孫瑞波，沈錦飛

(江南大學(xué)電氣自動(dòng)化研究所，江蘇無錫214122)

0 引言

在實(shí)際應(yīng)用中，感應(yīng)加熱電源需要根據(jù)負(fù)載等效參數(shù)隨溫度的變化和加熱工藝的需要，隨時(shí)對(duì)感應(yīng)加熱電源輸出的功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此，選擇合適的調(diào)功方式對(duì)于感應(yīng)加熱電源來說非常重要［1］。逆變側(cè)功率的調(diào)節(jié)依據(jù)控制方式可分為脈沖頻率調(diào)節(jié)(PFM)，脈沖移相調(diào)節(jié)(PSM)，脈沖密度調(diào)節(jié)(PDM)［1，2］和不對(duì)稱電壓消去法調(diào)節(jié)(AVC)［3］。PFM方式控制方法簡單，但在輕載時(shí)逆變器的輸出功率因數(shù)很低，開關(guān)損耗大。PSM方式在輕載時(shí)移相角增大，輸出電壓脈沖寬度減小，電流波形變成近似三角波;PDM方式輕載時(shí)逆變器輸出電流波形峰值波動(dòng)大，甚至?xí)霈F(xiàn)電流斷續(xù)，而且功率調(diào)節(jié)過程為有極調(diào)功［4］。AVC方式下的逆變器比PSM方式下工作效率更高［3，5］，但其調(diào)功范圍有限［6］，輕載條件下的應(yīng)用受到限制。

本文提出了一種新型的PDM＆AVC控制方式，該控制方式結(jié)合了PDM和AVC的優(yōu)點(diǎn)，克服了PDM輕載時(shí)波形會(huì)出現(xiàn)斷續(xù)的缺點(diǎn)，避免了有級(jí)調(diào)功，而且解決了AVC調(diào)功范圍有限的問題。

1 逆變器結(jié)構(gòu)及工作原理

圖1所示為采用單相串聯(lián)諧振式全橋逆變器的主電路結(jié)構(gòu)。在PDM＆AVC控制方式中，VT1和VT2的觸發(fā)脈沖采用脈沖密度調(diào)制，且觸發(fā)脈沖密度始終保持相等，VT3和VT4在功率輸出單元內(nèi)分別按常規(guī)PWM方式和AVC方式控制，而它們?cè)谪?fù)載能量自然衰減單元內(nèi)觸發(fā)等待，由負(fù)載電流的正負(fù)性決定通斷狀態(tài)。

圖1 逆變器主電路

下面以VT1和VT2觸發(fā)脈沖的脈沖密度同為8/16，移相角為α?xí)r的情況為例，分析逆變器主電路一個(gè)周期內(nèi)的工作情況。逆變器工作波形如圖2所示，其中，VT1～VT4為開關(guān)管的觸發(fā)脈沖，uab為逆變器輸出電壓波形，io為逆變器輸出電流波形。

圖2 逆變器的工作波形圖

逆變器有8種工作模式，具體的工作過程分析如下:

(1)模式1(t0～t1):在t0時(shí)刻，加驅(qū)動(dòng)信號(hào)給VT1和 VT4，負(fù)載負(fù)向電流 io通過-Ud→VD4→Ro→Lo→Co→VD1→+Ud流通，逆變器輸出電壓為+Ud。

(2)模式2(t1～t2):在t1時(shí)刻，負(fù)向電流減小到0，VD1和 VD4關(guān)斷，VT1和 VT4導(dǎo)通，正向電流 io通過 +Ud→VT1→Co→Lo→Ro→VT4→-Ud給負(fù)載供電，VT1和VT4為零電流零電壓導(dǎo)通，逆變器輸出電壓為 +Ud。

(3)模式3(t2～t3):在t2時(shí)刻，開關(guān)管 VT4關(guān)斷，電流的方向沒有發(fā)生改變，此時(shí)，VT4上電流轉(zhuǎn)移到VD2，維持電流連續(xù)。電流通過VT1→Co→Lo→Ro→VD2組成回路續(xù)流，逆變器輸出電壓為0。

(4)模式4(t3～t4):在t3時(shí)刻，加驅(qū)動(dòng)信號(hào)給VT2和VT3，而開關(guān)管VT1關(guān)斷，與模式1類似，正向電流通過-Ud→VD3→Co→Lo→Ro→VD2→ +Ud流通，逆變器輸出電壓為-Ud。從VT4關(guān)斷到VT1關(guān)斷的這段時(shí)間即為移相角α，通過改變它的大小，就可以調(diào)節(jié)輸出電壓的大小。

(5)模式5(t4～t5):當(dāng)流過VD2和VD3的正向電流減小到0后，開關(guān)管VT2和VT3導(dǎo)通，且導(dǎo)通方式為零電流零電壓導(dǎo)通。電流io由正向變?yōu)樨?fù)向，通過+Ud→VT2→Ro→Lo→Co→VT3→-Ud給負(fù)載供電，逆變器輸出電壓為-Ud。

(6)模式6(t5～t6):在 t5時(shí)刻，VT2關(guān)斷，同時(shí)加驅(qū)動(dòng)信號(hào)給VT4。此時(shí)，VT2上負(fù)向電流轉(zhuǎn)移到VD4，維持電流連續(xù)。電流通過VD4→Ro→Lo→Co→VT3組成回路續(xù)流，逆變器輸出電壓為0。

