新型零電流開(kāi)關(guān)高頻諧振逆變器的設(shè)計(jì)

張業(yè)茂

(東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林吉林132012)

汽車(chē)尾氣排出的有害物質(zhì)(Particulate Matter，以下簡(jiǎn)稱(chēng)PM)已經(jīng)成為肺癌和過(guò)敏癥狀的主要原因，汽車(chē)或船用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的尾氣排放控制已經(jīng)迫在眉捷。能夠減少有害物質(zhì)排放的方法之一就是以高頻感應(yīng)加熱裝置為核心的PM燃燒系統(tǒng)，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排放的PM通過(guò)有感應(yīng)加熱裝置的金屬過(guò)濾器，會(huì)立即減少。在高頻感應(yīng)加熱電源應(yīng)用過(guò)程中存在開(kāi)關(guān)損耗等問(wèn)題，軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，如ZCS(零電流開(kāi)關(guān))和ZVS(零電壓開(kāi)關(guān))能夠解決這些問(wèn)題［1］。

軟開(kāi)關(guān)技術(shù)是使功率變換器得以高頻化的重要技術(shù)之一，當(dāng)電流自然過(guò)零時(shí)，使器件關(guān)斷(或電壓為零時(shí)，使器件開(kāi)通)，從而減少開(kāi)關(guān)損耗。文獻(xiàn)［2］利用對(duì)比法對(duì)功率損耗及效率進(jìn)行了詳細(xì)分析，但其數(shù)學(xué)模型還有待優(yōu)化;文獻(xiàn)［3］介紹了移相全橋軟開(kāi)關(guān)電路的組成及其優(yōu)點(diǎn)，但并沒(méi)有做仔細(xì)的理論分析;文獻(xiàn)［4］總結(jié)、歸納了控制型軟開(kāi)關(guān)的5個(gè)特征，但沒(méi)有提出一個(gè)具體有效的軟開(kāi)關(guān)電路。本文提出了一種新的ZCS高頻諧振逆變電路，將ZCS特性用常規(guī)參數(shù)進(jìn)行了數(shù)值分析，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 新型ZCS高頻逆變器

目前，電流型和電壓型逆變器已廣泛用于感應(yīng)加熱電源，它們有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。傳統(tǒng)電流型并聯(lián)諧振逆變器如圖1所示，這種電路的優(yōu)點(diǎn)是短路電流容易控制，短路及直通保護(hù)比較容易，然而一個(gè)電流型逆變器需要匹配一個(gè)大的直流電抗器Ld，此外由于逆變回路中的電流變化率較高，在電路中會(huì)引起較高的雜散電感和浪涌電壓。

傳統(tǒng)的電壓串聯(lián)諧振逆變器如圖2所示，其逆變回路中的電流變化率相比電流型較低且近似正弦波，它的缺點(diǎn)是短路保護(hù)比較困難，所以為了防止短路，需要嚴(yán)格控制死區(qū)時(shí)間。

圖1 傳統(tǒng)電流型并聯(lián)諧振逆變器Fig.1 Traditional current－mode parallel resonant inverter

圖2 傳統(tǒng)的電壓串聯(lián)諧振逆變器Fig.2 Traditional voltage series resonant inverter

在這種條件下，開(kāi)發(fā)了采用Ld(Ld/Lo＜1)系列的串聯(lián)諧振零電流輸入型高頻逆變器，如圖3所示。

圖3 Ld串聯(lián)諧振零電流輸入型高頻逆變器Fig.3 Ldseries resonant zero current input high frequency inverter

在這種逆變器中，通過(guò)使用IGBT模塊的幾個(gè)開(kāi)關(guān)元件和電路中其他元件可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的ZCS操作。但是由于負(fù)載和直流電源的突然變化，開(kāi)關(guān)電流被強(qiáng)制關(guān)閉，這時(shí)需要一個(gè)能量守恒的電路來(lái)吸收這些多余的能量。

考慮到這幾點(diǎn)，本文提出一種新型的零電流開(kāi)關(guān)高頻逆變器，如圖4所示。在這種逆變器中，沒(méi)有連接直流電抗器，雜散電感被控制在Ld的直流支路中，線(xiàn)路損耗和浪涌電壓被抑制在電源處。此外，本電路的諧振品質(zhì)因數(shù)也會(huì)較為平穩(wěn)，因此在ZCS穩(wěn)定工作時(shí)，即使開(kāi)關(guān)應(yīng)力有較大的變化，串聯(lián)和并聯(lián)的諧振也可以正常工作。

