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高频串联谐振升压器低电流
2021-07-13

高频感应加热电源是目前工业制造领域广泛使用的一种加热装置。它本身采用串联谐振逆变器进行系统设计,并具有高效率、低功耗和清洁等多重优势,使得这种感应加热电源在最近两三年内得到了迅速普及。那么,为什么大多数工人们在开发高频感应加热电源设备时都选择使用串联谐振逆变器呢?本文将简要介绍和分析这个问题。


串联谐振


串联谐振逆变器作为高频感应加热电源设备的重要组成部分,具有损耗低、运行时工作适应性好等优点。这种逆变器在实际应用中也称为电压型逆变器,其基本结构示意图如图1所示。在实际工作过程中,串联谐振逆变器的输出电压近似为方波。由于电路工作在谐振频率附近,振荡电路对基波的阻抗最小,因此负载电流ia近似于正弦波。同时,为了避免逆变器上下臂直接连接,换向必须遵循先关后导的原则,关断之间必须留有足够的死区时间并开启。下图中的图2和图3分别为容性负载和感性负载的输出波形。


高频串联谐振升压器低电流


当串联谐振逆变器处于低端失谐状态时,其工作波形如上图2所示。从图2可以看出,电压型逆变器工作在容性负载状态时,输出电流的相位超前于电压相位,所以当负载电压仍为正时,电流先过零,和上下臂 上下臂之间的换向由上下臂的二极管变为上下臂的MOSFET。此时,由于MOSFET的寄生反并联二极管具有缓慢的反向恢复特性,换向时会产生较大的反向恢复电流,使器件产生较大的开关损耗,使二极管反向.当恢复电流迅速降为零时,与MOSFET串联的寄生电感会产生很大的感应电位,MOSFET会受到非常高的电压尖峰的影响。


完成对串联谐振逆变器容性负载工作状态的分析后,我们来看看它在感性负载状态下的工作状态。电压型逆变器工作在感性负载状态时,其工作波形如上图3所示。从图3可以看出,此时输出电流的相位滞后于电压相位。在感性负载工作状态下,电压型逆变器的换向过程如下:首先,当上下臂的MOSFET关断时,负载电流切换到逆变器的反并联二极管。下臂和上臂,以及滞后一个死区时间后,在导通脉冲等待电流自然过零后,下臂和上臂的MOSFET从二极管切换到同一臂的MOSFET。但由于MOSFET中的电流从零开始上升,此时电压型逆变器基本实现了零电流开通,其开关损耗很小。


此时需要注意的一个问题是串联谐振逆变器工作在这种条件下,MOSFET关断时自身MOSFET的电流并没有过零,所以还是会有一定的关断损耗。但由于MOSFET关断时间短,预留的死区不长,死区所需的功率因数角也不大,所以逆变器的工作频率适当控制,略高于负载电路的谐振频率可以使上下臂的MOSFET换向为上下臂的反并联二极管。在进行这种操作时,瞬时电流也很小,即在小电流下发生MOSFET关断和反并联二极管导通,这也限制了器件的关断损耗。


从以上对串联谐振逆变器的分析来看,在合理设置的前提下,这种电压型逆变器正常运行所造成的开关损耗很小。因此,它可以在更高的工作频率下工作。这也是高频感应加热电源设计中选用较多电压型逆变器的主要原因之一。

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