电压型逆变器高压串联谐振技术研究

发布日期：2017-08-10 00:00 来源：点击：

电压型逆变器高压串联谐振技术研究

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AC／DC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，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。

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（α=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。

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