电压型逆变器高压串联谐振技术研究

1、电压型逆变器高压串联谐振技术研究 摘要：介绍了高压串联谐振技术的原理与应用，分析了利用4046锁相控制逆变器的结构和启动电路，同时对高压变压器寄生漏感与负载串联谐振原理作了介绍。15kVA样机测试结果表明，用该方法可以得到满意的输出波形，实现高功率因素。关键词：高频高压；串联谐振；锁相环图1系统结构1引言 串联谐振技术应用在感应加热、逆变焊机等高频逆变器中，能实现主开关管的ZCS或ZVS，有效提高功率因素，实现大功率输出。本文介绍一种高频高压串联谐振技术，它将三相市电经整流与逆变后输出中压方波，升压变压器将逆变器的输出提升到一定电压再利用变压器的漏感与负载串联谐振，达到所要求的负载电压。此技术

2、应用前景广阔，在臭氧发生器、材料表面处理及污水净化中都有应用。2系统结构及工作原理图1给出了高压串联谐振电源系统框图。本电源是为材料表面处理设备研制的。它包括：三相ACDC变换器、电压型半桥串联谐振逆变器、超音频升压变压器和负载。超音频变压器用于负载阻抗匹配，逆变器选用IGBT模块，工作频率约为20kHz。系统工作时，呈现小感性，为零电流导通。对于感性负载，在一个工作周期中，功率器件导通的顺序是二极管在先，IGBT在后，这就保证了IGBT在零电流条件下导通（ZCSON），导通后电流上升速度受到谐振电路的限制，因此，IGBT的开通损耗很小。另外如图2所示，IGBT的吸收电容Cr1和Cr2的接入，

3、限制了IGBT关断时的电压上升率，减小了关断损耗。利用负载谐振的RLC串联谐振电路其谐振频率为fo=（1）逆变器主电路与阻抗特性如图2所示。逆变器输出的是高频方波，变压器的漏感与容性负载谐振，电流波形接近理想正弦波。对于如图2所示的谐振式电路，品质因素Q=（2）()(a)逆变器主电路(b)阻抗特性图2RLC串联谐振图3逆变控制框图图4边沿鉴相|UL|=|UC|=QUo（3）升压变压器输出的电压是谐振后的电压，达到1030kV，负载发生放电现象，用于产生臭氧或处理材料。3控制电路用于调节输出功率的方法有可控整流调压调功、斩波调功、移相调功或PWM调功。本文设计的电源采用三相相控整流技术，通过相控

4、整流实现输出功率的调节。虽然此种方法在深控下有输出功率因数低的缺点，但其控制方法成熟，可靠性高，对于绝大部分工作在满功率输出（=0）情况下，不失为一种较好的选择。逆变器为半桥式电路，这是由于全桥逆变电路中输出电压中含有直流分量，在设计高频高压升压器时要考虑到直流磁通可能导致磁通饱和的问题，同时会增加磁芯损耗，增大变压器设计难度。虽然可以在输出中串联隔直电容避免这个问题，但增加了成本和复杂性。逆变控制框图如图3所示。负载等效为一个非线性有损电容，在大功率输出情况下负载工作在谐振点附近，由实验结果来看，负载在放电火花增强过程中谐振频率下降，从未开始放电的30kHz左右下降到15kHz。如果不采用频

5、率跟踪，无法满足大功率输出。逆变控制电路中使用了CD4046锁相环，电流相位由互感器测得，经单稳电路（抗干扰）后与直接取自控制电路输出的电压信号作边沿鉴相。4046内部有两个鉴相器，第一鉴相器是异或门鉴相器，它只能对两个占空比为0.5的方波进行鉴相，而且鉴相特性不是单调的曲线，工作时必须把某一个信号先移相90°后才能正常工作。因此采用了边沿鉴相，它可以不考虑脉冲的宽度，只关心脉冲上升沿，如图4所示，最终使信号1、2的脉冲前沿时间差为零。锁相环一个明显的缺点是启动的时候失锁率比较高，因此，逆变控制采用他自激转换工作方式。正常运行时为自激工作，电流相位信号取自电流互感器，经过零比较和单稳

6、电路，送至4046。电压相位信号直接取自二分频器的输出，如图3所示。经锁相环和分频器后，形成两组与正负半波对应的方波。该方波经死区形成和驱动器产生IGBT的驱动信号。死区环节的作用在于防止逆变器上、下桥臂同时导通。启动时，取他激频率调节电位器上的电压直接作为4046内部压控振荡的控制信号，进行他激启动。当输出电流达到一定值后，比较器输出信号跳变，使电子开关动作，切断振荡器信号；同时将电流信号和电压信号送4046内部鉴相器，使系统进入自激运行状态。电压信号在进入锁相环之前，经过时滞补偿，目的在于补偿脉冲传输过程中的时间滞后。 电压型逆变器高压串联谐振技术研究4负载匹配应用于高压的负载如臭氧发生器

