諧振型逆變器原理分析

【摘 要】本文以固態高頻感應加熱電源中的諧振型逆變器為主要研究對象，分析了經典H橋型串聯諧振逆變電路和并聯逆變電路的結構特點及工作狀態。

【關鍵詞】功率MOSFET；串聯諧振；并聯諧振

所謂“逆變”是相對整流而言的，把直流電能轉變為所需頻率的交流電能，就是逆變。逆變器的電路型式繁多，分類方法不一。如按照輸出相數，可分為單相、三相和多相；按電路結構，可分為全橋、半橋和非橋式等。

下面將具體介紹串聯諧振式電壓型逆變器和并聯諧振式電流型逆變器的拓撲結構、工作原理、諧振槽路等特征。

１．串聯諧振式電壓型逆變器結構

1.1串聯諧振式電壓型逆變器的拓撲

串聯諧振式電壓型逆變器的基本電路如圖1－1所示，以負載線圈（L和R）和功率因數補償電容器C串聯后作為逆變橋的負載，這種利用負載電路串聯諧振的原理工作的逆變器，稱為串聯諧振式電壓型逆變器。此種逆變器負載電流波形為近似正弦波。

1.2串聯諧振式電壓型逆變器的工作原理

串聯諧振逆變器的負載為串聯諧振負載，通常需電壓源供電。交替開通和關斷逆變器上的全控器件就可以在逆變器的輸出端獲得交變的方波電壓，其電壓幅值取決于逆變器的輸入端電壓值，頻率取決于器件的開關頻率。

逆變橋包括由4個功率MOSFET和與其反并聯的快速二極管組成的四個橋臂，其工作時，輪流觸發V1，3和V2，4，使負載得到高頻電流。

1.3串聯諧振式電壓型逆變器的諧振槽路分析

串聯逆變器的負載電路即為串聯諧振電路，它由電容器C、電感L和電阻R串聯組成。諧振時，串聯電路各參數關系如下：

諧振頻率 f=

諧振時等效阻抗 R=Z=R

串聯電路電流 I=I=

電感L上電壓 U=jωLI=jωL=jQU

電容器C上電壓 U=×=-jQU

特征阻抗 X=X=X=ωL=L=或 X=QR

負載有效功率 P=I R=

電容器的無功功率 Q=IU=Q=QP

電感的無功功率 Q=IU=QP

1.4串聯諧振式電壓型逆變器的特征

串聯諧振式電壓型逆變器具有如下特征：

①容易投入負載電力。它的這一特性表明，采用低壓開關器件并聯，就可構成這種系統，因而實用性強。

②負載匹配容易。在設計時，只要把匹配變壓器的漏感簡單地加進負載電感就可達到目的，設計的自由度大。

2.并聯諧振式電流型逆變器

2.1并聯諧振式電流型逆變器的拓撲結構

并聯諧振式電流型逆變器的拓撲結構如下圖2－1所示，把功率因數補償電容器C與負載線圈（L和R）并聯，基于并聯諧振原理換流的逆變器，稱為并聯逆變器。

2.2并聯諧振式電流型逆變器的工作原理

并聯諧振式電源采用的逆變器是并聯諧振逆變器，其負載為并聯諧振負載。通常需電流源供電，其電流幅值取決于逆變器的輸入端電流值，頻率取決于器件的開關頻率。

逆變器采用功率MOSFET作為功率開關器件，將輸入側直流電流或電壓轉化為負載側高頻的交流電流或電壓。逆變器的工作頻率和輸出功率決定了整個電源的頻率和功率。工作時，逆變器負載處于準諧振狀態，功率開關器件V1， V3和V2， V4輪流開通和關斷，負載側得到近似為矩形波的交流電流，其幅值為直流側濾波電感輸出電流值Id。負載兩端的電壓波形接近為正弦波。

2.3并聯諧振式電流型逆變器的諧振槽路分析

并聯逆變器的負載電路就是并聯諧振電路，諧振時的主要電氣參數如下：

諧振頻率 f=

等效阻抗 R=Z==QR

逆變器輸出電流 I=U=×

負載支路電流 I=I=QI=QI

逆變器輸出功率 P=IU=×

感應線圈的無功功率 Q=IX=IωL=(Q)QR=QP

電容器上的無功功率 Q=IX=(QI)=(Q)QR=QP

2.4串聯諧振式逆變器與并聯諧振式逆變器的比較

串聯逆變器和并聯逆變器的差別，源于它們所用的振蕩電路不同，前者是用L、R和C串聯，后者是L、R和C 并聯。

(1)串聯逆變器的負載電路對電源呈現低阻抗，要求由電壓源供電。因此，經整流和濾波的直流電源末端，必須并接大的濾波電容器。當逆變失敗時，浪涌電流大，保護困難；并聯逆變器的負載電路對電源呈現高阻抗，要求由電流源供電，需在直流電源末端串接大電抗器。但在逆變失敗時，由于電流受大電抗限制，沖擊不大，較易保護。

(2)串聯逆變器的輸入電壓恒定，輸出電壓為矩形波，輸出電流近似正弦波，換流是在功率MOSFET上電流過零之前進行，因而電壓總是超前電流－φ角，工作在小感性準諧振狀態；并聯逆變器的輸入電流恒定，輸出電壓近似正弦波，輸出電流為矩形波，換流是在諧振電容器上電壓過零之前進行，負載電流總是越前于電壓－φ角，工作在小容性準諧振狀態。

(3)串聯逆變器是恒壓源供電，為避免逆變器的上、下橋臂功率MOSFET同時導通，造成電源短路，換流時，必須保證先關斷，后開通。即應有一段時間ta使所有功率MOSFET都處于關斷狀態。此時的雜散電感，即從直流端到器件的引線電感上產生的感生電勢，可能使器件損壞，因而需要選擇合適的器件的浪涌電壓吸收電路。并聯逆變器是恒流源供電，為避免濾波電抗上產生大的感生電勢，電流必須連續。也就是說，必須保證逆變器上、下橋臂功率MOSFET在換流時，是先開通后關斷，也即在換流期間內所有的功率MOSFET都處于導通狀態。

(4)串聯逆變器的工作頻率必須高于負載電路的固有振蕩頻率，應確保有合適的ta時間，否則會導致換流失敗。并聯逆變器的工作頻率必須略高于負載電路的固有振蕩頻率，否則會導致功率MOSFET間換流時承受反向電壓過高。

(5)串聯逆變器的功率調節方式有二：改變直流電源電壓Ud或改變功率MOSFET的觸發頻率。并聯逆變器的功率調節方式，一般只能是改變直流電源電壓Ud。

(6)串聯逆變器的功率MOSFET所需承受的電壓較低，用380V電網供電時，采用1200V的功率MOSFET就行，但負載電路的全部電流，包括有功和無功分量，都需流過功率MOSFET。逆變功率MOSFET丟失脈沖，只會使振蕩停止，不會造成逆變顛覆。并聯逆變器的功率MOSFET所需承受的電壓較高，其值隨功率因數角φ增大而迅速增加。但負載本身構成振蕩電流回路，工作較穩定。

(7)串聯逆變器可以自激工作，也可以他激工作。而并聯逆變器一般只能工作在自激狀態。

(8)在串聯逆變器中，功率MOSFET的觸發脈沖不對稱，不會引入直流成分電流而影響正常運行；而在并聯逆變器中，逆變功率MOSFET的觸發脈沖不對稱，會引入直流成分電流而引起故障。

(9)串聯逆變器起動容易，適用于頻繁起動工作的場合；而并聯逆變器需附加起動電路，起動較為困難。 [科]