恒頻不對稱電壓消除法串聯諧振逆變電源研究

孫 巍 黃友橋 徐應年

（1. 海軍駐武漢四三八廠軍事代表室, 武漢 430060； 2. 海軍駐武漢712所軍事代表室, 武漢 430064； 3. 武漢理工大學交通學院高速船舶重點實驗室, 武漢 4300 ； 4. 武漢南華工業設備工程股份有限公司, 武漢 430223）

1 引言

實際應用中，有時需要將多個感應加熱電源的加熱線圈放置很近，如果串聯諧振逆變電源工作頻率不相同就會產生低頻噪聲[1]。變頻功率[1-3]調節方式顯然不適合，在這種情況下就需要采用恒頻率功率調節方式。傳統的恒頻率功率調節方式有：移相調功方式（phase-shift:PS）[4-6]、不對稱占空比調功方式（asymmetrical duty-cycle:ADC）[7]。

當功率調節范圍寬，為保證最小輸出功率時開關管工作在零壓狀態，開關管的頻率就要遠高于負載諧振頻率，這將導致功率損耗增大，效率降低。針對恒頻移相調功這個缺點，文獻[7]提出了串聯諧振逆變電源的不對稱電壓消除法功率調功方式。指出相對移相調功方式和不對稱占空比調功方式而言，不對稱電壓消除法較小的開關頻率就能保證整個功率調節范圍內開關管的零壓狀態。給出了開關管為零壓開關，開關頻率與輸出功率、品質因數的關系曲線圖，但沒有給出最小開關頻率的解析表達式，沒有分析當開關頻率小于所要求的最小開關頻率時的工作模態。

本文推導了在整個調功范圍內，保證開關管為零壓開關，最小開關頻率的解析表達式。指出當開關頻率小于最小開關頻率時，橋臂三個開關管工作在零壓狀態，一個工作在零流狀態且開通電流小。

2 不對稱電壓消除法零壓開關區域

圖1為串聯諧振逆變電源主電路示意圖。加熱線圈和加熱物件等效為電阻R和電感L的串聯，C為串聯補償電容。圖2為T1,T2,T3,T4開關管驅動波形和輸出電壓波形，β為移相角，開關周期為T。

圖1 串聯諧振電源主電路示意圖

圖2 開關管驅動波形和輸出電壓、電流波形

當品質因數Q較大時，可以忽略諧波分量，近似用輸出電壓的基波表示逆變橋輸出電壓，Vab，如圖2所示：

輸出電壓Vab基波分量Vab1：

逆變橋輸出功率（只考慮基波分量）：

顯然Pn=0.25-1，從圖2可知，四個開關管為零壓開關的條件是逆變橋負載功率因數角φ不小于θ1即：

根據式（5）可以得到功率調節過程中，開關管為零壓開關，最小開關頻率與輸出功率，品質因數應滿足的關系曲線。圖3所示實線為不對稱電壓消除法功率調節方式，最小開關頻率與輸出功率，品質因數應滿足的關系曲線，虛線為移相調功方式最小開關頻率與輸出功率，品質因數應滿足的關系曲線。從圖3可以清楚的看出同樣的輸出功率，不對稱電壓消除法的最小開關頻率小于移相調功所需的最小開關頻率。

從圖3 可知當品質因數一定，不對稱電壓消除法最小開關頻率fn與輸出功率Pn之間不具有單調性。顯然如果最小開關頻率不小于式（5）右邊最大值，那么在整個調功范圍內（Pn=0.25-1），四個開關管全為零壓開關。

