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串联谐振逆变器输入是恒定电压
2021-07-09

串联谐振逆变器的基本原理图如图1所示。它包括一个直流电压源,一个由开关S1~S4组成的逆变桥,以及一个由R、L、C组成的串联谐振负载。其中,开关S1~S4可选用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,两个对角开关同时导通和关断。


串联谐振逆变器输入是恒定电压


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。即逆变器的输出功率由输入电压调节,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。


串联谐振


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。


从串联谐振负载的阻抗特性


串联谐振逆变器输入是恒定电压


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,因此输出功率越小,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。在某些应用中,如表面淬火,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式实现起来非常简单,在以下几种情况下可以考虑:


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谐振。


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。其控制原理如图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M个功率调节单元中的逆变器向负载输出功率;并且逆变器在剩余的 N-M 单元中停止工作。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,因此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固有谐振频率,在需要功率闭环的情况下工作稳定性差。由于每次自然衰减振荡状态恢复到输出功率状态时,必须重新锁定工作频率,此时系统可能会失控。因此,在功率闭环或温度闭环的情况下,工作的稳定性不好。另一个缺点是功率调节特性不理想,呈阶梯式功率调节方式。


4.谐振脉宽调制(PWM)方式


在图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,达到功率调节的目的。即在控制电路中,将原本同相的两个桥臂开关(S1,S2)和(S3,S4)的驱动信号错开一个相角,从而在两个桥臂开关之间插入一个零电压值。输出正负交流电压。这样,只要改变相角,就可以改变输出电压的有效值,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。


5、脉宽加调频法


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关注,脉宽加频率调制方法是一种较好的控制方法。


在一般的逆变器中,常用的移相PWM方式的工作频率是固定的,不需要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,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,而另一个桥臂的驱动脉冲信号和输出电流的相位是可以调整的。图4和图5中,S1和S4驱动信号互补,S2和S3驱动脉冲信号互补,S1驱动信号相位与负载电流相位保持一致,S3驱动脉冲信号相位差S1β的驱动脉冲信号在0~180°范围内可调。调节β可以调节输出电压的占空比,即调节输出功率。


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。


5.1 上变频


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变化。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。同时在电路布局上要注意减小分布电感,以减少二极管反向恢复引起的电压尖峰。


5.2 降频


在图5中,当调节β增大输出脉宽时,会导致输出电压相对于输出电流的相位继续减小,使相位差减小,说明输出频率在不断减小,所以这种方法称为降频PWM。


这样二极管D2和D3在过零时自然关断,D1和D4不导通,不存在二极管反向恢复引起的问题。 S1 和 S4 在零电流 (ZCS) 下切换,S2 和 S3 在高电流下关闭。 ZVS 可以通过在 S2 和 S3 上并联电容器来实现。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的器件,如MOSFET。它可以避免二极管反向恢复引起的电流尖峰和增加的器件损耗。


是为了保证前臂触发信号的前沿与电流信号同相。


从上面的分析可以看出,无论是上频PWM还是下频PWM,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。加载。所以称为脉宽加频率调制法。

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