電壓型逆變器高壓串聯(lián)諧振技術研究

發(fā)布時間:2007/8/23 0:00:00 訪問次數(shù):480

摘要：介紹了高壓串聯(lián)諧振技術的原理與應用，分析了利用4046鎖相控制逆變器的結(jié)構(gòu)和啟動電路，同時對高壓變壓器寄生漏感與負載串聯(lián)諧振原理作了介紹。15kVA樣機測試結(jié)果表明，用該方法可以得到滿意的輸出波形，實現(xiàn)高功率因素。

關鍵詞：高頻高壓；串聯(lián)諧振；鎖相環(huán)

圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1引言

串聯(lián)諧振技術應用在感應加熱、逆變焊機等高頻逆變器中，能實現(xiàn)主開關管的ZCS或ZVS，有效提高功率因素，實現(xiàn)大功率輸出。本文介紹一種高頻高壓串聯(lián)諧振技術，它將三相市電經(jīng)整流與逆變后輸出中壓方波，升壓變壓器將逆變器的輸出提升到一定電壓再利用變壓器的漏感與負載串聯(lián)諧振，達到所要求的負載電壓。此技術應用前景廣闊，在臭氧發(fā)生器、材料表面處理及污水凈化中都有應用。

2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

圖1給出了高壓串聯(lián)諧振電源系統(tǒng)框圖。本電源是為材料表面處理設備研制的。它包括：三相AC／DC變換器、電壓型半橋串聯(lián)諧振逆變器、超音頻升壓變壓器和負載。超音頻變壓器用于負載阻抗匹配，逆變器選用IGBT模塊，工作頻率約為20kHz。系統(tǒng)工作時，呈現(xiàn)小感性，為零電流導通。對于感性負載，在一個工作周期中，功率器件導通的順序是二極管在先，IGBT在后，這就保證了IGBT在零電流條件下導通（ZCSON），導通后電流上升速度受到諧振電路的限制，因此，IGBT的開通損耗很小。另外如圖2所示，IGBT的吸收電容Cr1和Cr2的接入，限制了IGBT關斷時的電壓上升率，減小了關斷損耗。

利用負載諧振的RLC串聯(lián)諧振電路其諧振頻率為fo=（1）

逆變器主電路與阻抗特性如圖2所示。逆變器輸出的是高頻方波，變壓器的漏感與容性負載諧振，電流波形接近理想正弦波。

對于如圖2所示的諧振式電路，品質(zhì)因素Q=（2）

()

(a)逆變器主電路

(b)阻抗特性

圖2RLC串聯(lián)諧振

圖3逆變控制框圖

4邊沿鑒相

|UL|=|UC|=QUo（3）

升壓變壓器輸出的電壓是諧振后的電壓，達到10～30kV，負載發(fā)生放電現(xiàn)象，用于產(chǎn)生臭氧或處理材料。

3控制電路

用于調(diào)節(jié)輸出功率的方法有可控整流調(diào)壓調(diào)功、斬波調(diào)功、移相調(diào)功或PWM調(diào)功。本文設計的電源采用三相相控整流技術，通過相控整流實現(xiàn)輸出功率的調(diào)節(jié)。雖然此種方法在深控下有輸出功率因數(shù)低的缺點，但其控制方法成熟，可靠性高，對于絕大部分工作在滿功率輸出（α=0）情況下，不失為一種較好的選擇。逆變器為半橋式電路，這是由于全橋逆變電路中輸出電壓中含有直流分量，在設計高頻高壓升壓器時要考慮到直流磁通可能導致磁通飽和的問題，同時會增加磁芯損耗，增大變壓器設計難度。雖然可以在輸出中串聯(lián)隔直電容避免這個問題，但增加了成本和復雜性。

逆變控制框圖如圖3所示。負載等效為一個非線性有損電容，在大功率輸出情況下負載工作在諧振點附近，由實驗結(jié)果來看，負載在放電火花增強過程中諧振頻率下降，從未開始放電的30kHz左右下降到15kHz。如果不采用頻率跟蹤，無法滿足大功率輸出。逆變控制電路中使用了CD4046鎖相環(huán)，電流相位由互感器測得，經(jīng)單穩(wěn)電路（抗干擾）后與直接取自控制電路輸出的電壓信號作邊沿鑒相。4046內(nèi)部有兩個鑒相器，第一鑒相器是異或門鑒相器，它只能對兩個占空比為0.5的方波進行鑒相，而且鑒相特性不是單調(diào)的曲線，工作時必須把某一個信號先移相90°后才能正常工作。因此采用了邊沿鑒相，它可以不考慮脈沖的寬度，只關心脈沖上升沿，如圖4所示，最終使信號1、2的脈沖前沿時間差為零。

鎖相環(huán)一個明顯的缺點是啟動的時候失鎖率比較高，因此，逆變控制采用他－自激轉(zhuǎn)換工作方式。正常運行時為自激工作，電流相位信號取自電流互感器，經(jīng)過零比較和單穩(wěn)電路，送至4046。電壓相位信號直接取自二分頻器的輸出，如圖3所示。經(jīng)鎖相環(huán)和分頻器后，形成兩組與正負半波對應的方波。該方波經(jīng)死區(qū)形成和驅(qū)動器產(chǎn)生IGBT的驅(qū)動信號。死區(qū)環(huán)節(jié)的作用在于防止逆變器上、下橋臂同時導通。啟動時，取他激頻率調(diào)節(jié)電位器上的電壓直接作為4046內(nèi)部壓控振蕩的控制信號，進行他激啟動。當輸出電流達到一定值后，比較器輸出信號跳變，使電子開關動作，切斷振蕩器信號；同時將電流信號和電壓信號送4046內(nèi)部鑒相器，使系統(tǒng)進入自激運行狀態(tài)。電壓信號在進入鎖相環(huán)之前，經(jīng)過時滯補償，目的在于補償脈沖傳輸過程中的時間滯后。