圖4 新型ZCS串聯(lián)諧振逆變器Fig.4 Model ZCS series resonant high frequency inverter

2 ZCS工作原理

圖5為逆變器的開(kāi)關(guān)操作模式，可分為以下7種模式:

模式1:S1－S2單導(dǎo)通模式。

模式2:D1－D2單導(dǎo)通模式。

模式3:D1－D2，S3－S4雙導(dǎo)通模式。

模式4:S3－S4單導(dǎo)通模式。

模式5:D3－D4單導(dǎo)通模式。

模式6:D3－D4，S1－S2雙導(dǎo)通模式。

模式7:關(guān)閉模式。

圖5 開(kāi)關(guān)模式Fig.5 Switching operation mode

在ZCS工作過(guò)程中，每種模式下開(kāi)關(guān)狀態(tài)的波形如圖6所示。

圖6 開(kāi)關(guān)波形Fig.6 Switching wave form

由圖4可知

因?yàn)榇藭r(shí)的id和is流過(guò)電感和電抗器，這些電流在瞬間不會(huì)跳變，所以電流具有連續(xù)性。

3 數(shù)值分析

對(duì)于高頻感應(yīng)加熱系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)和穩(wěn)定運(yùn)行，區(qū)分零電流開(kāi)關(guān)和非零電流開(kāi)關(guān)時(shí)的負(fù)載條件和導(dǎo)通頻率非常重要。對(duì)所提出的高頻電源的數(shù)值分析采用標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)，并據(jù)圖5所示的開(kāi)關(guān)模式，列出每個(gè)開(kāi)關(guān)操作模式下的歸一化狀態(tài)方程。

歸一化參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值為:頻率μ=2πf0L=L0;負(fù)載電阻 λ= R/，C=C0;電抗 α =Ld/L，β =Ls/L，R=R0;電容 p=Cp/C。

歸一化參數(shù)的參考值為:電壓E=Ed;電流I=功率 P=EI;阻抗 Z=周期 T=1/f0，f0為輸出頻率。

狀態(tài)變量為:電壓 U*(Z)=U(t)/E，電流I*(Z)=I(t)/E，功率=P0/P，周期 Z=t/T=f0·t。

恒值為:K1=2π/u，K2=1/(α + β)，K3=1/α，K4= π/u，K5=1/β，K6=1/P。

模式a:dX/dz=K1(A1X+B1)

模式b:dX/dz=K1(A2X+B2)

模式c:dX/dz=K1(A3X+B3)

模式d:dX/dz=K1(A4X+B4)

模式e:dX/dz=K1(A5X+B5)

模式f:dX/dz=K1(A6X+B6)

模式g:dX/dz=K1(A6X+B6)

每一個(gè)歸一化狀態(tài)方程數(shù)值分析都使用了四階Runge－Kutta方法。其中:

4 ZCS的特征值分析

諧振逆變器的α、β和P的變化會(huì)影響ZCS的工作區(qū)域和特征。開(kāi)關(guān)應(yīng)力作為Usmax最大的開(kāi)關(guān)電壓對(duì)輸出功率P0和輸出頻率f0進(jìn)行了分析，然后，在ZCS作用區(qū)域?qū)γ總€(gè)特征值的分布進(jìn)行了研究，如實(shí)際功率因數(shù) cosθ、視在功率因數(shù) cosθ′、Ismax、Usmax和 P0。

在直流分支中的雜散電感值較小時(shí)，將α的值設(shè)為0.05，β的值影響ZCS作用區(qū)域和開(kāi)關(guān)應(yīng)力，當(dāng)β值變大時(shí)，即使ZCS的作用區(qū)域變小，開(kāi)關(guān)電流的最大值以及電壓應(yīng)力也會(huì)因?yàn)楣β室驍?shù)的提高而降低。

P值對(duì)每個(gè)特征值的影響主要體現(xiàn)在輸出功率上，P值變大會(huì)增加輸出功率，然而P值變大將會(huì)縮小ZCS作用區(qū)域，從這些方面考慮，電路中選擇的參數(shù)為 α=0.05、β=0.8、P=0.2，此時(shí) ZCS的作用區(qū)域廣、開(kāi)關(guān)應(yīng)力低。在μ－λ界面中，ZCS的作用區(qū)域如圖7所示。

