) 时s 1 关断，s 2 导通，( t 3 t 5 ) 时s 2 关断， s 1 导通，因此由式( 2 - 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) 得 “加= 材彳一甜口= 五x u ds i n 五c o ( f m f l t t 2 一丢i n 争卅) f 3 t t 4 ( 2 - 2 2 ) 0 t 2 t t 3 ，t 4 t t 5 将右移三( 1 一d ) 可得到如图2 4 所示波形 其表达式变为： ( 四) = o o 甜善( 1 一剖，2 ( 1 + d ) 甜2 ( 3 一叫，2 ( 3 + 脚 甜2 a 五万u 。s i n l ( 。ll ( 甜- 5 仃( 1 一d ) ) 弓血b ( 甜- 5 矿( 3 一d ) ) 把用傅里叶级数表示： 剀 o 醴 - 2 ( 1 + d ) ( 2 - 72 3 ) 7 ，、 ，7 l一l 1t_ 1 , t 折= a o + 乙a ns i n ( n o x ) + 乞以c o s ( n c o t ) 7 - - 1月= 1 由g l i n 的图形可知是一个奇偶函数，因此 l ：i o = 0 吃= 0 1 6 争功 甜2 ( 3 + 删 ( 2 - 2 4 ) 生 忑一己 挚靠 一。 玲 肌 劬 浙江大学硕士学位论文第二二章双管全桥逆变器电路原理分析 口。=一1-dz(2n-1)2(s；n(三万c2行一，)sin(主刀c2聆一，)c。s(三万。c2力一，)(2-25) 其中，n = 1 ，2 ，3 燃l 瓜、 一ii 憋掰一乡7 竺，1 1 一n 、互，1 、翌，气一n 、 互几士i n 、 图2 4 逆变输出电压g i n 和其基波波形 所以的基波u m 。为： 蜘粤c o s ( 抄s i n c 刎 选择石为基准值，将、。用标幺值的形式表示出来，如图2 5 所示。 6 。= 五1 玉一1 1 4 _ - 鲁码c o s ( 1 z d ) ：矗1 与d 伽。( 三2 加)7 呜 万( 一2 ) 、 ( 2 - 2 8 ) d 图2 5u 。和u 。随d 的变化曲线 由图2 5 可以看出，d 变小，巩。、都会变大，其中玑变大的速率更快， 当d = o 5 时，m o s f e t 的电压应力是d = i 时的两倍，而。只是d - - - 1 时的1 2 倍。 1 7 浙江大学硕士学位论文第二章双管全桥逆变器电路原理分析 在m o s f e t 额定电压一定的前提下，这意味着通过降低占空比d 来增加输出电压 是不现实的。 从降低m o s f e t 电压应力角度来看d 要越接近于1 越好，但感应加热负载在 加热过程会随着温度而变化，因此考虑到留有余量，正常工作在谐振点时d 一般 取o 8 左右，即保证降低了m o s f e t 的电压应力满足m o s f e t 额定电压的需要又使 逆变器对感应加热负载有一定的适应性，保证零电压关断、零电压零电流开通的 软开关特性。 2 4 逆变器环流计算 现阶段，相对于i g b t 来说m o s f e t 的电流容量还比较小，因此m o s f e t 的电 流应力大小是逆变器设计中需要重点考虑的对象，而该拓扑一个重大缺点是 m o s f e t 的电流应力比较大，除了有功分量外，m o s f e t 的电流还有很大部分无功 分量形成环流，因此研究如何减少该逆变器桥臂间的环流是该拓扑研究的重点之 重。 由第二节分析可知，设当( t l t t 3 ) 时s 1 关断，s 2 导通，当( t 3 t 生 ( 2 3 4 ) 2 c a 其有两个虚根 1 9 浙江大学硕士学位论文第二章双管全桥逆变器电路原理分析 s 1 22 一j 【_ f r c 口 可得u 的表达式 2 z ，= p 素“s i n e l 其中u 。