7、等，也等效为一个非线性有损电容。变压器即传递能量，又是谐振电路中的电感部分。高频高压变压器的设计是整个装置中的关键部分，变压器漏感必须与负载匹配，使它们工作在20kHz左右的频率，因为这直接影响到负载的工作状态。针对不同的负载，变压器的漏感都要重新设计。而在某些特殊的场合，为使负载匹配，得改变变压器的绕法，由此来改变它的漏感值。磁芯结构有E型、口字型、专为耐高压而设计的锥型及多个磁芯组成星型相连的模式等。原、副边的绕法也不尽相同，有原、副边分绕两边或同绕一个柱上等。漏感的大小是一个难以精确计算的值，不仅与磁芯的结构，原、副边的匝数、绕法有关，还与层间绝缘厚度、气隙均匀性及工艺有关。在绕好后可以

8、用电感测试仪直接测得，对于同一种绕法，其漏感的大小不会发生很大的变化。在负载频率要求不是十分精确的情况下，这种设计方法是可行的。但如果测得的漏感与负载要求的谐振电感量大小差别很大，只能改变其绕法。一个常用的有效办法就是改变原、副边的匝数来改变漏感量。本文设计的升压变压器是E型磁芯结构。由于完全利用变压器漏感与负载谐振，变压器输出电压就是谐振电压，将达到1030kV，在品质因素较高的情况下，变压器的变比可以相对减小。高压绝缘是一个特别需要重视的问题。为此变压器采用油浸式，即使如此，在实验中还是多次发生原、副边击穿现象，为此我们改进了绕法，加大原、副边间距，同时使用了耐高压的绝缘材料将原副边隔离。

9、如果由于漏感过小，可在原边或副边串联电感来使负载匹配。此时会产生另外一个问题是输出电流出现较大的畸变，发现叠加了3次、5次等低次谐波，其原因是由串联电感中的分布电容引起的，整个负载有两个靠得较近的谐振频率。同时这种电路会使变压器增加额外的电压应力。 完全利用漏感谐振的另一个注意点就是变压器的损耗问题，在大功率输出的情况下，变压器的散热条件得充分考虑。5实验结果15kVA样机经过测试，功率因数接近0.9。输出电压电流波形如图5所示，其中电压为50V/div，电流25A/div。从波形图可以看出，电压电流波形接近理想，其中电流峰值附近的毛刺是高压放电所引起的。IGBT基本为零电流导通，电流稍稍滞后

10、电压一定角度，负载呈小感性，即系统工作频率稍稍大于负载的自然振荡频率，其目的是使反并二极管零电流自然关断，从而减小逆变器反并二极管的反向恢复特性所造成的影响。 6结论功率逆变电路通常采用谐振和调制两种方式，对于高频功率逆变，调制方式由于受到功率开关器件的限制和一定调制比的要求，已不再适用。本文所分析的利用变压器漏感实现的高压串联谐振电路，输出波形畸变小，功率因数高，输出电路简单，无须外加补偿电感或电容。高压串联谐振技术应用范围较广，有待进一步深入研究。基于单片机控制的带锁相环三路智能同步采集卡设计    摘要：介绍了一种自行设计的以87C196嵌入式单片机为控制器

11、核心并带有锁相环的智能同步采集卡，并较为详细地阐述了其设计思想和设计过程。    关键词：单片机  智能化  锁相环  同步采集  倍频器    电力系统是数据采集系统的主要应用领域之一，随着电力系统进一步朝着“大电网、大容量、大机组”的方向发展，发、输、配电过程要求高度自动化已成为不可逆转的趋势。因此，其对应的“发、输、配”环节对相应的自动装置、继电保护装置、故障检测及诊断装置等性能提出了更新更高的要求。而数据采集子（卡）系统作为这些装置的“排头兵”，其性能直接影响着这些装置的整体性能，同时也

12、在一定程度上影响着整个电力系统运行的“稳定性、安全性”。电力系统中被测参数的特点：）大都是周期性电量；）实时性变量；）同步性变量主要指对称三相电压、电流等；）变化快、随机性强主要是指一些干扰性及故障性信号（如：电力传输线上浪涌电流、尖峰电压等），同时现场干扰信号多而复杂。因此，对数据采集子系统不仅要求结构上应进一步小型化、灵活化、专用和通用的有机结合以适应不同现场信号采集的需要，还要求其应逐步实现“数字化、智能化、自动化”以满足采集系统实现“高精度、高速度、高可靠性、多功能、多参数测量”等高性能采集和处理的要求。基于上述要求和目标，结合电力系统继电保护装置特点，作者在“三路同步采集卡”设计过程

