MOSFET串聯(lián)諧振逆變器控制電路的研究

劉 濤

（太原供電分公司，山西 太原 030006）

1 引言

感應(yīng)加熱是一種非接觸式加熱，可以將能量精確地集中到工件的被加熱部位，在工業(yè)領(lǐng)域中有著廣泛而重要的應(yīng)用。固態(tài)感應(yīng)加熱電源是感應(yīng)加熱裝置的關(guān)鍵設(shè)備之一，目前研制大功率高頻固態(tài)感應(yīng)加熱電源首選器件主要是以模塊化、大容量化、功率MOSFET器件為主，固態(tài)感應(yīng)加熱電源的控制目前主要集中在對其諧振逆變器的控制上。

目前逆變鎖相控制方法主要分為：定時控制和定角控制兩種。對于電壓型固態(tài)感應(yīng)加熱電源來說，功率器件的最佳開關(guān)時刻和功率器件吸收電容的大小、負(fù)載電壓和電流的比值、死區(qū)時間等因素有關(guān)，并且它們之間的關(guān)系是非線性的。這種非線性的控制關(guān)系采用傳統(tǒng)的模擬鎖相電路是難以實(shí)現(xiàn)的，而需要采用數(shù)字化智能控制是逆變鎖相控制的一種有效手段。

對于固態(tài)感應(yīng)加熱電源的功率調(diào)節(jié)方式來說，目前主要分為：整流器側(cè)調(diào)功和逆變器側(cè)調(diào)功兩類。中小功率的固態(tài)感應(yīng)加熱電源一般采用逆變器側(cè)調(diào)功以簡化主電路，而對于中大功率的固態(tài)感應(yīng)加熱電源，主要采用整流器側(cè)調(diào)功以使諧振逆變器獲得最佳的工作性能。

文章重點(diǎn)分析了其中的MOSFET串聯(lián)諧振型逆變器控制電路的工作原理，對電壓型諧振逆變器的換流過程及鎖相控制原理進(jìn)行了分析，并對一種能使開關(guān)損耗最小的零電壓換流的諧振逆變器ZVS鎖相控制方法進(jìn)行了重點(diǎn)研究。

2 串聯(lián)諧振逆變器的ZVS控制

2.1 串聯(lián)諧振逆變器的ZVS控制原理

串聯(lián)電壓型諧振逆變器以其簡單的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、靈活的調(diào)功方式、較高的整機(jī)效率和對輸出引線雜散電感較強(qiáng)的免疫力得到了廣泛的應(yīng)用。對于高頻電壓型諧振逆變器來說，由于開關(guān)頻率很高，目前采用的功率器件為功率MOSFET。由于功率MOSFET的內(nèi)部寄生二極管反向恢復(fù)性能較差，實(shí)際使用中不得不在MOSFET外部另加恢復(fù)二極管以屏蔽其內(nèi)部的寄生二極管，同時為了負(fù)載匹配的需要，在諧振逆變器的輸出端需要連接高頻匹配變壓器。

在零電壓換流模式下，逆變器的工作頻率略高于諧振負(fù)載的固有諧振頻率，即負(fù)載電流iH滯后于負(fù)載電壓uH一個電角度φ，換流過程中各元件的電壓、電流波形中tdead=t3-t0為觸發(fā)脈沖的死區(qū)時間，t4為負(fù)載電流的換向時刻。逆變器每次換流要經(jīng)過4個狀態(tài)，分別是狀態(tài) 1：tt4。經(jīng)過這4個狀態(tài)后，逆變器就成功完成換流，進(jìn)入下一個換流過程。從上述分析可知ZVS換流模式時，有下述結(jié)論成立：（1）器件的開通是零電壓、零電流，理論上器件的開通損耗為零。（2）器件的關(guān)斷是零電壓、非零電流，但是由于器件的關(guān)斷電流很小，并且是ZVS換流，關(guān)斷損耗很小。

（3）由寄生雜散電感引起的過電壓很小，逆變器的阻容吸收電路不能以此狀態(tài)為基礎(chǔ)設(shè)計。

（4）如果死區(qū)時間小于吸收電容的充放電時間，即在t0～t2時間內(nèi)開通脈沖到來，則電容將會向被開通器件放電，增加了器件的開通損耗。為了保證ZVS換流，死區(qū)時間和吸收電容的大小必須相配合。

2.2 ZVS換流策略的實(shí)現(xiàn)

諧振逆變器的逆變控制電路是以鎖相環(huán)（PLL-Phase-LockedLoop）為核心構(gòu)成的，鎖相環(huán)電路主要由鑒相器（PD-PhaseDetector）、低通濾波器（LPF-Low-Pass Filter）、壓控振蕩器（VCO—Voltage—Controlled Oscillator）3部分組成，它是一個相位負(fù)反饋的控制系統(tǒng)。

