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串联谐振单相全桥逆变器常用的控制方法
2021-07-22

讨论了几种常用串联谐振单相全桥逆变器的功率和频率控制方法,比较了各种方法的优缺点,深入讨论了脉宽和频率调制方法。


随着自关断电力电子器件的发展,串联谐振逆变电路得到越来越多的应用。适用于串联谐振逆变电路的各种控制方法不断出现。本文讨论了常用的幅度调制控制和脉冲频率调制。对脉冲密度调制和谐振脉宽调制等控制方法进行了讨论和比较,特别是对脉宽调制和频率调制的控制方法进行了详细的分析。


串联谐振逆变器的基本结构


串联谐振逆变器的基本原理图包括直流电压源、由开关S1~S4组成的逆变桥和由R、L、C组成的串联谐振负载。开关S1~S4可选择IGBT、SIT、MOSFET 、SITH等具有自关断能力的功率半导体器件,逆变器为单相全桥电路,其控制方式是同一桥臂的两个开关管的驱动信号互补,两个对角线开关同时开启和关闭。


串联谐振


串联谐振逆变器的控制方法


1. 调幅控制(PAM)方法


调幅控制方法是通过调节直流电压源输出(逆变器输入)电压Ud(移相稳压电路或斩波稳压电路加电感、电容组成的滤波电路)来调节输出功率。目的是通过输入电压来调节逆变器的输出功率,锁相环(PLL)完成电流和电压之间的相位控制,保证更大的功率因数输出。


这种方法的优点是控制简单,易于实现,缺点是电路结构复杂,体积大。


2.脉冲频率调制(PFM)法


脉冲频率调制法是通过改变逆变器的工作频率来改变负载的输出阻抗,以达到调节输出功率的目的。

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图3、图4、图5中,为避免桥臂贯通,S1、S4、S2、S3管应遵循先关后开的原则。 S1、S4、S2 和 S3 的栅极触发脉冲应具有死区时间。由于本文重点介绍控制方式,图中未显示。


从串联谐振负载的阻抗特性可以看出,串联谐振负载的阻抗随逆变器的工作频率(f)而变化。对于恒定的输出电压,当工作频率与负载谐振频率的偏差越大时,输出阻抗越高,输出功率越小,反之亦然。脉冲频率调制方式的主要缺点是在功率调节过程中工作频率不断变化,导致趋肤深度相应变化。在表面淬火等一些应用中,趋肤深度的变化会对热处理效果产生较大的影响,这在要求苛刻的应用中是不允许的,但由于脉冲频率调制方法实施起来非常简单,因此可以考虑在以下情况下使用它:


1)如果负载对工作频率范围没有严格限制,此时必须跟踪频率,但相位差可以存在而不处于谐振工作状态,

2)如果负载Q值高,或者功率调节范围不是很大,较小的频偏就可以满足功率调节要求。



3.脉冲密度调制(PDM)方法


脉冲密度调制方法是通过控制脉冲密度来控制输出功率,实际上就是控制向负载馈送能量的时间。控制原理如图2所示。


这种控制方法的基本思想是:假设共有N个功率调节单元,其中逆变器向负载输出功率;其余NM单元逆变器停止工作,负载能量以自然振荡的形式逐渐衰减,输出脉冲密度为M/N。这样,输出功率与脉冲密度有关。因此,可以通过改变脉冲密度来改变输出功率。


脉冲密度调制方式的主要优点是:输出频率基本不变,开关损耗较小,易于实现数字控制,更适合开环工作。


脉冲密度调制方式的主要缺点是:逆变器输出功率的频率不完全等于负载的自然谐振频率。在需要功率闭环的情况下,工作稳定性较差,因为每次恢复到输出的自然衰减振荡状态时,工作频率必须重新锁定在功率状态。此时,系统可能会失控。因此,在功率闭环或温度闭环中,工作的稳定性不好。另一个缺点是功率调节特性不理想,功率调节方式是阶梯式的。 ,


4.谐振脉宽调制(PWM)方式


图3中谐振脉宽调制是通过改变两对开关管的驱动信号之间的相位差来改变输出电压值,达到调节功率的目的,即使原来的二桥臂开关在控制电路中的同相。 (S1,S2)和(S3,S4)的驱动信号相角交错,使输出正负交流电压之间插入一个零电压值,从而使输出电压的有效值通过改变相位角而改变。最终达到调节输出功率的目的,
这种控制方式的优点是电源始终工作在谐振状态,功率因数高,但存在反并联二极管的反向恢复问题、小负载问题、软开关实现问题。


脉宽加频率调制方式


鉴于上述控制方法的优缺点,一些复合控制方法的研究越来越受到重视。脉宽加频率调制方法是一种较好的控制方法。
在一般逆变器中,常用的移相PWM方式的工作频率是固定的,无需考虑不同工作频率下负载的特性。串联谐振感应加热电源采用移相PWM方式时,要求其工作频率必须始终跟踪负载的谐振频率。通常,一个桥臂的驱动脉冲信号的相位与输出电流的相位一致,而另一桥臂的驱动脉冲信号和输出电流的相位是可以调节的,如图4和在图5中,S1和S4驱动信号互补,S2和S3驱动脉冲信号互补,S1驱动信号的相位与负载电流的相位保持相同,驱动脉冲之间的相位差β S3和S1的驱动脉冲信号为0 可以在°~180°范围内调节,调节β可以调节输出电压的占空比,即可以调节输出功率。
根据输出电压和输出电流的相位关系不同,PWM的调节方式有上频PWM和下频PWM两种。


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1. 上频


图4中,为保证滞后臂(S1,S4)的触发信号前沿与电流信号同相,角频率必须根据相移角β的大小而改变,即,在通过调整相移角β来调整功率的同时改变频率f。在β调整过程中,在增加输出脉宽的同时,输出电压相对于输出电流的相位会继续减小并滞后于输出电流,说明输出频率也在增加,因此这种调制方式为称为上频PWM。此时,S1和S4管分别开启180°,ZCS已经实现。前臂S2和S3在大电流下导通,D2和D3在大电流下关断,所以有反向恢复。 ZCS 也可以通过在 S2 和 S3 臂上串联电感来实现。这种方法适用于尾电流和关断损耗占主导地位的双极器件,如IGBT、SIT、MCT等,同时要注意减少电路布局,分布电感,减少引起的电压尖峰通过二极管的反向恢复,


输出功率为P=cos4


2. 频率降低


在图5中,当调节β增大输出脉冲宽度时,会导致输出电压相对于输出电流的相位不断减小,从而使相位差减小。这表明输出频率在不断降低,因此这种方法称为降频PWM。


这样,二极管D2和D3在过零时自然关断,D1和D4不导通。没有二极管反向恢复引起的问题。 S1和S4在零电流(ZCS)下开关,S2和S3在大电流下关断,S2和S3并联电容可以实现ZVS。这种方法适用于高频电源和反向恢复问题比较严重的内置反并联二极管,如MOSFET,可以避免二极管反向恢复引起的电流尖峰和增加器件损耗,


为保证前臂触发信号的前沿与电流信号同相,角频率为ω0=


输出功率为P=cos4


从上面的分析可以看出,无论是上频PWM还是下频PWM,两者都有一个共同的特点,就是在调整输出电压脉宽的同时,也改变了工作频率负载,因此称为脉宽加频率调制方法,


结束语


本文更详细地讨论了常用串联谐振单相全桥逆变器的功率和频率控制方法,以及各种方法的优缺点。同时对脉宽调频方法进行了深入探讨。可根据负载的不同要求和不同的应用,采用不同的控制方式,

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