13、中，在系统结构和采集技术上作了大胆的探索和尝试：在系统结构上采用了性价比较为合理的“串并行结构”充分利用单片机体积小、结构简单、现场适应能力强的优点以及其丰富的硬、软件资源及卓越的性能优势，使其实现了系统结构“微型、灵活”及测试过程自动化的要求；而在采集技术上依据被采信号的特点（三路频率相同）引入了锁相环技术实现了对采集信号频率的自动跟踪和系统采集速率的自动变换等；同时采用了软件实现抗干扰的方式“数字滤波和设置陷阱技术”，从而提高了系统的抗干扰性能。通过测试表明：该“智能采集卡”满足了设计指标的要求，性能稳定且可靠。 系统结构及原理.1 系统结构图    根据系统

14、设计指标及现场测试的需要，本系统采用串并行结构（见图），同时考虑到远程传输和数据处理的需要，本采集卡利用单片机的串行通讯口并配以相应接口可直接挂接到系统总线上以实现与上位机的实时通讯。.2 系统基本原理    与通常的数据采集系统相比，该系统中引入了锁相环技术以实现三路信号的同步采集和采集速率的自动调节；另通过多路开关的有机组合在实现三路分时转换的同时也实现了双极性转换器量程的自动转换，从而提高了系统的灵活性和适应能力。.1 锁相环技术    锁相环技术也称自动相位控制技术，于世纪年代发展起来，现已广泛应用于通信、电子、测控等领域，其

15、结构组成见图，主要由相位比较器（亦称鉴相器），低通滤波器（），压控振荡器（）组成。    其基本原理如下：将（）与（）的相位进行比较，产生一个与二者相位差成正比的误差电压（），（）再经由滤波（滤除高频分量），得到控制电压（），并加到的控制端使振荡器输出频率向靠拢，直至，即，从而实现（）、（）两信号的频率相同而相位差保持恒定（同步），即实现频率自动跟踪和相位锁定。. 集成锁相环    锁相环技术尽管出现于世纪年代，但由于组成锁相环的是一些分离元件，因此使其成本高且性能低；同时由于其它一些技术等因素的影响，极大地限制了其大范围的应用（早期

16、主要应用于电视接收机的行扫描电路和供色度信号解调的副载波振荡电路等），直到世纪年代初期，随着微电子技术及相关技术的快速发展，使得制作低成本、高性能集成锁相环电路芯片得以实现。现在，锁相环技术得到了快速发展，如今已广泛应用于工业、通信等领域。作为目前国内外最具代表性也是最常见的集成锁相环芯片，由于其集成度高、性价比高、多功能、易组合等优点而得到了广泛使用，其管角排列及逻辑图见图。    从图可知：的输出可以经由一除法器进行分频后，再送至相位比较器，并进而与进行相位比较，最后使，二者的相位差恒定，从而实现锁相。由于，可推得：，由此表明：尽管从局部看使用除法器完成的是分

17、频，但就锁相环整体而言却是实现倍频。本文作者正是利用的这一特性并配以三片可编程计数器芯片构成倍频器（见图），从而实现三路信号在一个周波内完成点同步采集。 系统设计.1 硬件设计    结合上述图所示的系统硬件结构组成框图及测试性能要求，本系统选用当前较为流行的集成度较高的嵌入式位单片机作为主控器（并扩展了一片），转换器采用性价比较高且内含由三态缓冲器和锁存器的位集成芯片通过三片采样保持器新片以及多路转换开关和的有机组合实现三路信号的同步采集以及分时转换和量程的自动改变倍频器由集成锁相环芯片和整型放大器及三片可编程计数器组成；另外在通讯接口的设计上选用了当前较为流行

18、的串行通信接口。其硬件接线结构图见图。.2 分频器设计    根据系统要求（在一个周期内完成三路共点采集），本系统选用了锁相环芯片和三片可编程计数器芯片（），其中三片按图所示接线图连接。图中个位所示计数器芯片的输入端（端）接从第三路取样后经放大器放大、滤波、整形后的输出信号而其输出接的端。总的分频系数，因此，只需给三片计数器置以相应的计数值便可实现相应的分频系数。本系统要求，根据接线图可以分别向百位十位个位置计数值、（即通过单片机向其数据输入端送二进制、）便可实现倍的分频，而对于整个锁相环来说则实现了倍频。.3 软件设计    系统软件部分主要是系统主程序、采集子程序、通讯子程序和数字滤波子程序等设计，其中采集子程序作为中断子程序存在；数字滤波采用递推中值算法；所有程序采用语言编写。数据采集技术作为一门基础性和综合性相