在控制電路中，可以同時采集負(fù)載電流和負(fù)載電壓信號來設(shè)計環(huán)內(nèi)延時反饋環(huán)節(jié)，也可以僅采集負(fù)載電流信號設(shè)計環(huán)內(nèi)延時環(huán)節(jié)。實(shí)際系統(tǒng)中僅采用負(fù)載電流的設(shè)計方案比較簡潔，所以得到了廣泛的使用。鎖相控制系統(tǒng)的簡要框圖見圖1，鎖相環(huán)的反饋回路通過固定延時環(huán)節(jié)來補(bǔ)償信號的處理傳輸所產(chǎn)生的時間延遲、逆變開關(guān)器件的開關(guān)延時（與驅(qū)動電路的設(shè)計密切相關(guān)）。動態(tài)延時環(huán)節(jié)用于實(shí)現(xiàn)其中的可變部分延時，闕值電壓uk由逆變橋直流電壓ud經(jīng)電阻R1、R2分壓獲得，在比較器輸出發(fā)生變化時，有下式成立：

圖1 鎖相環(huán)模擬控制系統(tǒng)框圖

由于動態(tài)延時時間很短，上式近似為，只要讓R2/（R1+R2）R3=2 C/tdead即可滿足動態(tài)延時的要求，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)動態(tài)延時，補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)ZVS換流控制。

2.3 鎖相環(huán)在串聯(lián)諧振逆變器中的應(yīng)用及電路分析

鎖相環(huán)是一個相位反饋控制系統(tǒng)，其特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)對輸入信號頻率和相位的自動跟蹤。主要由3個部分組成：鑒相器（又稱相位比較器，PC）、環(huán)路濾波器（LPF）和壓控振蕩器（VCO）。鑒相器是將兩個信號之間的相位進(jìn)行比較，通?？梢圆捎媚M乘法器或異或門來完成；環(huán)路濾波器是低通濾波器；VCO是一個輸出頻率與輸入電壓呈正比的信號發(fā)生器。

圖2所示為RLC串聯(lián)負(fù)載的幅頻特性和相頻特性曲線圖。從圖中可知，當(dāng)逆變器輸出頻率ω0小于負(fù)載諧振頻率ω0時，負(fù)載電路呈容性，當(dāng)逆變器輸出頻率ω大于諧振頻率ω0時，負(fù)載電路呈感性。ω=ω0時，負(fù)載電路呈純電阻性，發(fā)生諧振。而不管電路是呈容性或感性，輸入電壓基波分量與負(fù)載電流基波分量之間存在相位差。

圖2 RLC串聯(lián)負(fù)載的幅頻特性和相頻特性曲線圖

圖3為基于C D 4046鎖相環(huán)電路逆變器的控制電路。從電流傳感器C T來的負(fù)載電流信號，經(jīng)電阻R1變換電壓信號，分成兩路，一路到功率測量顯示電路，另一路去C1、R2組成的相位校正電路，補(bǔ)償信號傳輸造成的時間延時，然后輸出經(jīng)L M 393變成方波信號，由C D 4046的14腳進(jìn)入第二個相位檢測器，它代表負(fù)載的電流信號，而3腳的輸入信號與逆變器的驅(qū)動信號一樣，它也就是逆變器的輸出電壓信號；電壓和電流信號的相位在鑒相器內(nèi)進(jìn)行比較，從l 3腳輸出誤差電壓信號，再經(jīng)R7、R8、C4等組成的低通濾波器，在此得到一個正比于從14腳和3腳輸入信號相位差的平均電壓，這個控制電壓從VCO的9腳輸入改變其振蕩頻率，使逆變器輸出電壓與負(fù)載電流信號的相位差不斷減小，直到兩者同相。VCO振蕩的頻率范圍由R10、R11和C5決定，輸出信號經(jīng)D觸發(fā)器二分頻后，一路返回相位比較器，一路形成相位相反的兩信號經(jīng)驅(qū)動電路送至逆變器的對應(yīng)功率開關(guān)器件。

圖3 逆變器鎖相環(huán)控制電路

從上面可以看出，鎖相環(huán)是通過改變壓控振蕩器的頻率來減小輸入電壓和負(fù)載電流信號之間的相位差，最終實(shí)現(xiàn)逆變器的工作頻率跟蹤負(fù)載的固有諧振頻率。

3 結(jié)束語

文章對基于MOSFET的串聯(lián)諧振逆變器的工作原理及控制電路進(jìn)行了較深入的分析，并進(jìn)行了一定的相關(guān)設(shè)計，對電壓型諧振逆變電路的ZVS換流過程，功率調(diào)節(jié)及鎖相控制過程進(jìn)行了一定的研究。從而得出串聯(lián)諧振逆變器控制電路采用鎖相控制方法具有以下兩點(diǎn)好處：一方面利用鎖相環(huán)電路實(shí)現(xiàn)逆變器的輸出電壓自動跟蹤負(fù)載的電流信號，使逆變器工作在準(zhǔn)諧振狀態(tài)或諧振狀態(tài)，減小了功率開關(guān)器件的損耗；另一方面也保證了電源在工件熱態(tài)下能輸出額定功率，而工件為冷態(tài)時又不會過載，即提高了電源的負(fù)載適應(yīng)性。

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