圖3 最小開關頻率與品質因數，輸出功率間關系曲線

當Pn=0.5時，ff有最大值：

綜上所述，功率調節范圍為Pnmin≤Pn≤Pnmax，在功率調節過程中，開關管始終為零壓開關，開關頻率的最小頻率fmin應為：

當Pnmin≤1/2

當Pnmin＞1/2

3 工作模態分析

3.1 f ≥ fmin

開關模態如圖4 所示，逆變橋輸出電壓、電流波形如圖2所示。從圖4可以看出開關管T1，T2，T3，T4為零壓開關。

圖4 開關模態（I）

3.2 f ＜ fmin

當f＜fmin時，開關模態隨移相角大小發生變化，在功率調節過程中存在兩種開關模態。當移相角從零增加到某個角度時，開關模態從圖 4所示開關模態I轉變為圖5所示開關模態П，移相角繼續增大，開關模態又從圖5所示開關模態П轉變為圖 4所示的開關模態I。開關模態 П，開關管T1，T3，T4是零壓開關，且開關管T1為零流關斷。圖6所示為f＜fmin時輸出電壓、電流波形。

圖5 開關模態（П）

圖6 f ＜fmi，開關管驅動波形和輸出電壓、電流波形

4 仿真波形

仿真參數：E=440 V，R=40Ω，L=0.49 mH，C=0.1 μF，開關頻率fs=20 kHz。死區時間 1 μs。開關管為apt35g60bn IGBT。圖7所示為 移相角β=10μs，T1，T2，T3，T4IGBT 驅動和 CE 端電壓波形，輸出電雅典流波形。從圖7可以看出T1，T3，T4是零壓開關，而且T1零壓電流波形。從圖7可以看出T1，T3，T4是零壓開關，且T1零流關斷。

圖7 IGBT驅動和對應CE端電壓波形，輸出電壓電流波形

5 結束語

本文首次推導出了不對稱電壓消除法功率調節方式在整個功率調節過程中（Pn=0.25-1）四個開關管為零壓開關，最小開關頻率解析表達式，相對于恒頻移相調功，不對稱電壓消除法較低的開關頻率就能使得在整個功率調節過程中四個開關管為零壓開關。指出當開關頻率小于所要求的最低開關頻率fmin，在整個功率調節過程中也有三個開關始終為零壓開關，而移相調功功率調節方式只有兩個開關管為零壓開關。

恒頻不對稱電壓消除法功率調節方式開關損耗小，效率高，沒有低頻噪聲干擾問題，尤其適用于功率調節范圍為Pn=0.25-1的中小功率串聯諧振逆變電源，具有極大的工程應用價值。

∶

[1] Izaki,Y. Hirota.H. Yamashita, M.Kamli, H.Omori and M. Nakaoka. New constant-frequency variable powered quasi-resonant inverter topology using soft-switched type IGBTs for induction-heated cooking appliance with active power filter. in procddings of the 1995 European Power Electronics Conference,pp129-134

[2] Viriya, P. Sittichok, S. Matsuse, K. Analysis of high-frequency induction cooker with variable frequency power control[C]. Power Conversion Conference, 2002. Osaka, 2002: 1502 - 1507.

[3] Y. S. Kwon, S.Yoo, D. Hyun. Half-bridge series resonant inverter for induction heating applications with load-adaptative PFM control strategy[C]. APEC 1999: 575-581.

[4] 袁俊國. 高頻功率變換及其在感應加熱中的應用[D]. 杭州：浙江大學，2001.

[5] F.Tsai, Y.Chin, and F.lee. State-plane analysis of a constant-frequency clamped-mode parallel-resoant converter. IEEE Trans. Power Electron,vol.3,pp.364-378,July 1988.

[6] J.A. Sabate and F.C.lee. Off-line application of the fixted-frequency clamped-mode series resonant converter, IEEE Trans. Power Electron,vol.6,pp.39-47,Jan. 1991.

[7] Jose M.Burdio, Luis A. Barragan Fernando Monterde Denis Navarro and Jesus Acero. Asymmetrical voltage-cancellation control for full-bridge series resonant inverters. IEEE Trans. Power Electron.,vol.19,no.2 pp.461-469,Mar.2004.