新型零電流開關高頻諧振逆變器的設計

張業茂

(東北電力大學電氣工程學院，吉林吉林132012)

汽車尾氣排出的有害物質(Particulate Matter，以下簡稱PM)已經成為肺癌和過敏癥狀的主要原因，汽車或船用柴油發動機的尾氣排放控制已經迫在眉捷。能夠減少有害物質排放的方法之一就是以高頻感應加熱裝置為核心的PM燃燒系統，柴油發動機排放的PM通過有感應加熱裝置的金屬過濾器，會立即減少。在高頻感應加熱電源應用過程中存在開關損耗等問題，軟開關技術，如ZCS(零電流開關)和ZVS(零電壓開關)能夠解決這些問題［1］。

軟開關技術是使功率變換器得以高頻化的重要技術之一，當電流自然過零時，使器件關斷(或電壓為零時，使器件開通)，從而減少開關損耗。文獻［2］利用對比法對功率損耗及效率進行了詳細分析，但其數學模型還有待優化;文獻［3］介紹了移相全橋軟開關電路的組成及其優點，但并沒有做仔細的理論分析;文獻［4］總結、歸納了控制型軟開關的5個特征，但沒有提出一個具體有效的軟開關電路。本文提出了一種新的ZCS高頻諧振逆變電路，將ZCS特性用常規參數進行了數值分析，并通過實驗進行了驗證。

1 新型ZCS高頻逆變器

目前，電流型和電壓型逆變器已廣泛用于感應加熱電源，它們有各自的優缺點。傳統電流型并聯諧振逆變器如圖1所示，這種電路的優點是短路電流容易控制，短路及直通保護比較容易，然而一個電流型逆變器需要匹配一個大的直流電抗器Ld，此外由于逆變回路中的電流變化率較高，在電路中會引起較高的雜散電感和浪涌電壓。

傳統的電壓串聯諧振逆變器如圖2所示，其逆變回路中的電流變化率相比電流型較低且近似正弦波，它的缺點是短路保護比較困難，所以為了防止短路，需要嚴格控制死區時間。

圖1 傳統電流型并聯諧振逆變器Fig.1 Traditional current－mode parallel resonant inverter

圖2 傳統的電壓串聯諧振逆變器Fig.2 Traditional voltage series resonant inverter

在這種條件下，開發了采用Ld(Ld/Lo＜1)系列的串聯諧振零電流輸入型高頻逆變器，如圖3所示。

圖3 Ld串聯諧振零電流輸入型高頻逆變器Fig.3 Ldseries resonant zero current input high frequency inverter

在這種逆變器中，通過使用IGBT模塊的幾個開關元件和電路中其他元件可實現穩定的ZCS操作。但是由于負載和直流電源的突然變化，開關電流被強制關閉，這時需要一個能量守恒的電路來吸收這些多余的能量。

考慮到這幾點，本文提出一種新型的零電流開關高頻逆變器，如圖4所示。在這種逆變器中，沒有連接直流電抗器，雜散電感被控制在Ld的直流支路中，線路損耗和浪涌電壓被抑制在電源處。此外，本電路的諧振品質因數也會較為平穩，因此在ZCS穩定工作時，即使開關應力有較大的變化，串聯和并聯的諧振也可以正常工作。

圖4 新型ZCS串聯諧振逆變器Fig.4 Model ZCS series resonant high frequency inverter

2 ZCS工作原理

圖5為逆變器的開關操作模式，可分為以下7種模式:

模式1:S1－S2單導通模式。

模式2:D1－D2單導通模式。

模式3:D1－D2，S3－S4雙導通模式。

模式4:S3－S4單導通模式。

模式5:D3－D4單導通模式。

模式6:D3－D4，S1－S2雙導通模式。

模式7:關閉模式。

圖5 開關模式Fig.5 Switching operation mode

在ZCS工作過程中，每種模式下開關狀態的波形如圖6所示。

圖6 開關波形Fig.6 Switching wave form

由圖4可知

因為此時的id和is流過電感和電抗器，這些電流在瞬間不會跳變，所以電流具有連續性。

3 數值分析

對于高頻感應加熱系統的電路設計和穩定運行，區分零電流開關和非零電流開關時的負載條件和導通頻率非常重要。對所提出的高頻電源的數值分析采用標準化參數，并據圖5所示的開關模式，列出每個開關操作模式下的歸一化狀態方程。

歸一化參數的標準值為:頻率μ=2πf0L=L0;負載電阻 λ= R/，C=C0;電抗 α =Ld/L，β =Ls/L，R=R0;電容 p=Cp/C。

歸一化參數的參考值為:電壓E=Ed;電流I=功率 P=EI;阻抗 Z=周期 T=1/f0，f0為輸出頻率。

狀態變量為:電壓 U*(Z)=U(t)/E，電流I*(Z)=I(t)/E，功率=P0/P，周期 Z=t/T=f0·t。

恒值為:K1=2π/u，K2=1/(α + β)，K3=1/α，K4= π/u，K5=1/β，K6=1/P。

模式a:dX/dz=K1(A1X+B1)