圖7 ZCS作用區(qū)域Fig.7 ZCS operation region

通過(guò)諧振，ZCS作用區(qū)域出現(xiàn)了μ值較高和μ值較低的兩個(gè)區(qū)域，因此，該電路可以在兩個(gè)頻帶上進(jìn)行切換。此時(shí)使用的是ZCS作用區(qū)域中u值較高的部分。

在L0－R0輸出端實(shí)時(shí)的功率因數(shù)cosθ和在儲(chǔ)能電路中的視在功率因數(shù)cosθ＇的分布如圖8、圖9所示。從圖8、圖9可以發(fā)現(xiàn)，在改進(jìn)的儲(chǔ)能電路中，視在功率因數(shù)比實(shí)時(shí)功率因數(shù)要高，即減小或抑制了開(kāi)關(guān)應(yīng)用力。

圖8 實(shí)時(shí)功率分布Fig.8 Distribution of real power factor

圖9 視在功率分布Fig.9 Distribution of apparent power factor

圖10 分布Fig.10 Distribution of

圖11 分布Fig.11 Distribution of

圖12 分布Fig.12 Distribution of

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在數(shù)值分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一款1.2 kW，22 kHz的高頻感應(yīng)加熱電源，其中的一些參數(shù)如下:

輸出功率為1.2 kW;輸入電壓為0～300 V;加熱溫度為0～617℃;工作頻率為22 kHz;歸一化參數(shù)為 μ =2.7，λ =0.6，α =0.05，β =0.8，p=0.2;電路參數(shù)為 R0=3.5 ～4.5 Ω，L0=100 μH，Ls=80 μH，C0=4.0 μF，Cp=0.8 μF，IGBT 為 IKW40N120T(600 V/50 A)。

實(shí)驗(yàn)波形和理論結(jié)果的比較如圖13所示。從圖13可以看到，實(shí)驗(yàn)波形與數(shù)值分析波形吻合較好，由此可以證明，在ZCS穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，尖峰電壓和浪涌電流受到抑制，而且開(kāi)關(guān)損耗較小。

6 結(jié)語(yǔ)

圖13 實(shí)驗(yàn)波形Fig.13 Experimental wave forms

針對(duì)全橋諧振逆變器工作中存在的開(kāi)關(guān)損耗的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種新型的零電流開(kāi)關(guān)高頻逆變器電路，并將其應(yīng)用于電流反饋型并聯(lián)諧振感應(yīng)加熱電源中，對(duì)實(shí)際功率因數(shù) cosθ、視在功率因數(shù) cosθ′、開(kāi)關(guān)電流Ismax、開(kāi)關(guān)電壓Usmax和輸出功率P0進(jìn)行了系統(tǒng)的分析。設(shè)計(jì)了一款1.2 kW，22 kHz的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，通過(guò)實(shí)際運(yùn)行與理論結(jié)果的比較驗(yàn)證了電路的正確性。此外，通過(guò)抑制開(kāi)關(guān)電流/電壓應(yīng)力提高了功率因數(shù)。

［1］ 阮新波，嚴(yán)仰光.直流開(kāi)關(guān)電源的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)［M］.北京:科學(xué)出版社，2000.YUAN Xinbo，YAN Yangguang.Soft switching of dc switching power supply［M］.Beijing:Science Press，2000.

［2］ 明正峰，倪光正，鐘彥儒.軟開(kāi)關(guān)技術(shù)三相PWM逆變器及效率的分析研究［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2003，18(4):30－34.MING Zhengfeng，NI Guangzheng，ZHONG Yanru.Analysis and study of soft－ switched inverter and its efficiency［J］.Transactions of China Electrotechnical Society，2003，18(4):30 －34.

［3］ 張瑞萍，曹亮，呂珂.基于軟開(kāi)關(guān)技術(shù)移相全橋變換器的仿真分析［J］.電子測(cè)試，2010(5):69－72.ZHANG Ruiping，CAO Liang，LYU Ke.Simulation analysis of phase－shifted full－bridge converter based soft－switch technology［J］.Electronic Test，2010(5):69 －72.

［4］ 趙慧君，冒澤慧，姜斌，等.基于爬山法快速波形匹配的高頻電源過(guò)程控制［J］.科技通報(bào)，2011，27(5):720－725.ZHAO Huijun，MAO Zehui，JIANG Bin，et al.High － frequency power supply process control based on hill－climbing fast wave form matching［J］.Bulletin of Science and Technology，2011，27(5):720－725.