(7)模式7(t6～t7):在t6時(shí)刻，VT3零電流零電壓關(guān)斷，VT4零電流零電壓導(dǎo)通。換流結(jié)束后，負(fù)載電流io通過 VD3→Co→Lo→Ro→VT4續(xù)流，逆變器輸出電壓為0。

(8)模式8(t7～t8):在t7時(shí)刻，VT4零電流零電壓關(guān)斷，VT3零電流零電壓導(dǎo)通。負(fù)載電流io通過VD4→Ro→Lo→Co→VT3續(xù)流，逆變器輸出電壓為0。

2 逆變器輸出功率特性分析

在一個(gè)由若干開關(guān)周期組成的脈沖密度周期內(nèi)，逆變器的輸出功率由功率輸出單元和負(fù)載能量自然衰減單元組成，通過調(diào)節(jié)兩個(gè)單元的比例關(guān)系可以得到不同的輸出功率。在單個(gè)功率輸出單元中，將逆變器的輸出電壓uab利用傅里葉級(jí)數(shù)進(jìn)行展開，可以得到uab的基波分量:

式中，α 是 VT4的移相角，θ1=arctan［sinα/(3+cosα)］。

根據(jù)輸出功率表達(dá)式

可得，當(dāng)VT4的移相角為α?xí)r，逆變器的最大輸出功率為:

在PDM方式下，當(dāng)脈沖密度周期為T，脈沖密度周期內(nèi)的功率輸出時(shí)間為TA時(shí)，輸出的負(fù)載電流io的包絡(luò)線iE滿足:

當(dāng) T?1/δ時(shí)，有

因此，在PDM＆AVC方式下，逆變器的平均輸出功率為:

3 PDM＆AVC的控制策略

通過上述對(duì)VT1和VT2脈沖密度為8/16，移相角為α?xí)r逆變器的工作過程和輸出功率特性的分析，可以得到，當(dāng)需要調(diào)節(jié)輸出功率時(shí)，可以改變VT1和VT2脈沖密度或VT4的移相角進(jìn)行調(diào)功。為了獲得平穩(wěn)的輸出電流，VT1和VT2的控制信號(hào)采用圖3的脈沖密度形式。

圖3 VT1和VT2的控制信號(hào)

采用不同的脈沖密度TA/T與移相角α的組合，可以使逆變器的輸出功率從額定值到允許輸出的最小值之間變化。在保持輸出電流波形最為接近正弦的情況下，表1給出了一種TA/T與α組合的功率控制表。在調(diào)功過程中，首先對(duì)要輸出的功率進(jìn)行查找，找到對(duì)應(yīng)的脈沖密度TA/T，再根據(jù)公式(7)，計(jì)算出所對(duì)應(yīng)的移相角α的值，將這兩個(gè)值進(jìn)行處理后，用得到的PWM信號(hào)來控制逆變器的輸出。

表1 TA/T與α組合的功率控制表

4 仿真結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證以上分析的合理性，對(duì)圖1的串聯(lián)諧振式全橋逆變器主電路進(jìn)行仿真分析，電路參數(shù)為:Ud=150 V，感應(yīng)線圈等效電阻Ro=15 Ω，等效電感Lo=169 μH，開關(guān)頻率 f=50 kHz，品質(zhì)因數(shù) Q=3.7，匹配電容Co=56nF。用Pspice軟件進(jìn)行仿真，得到逆變器的輸出電壓Uab，輸出電流io的仿真波形如圖4所示。

由圖4(a)、(b)可見，可以通過調(diào)節(jié)移相角α，將輸出功率調(diào)節(jié)到90%額定功率，且輸出電流波形平穩(wěn);由圖4(c)可見，通過將脈沖密度TA/T和移相角α相結(jié)合的調(diào)節(jié)方式使輸出功率達(dá)到20%額定功率時(shí)，輸出電流波動(dòng)比較小;由圖4(d)可見，當(dāng)TA/T=4/16，通過調(diào)節(jié)α將輸出功率調(diào)節(jié)到5%額定功率時(shí)，電流仍然連續(xù)，從而可以作為檢測對(duì)象，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)調(diào)功控制?；赑DM＆AVC控制方式的逆變器輸出功率可以從接近于0到額定值之間任意調(diào)節(jié)，克服了AVC方式下功率調(diào)節(jié)范圍只能在額定功率的25%到100%之間的局限性。

圖4 仿真波形

5 結(jié)論

本文將脈沖密度調(diào)節(jié)和不對(duì)稱電壓消去法相結(jié)合，提出了一種PDM＆AVC的復(fù)合功率控制串聯(lián)諧振逆變器，該逆變器具備兩者的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)克服了單純采用脈沖密度調(diào)制時(shí)輸出電流可能出現(xiàn)斷續(xù)、功率調(diào)節(jié)不連續(xù)，和單純采用不對(duì)稱電壓消去法調(diào)功范圍有限的缺點(diǎn)。合理的選擇脈沖密度TA/T和移相角α的組合，可以使逆變器輸出電流更加平穩(wěn)，開關(guān)管工作在軟開關(guān)狀態(tài)，功率損耗小。仿真結(jié)果驗(yàn)證了該逆變器的可行性和有效性。

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