模式b:dX/dz=K1(A2X+B2)

模式c:dX/dz=K1(A3X+B3)

模式d:dX/dz=K1(A4X+B4)

模式e:dX/dz=K1(A5X+B5)

模式f:dX/dz=K1(A6X+B6)

模式g:dX/dz=K1(A6X+B6)

每一個歸一化狀態方程數值分析都使用了四階Runge－Kutta方法。其中:

4 ZCS的特征值分析

諧振逆變器的α、β和P的變化會影響ZCS的工作區域和特征。開關應力作為Usmax最大的開關電壓對輸出功率P0和輸出頻率f0進行了分析，然后，在ZCS作用區域對每個特征值的分布進行了研究，如實際功率因數 cosθ、視在功率因數 cosθ′、Ismax、Usmax和 P0。

在直流分支中的雜散電感值較小時，將α的值設為0.05，β的值影響ZCS作用區域和開關應力，當β值變大時，即使ZCS的作用區域變小，開關電流的最大值以及電壓應力也會因為功率因數的提高而降低。

P值對每個特征值的影響主要體現在輸出功率上，P值變大會增加輸出功率，然而P值變大將會縮小ZCS作用區域，從這些方面考慮，電路中選擇的參數為 α=0.05、β=0.8、P=0.2，此時 ZCS的作用區域廣、開關應力低。在μ－λ界面中，ZCS的作用區域如圖7所示。

圖7 ZCS作用區域Fig.7 ZCS operation region

通過諧振，ZCS作用區域出現了μ值較高和μ值較低的兩個區域，因此，該電路可以在兩個頻帶上進行切換。此時使用的是ZCS作用區域中u值較高的部分。

在L0－R0輸出端實時的功率因數cosθ和在儲能電路中的視在功率因數cosθ＇的分布如圖8、圖9所示。從圖8、圖9可以發現，在改進的儲能電路中，視在功率因數比實時功率因數要高，即減小或抑制了開關應用力。

圖8 實時功率分布Fig.8 Distribution of real power factor

圖9 視在功率分布Fig.9 Distribution of apparent power factor

圖10 分布Fig.10 Distribution of

圖11 分布Fig.11 Distribution of

圖12 分布Fig.12 Distribution of

5 實驗結果

在數值分析的基礎上，設計一款1.2 kW，22 kHz的高頻感應加熱電源，其中的一些參數如下:

輸出功率為1.2 kW;輸入電壓為0～300 V;加熱溫度為0～617℃;工作頻率為22 kHz;歸一化參數為 μ =2.7，λ =0.6，α =0.05，β =0.8，p=0.2;電路參數為 R0=3.5 ～4.5 Ω，L0=100 μH，Ls=80 μH，C0=4.0 μF，Cp=0.8 μF，IGBT 為 IKW40N120T(600 V/50 A)。

實驗波形和理論結果的比較如圖13所示。從圖13可以看到，實驗波形與數值分析波形吻合較好，由此可以證明，在ZCS穩定運行時，尖峰電壓和浪涌電流受到抑制，而且開關損耗較小。

6 結語

圖13 實驗波形Fig.13 Experimental wave forms

針對全橋諧振逆變器工作中存在的開關損耗的問題，設計了一種新型的零電流開關高頻逆變器電路，并將其應用于電流反饋型并聯諧振感應加熱電源中，對實際功率因數 cosθ、視在功率因數 cosθ′、開關電流Ismax、開關電壓Usmax和輸出功率P0進行了系統的分析。設計了一款1.2 kW，22 kHz的實驗樣機，通過實際運行與理論結果的比較驗證了電路的正確性。此外，通過抑制開關電流/電壓應力提高了功率因數。

［1］ 阮新波，嚴仰光.直流開關電源的軟開關技術［M］.北京:科學出版社，2000.YUAN Xinbo，YAN Yangguang.Soft switching of dc switching power supply［M］.Beijing:Science Press，2000.

［2］ 明正峰，倪光正，鐘彥儒.軟開關技術三相PWM逆變器及效率的分析研究［J］.電工技術學報，2003，18(4):30－34.MING Zhengfeng，NI Guangzheng，ZHONG Yanru.Analysis and study of soft－ switched inverter and its efficiency［J］.Transactions of China Electrotechnical Society，2003，18(4):30 －34.

［3］ 張瑞萍，曹亮，呂珂.基于軟開關技術移相全橋變換器的仿真分析［J］.電子測試，2010(5):69－72.ZHANG Ruiping，CAO Liang，LYU Ke.Simulation analysis of phase－shifted full－bridge converter based soft－switch technology［J］.Electronic Test，2010(5):69 －72.

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