，矽是常数。由初始条件 可得 甜i f ：o ) 2 0 州茹”s i n b 叫 焉， 电压u 的波形是见图4 ( e ) ，其谐振频率t o 。为： l 国= 一 4 2 衰减因数f 为： t = 2 r c a 在( t l - t 2 ) 时间内 设： 一三 1 , 4 = u m e 7s i n 吧t ( 2 - 3 6 ) ( 2 - 3 9 ) ( 2 - 4 0 ) 。= 鲁= 吧c 口。s i n ( 吧f + 詈) 一吾c 口玑t s i n 吧f ( 2 - 4 2 ) ：= 厶一f c 口i = i o + 吧c 矗u e t s i n ( 吧f 一考) + ；1 。玑e t s i n 吧f ( 2 - 4 3 ) o ，：生生墅坠型4 垒0 生坐型+ 生 ( 2 - 4 4 ) 1 2 l a ( 1 + f 2 够2 )。2 ，r 二：旦尘墅生堡型旦善乓卫理坐丝塑+厶(2-451)l a 2 2 l a ( 1 + 彳2 心2 ) 1 2 、7 浙江大学硕士学位论文 第二章双管全桥逆变器电路原理分析 a m o s f e tt 1 的驱动电f r u g l b 阻性时逆变输出电压u c 阻性时桥臂电感电流i l a l ，i l a 2 图2 7 阻性负载时逆变器主要节点电压电流波形 当( t 2 - t3 ) 时 “4 = “口= u 户= 0 ( 2 4 6 ) 因此负载支路电流i = 0 ，i 、i h ：近似保持不变。 么。= 。= 一三 乏褊+ 每 么。= 。= 三号褊+ 笋 因此要想m o s f e t 满足零电压关断，则 d ：旦 1 彩 2 5 2 容性负载时逆变器的工作状态 负载为容性时，即z 己：r f l 仞c 负载支路的约束条件是： 2 l ( 2 - 4 7 ) ( 2 - 4 8 ) ( 2 - 4 9 ) 浙江大学硕士学位论文第二章双管全桥逆变器电路原理分析 “= 吉肛“尺 联立( 2 ) 可以解出u 的微分方程： 一d 3 u + g 鱼堡+ ! 尘+ ! z ，：o 。_。一。-_o一 d 矿r c c qd t 22 l n c qd t2 r c l n c n ( 2 - 5 0 ) ( 2 - 5 1 ) u 的微分方程为三阶线性微分方程，因此其分析方法与负载为感性时相同 ( t 1 t t 2 ) 时，设 u = us i n a j ( t t 1 ) ，= c 口老= 吧c 白s i n 铊c r r ，+ 考 ：= l f c 口，= 厶+ 吧白吒s i n 吃 一n ) 一善 铲彘s i n 卜哪+ 舟 k = 瓦u m i n 旷舟每 在( t 2 t t3 ) 时间内 “= u 口2u j p = 0 i 、i h ：近似保持不变，因此 = 么1 - i = - 彘+ 缸印， 如叱小彘+ 缸m ，刮幻2 2 藏+ 芎+ ) ( 2 - 5 2 ) ( 2 - 5 3 ) ( 2 - 5 4 ) ( 2 - 5 5 ) ( 2 - 5 6 ) ( 2 - 5 7 ) ( 2 - 5 8 ) ( 2 - 6 0 ) ( 2 - 6 1 ) 其中l l h ：) 为负载支路的电流，因为负载为容性，所以i 方向与( t l t 2 ) 时 相反。 五2 卫： ： 丘2 卫舭 址岫 一 一岫 浙江大学硕士学位论文 第二章双管全桥逆变器电路原理分析 由对称性分别得到( t3 t t 4 ) 和( t 4 t t 5 ) 的表达式。各节点的电压电流波形 图见图2 8 所示。由各节点电压电流表达式可以看出逆变器负载为感性和容性时 表达式近似一致，但两者的波形图对照可以发现可以看到m o s f e tt 1 的电流应力 最大值时刻不是在f = f 4 时刻，而是与负载电流，) 有关，这主要是由负载电流的 放电时间常数决