高頻變壓器對多輸入逆變器輸出電壓影響分析

張艷肖，李守智，徐微，曹小鴿

（1.西安交通大學(xué)城市學(xué)院，陜西西安710018；2.西安理工大學(xué)，陜西西安710048）

感應(yīng)加熱電源已經(jīng)廣泛應(yīng)用于熱加工、熱處理以及焊接、熔煉等方面[1]，且主要采用電壓型逆變電路，由于受到死區(qū)時間和開關(guān)器件性能的影響，感應(yīng)加熱電源難以實現(xiàn)逆變電路的高頻化及大功率輸出[2]。

文獻(xiàn)[3-6]通過修改開關(guān)器件驅(qū)動信號的通斷來消除死區(qū)效應(yīng)，將補償電壓加到指令電壓進(jìn)行補償，其算法復(fù)雜，精度要求高，且不能完全消除死區(qū)時間。鑒于開關(guān)頻率的限制，常采用多個逆變器聯(lián)合工作取代單個逆變器[7-9]。文獻(xiàn)[10-13]對每個開關(guān)管進(jìn)行分時控制，實現(xiàn)倍頻，只是多個逆變器要輪換工作。文獻(xiàn)[14]對載波移相SPWM 調(diào)制方式下的死區(qū)效應(yīng)進(jìn)行研究，其沒有完全消除死區(qū)時間。文獻(xiàn)[15]提出分時交錯疊加控制，擺脫了死區(qū)的影響，但未能解決各逆變電路之間相互影響的問題，也沒有對高頻變壓器結(jié)構(gòu)進(jìn)行探討。文獻(xiàn)[16]采用3 個逆變器通過高頻變壓器耦合疊加同時向負(fù)載供電，并未討論高頻變壓器各繞組之間的相互耦合影響。

該文在文獻(xiàn)[17]的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，完全消除了死區(qū)時間，通過延遲關(guān)斷開關(guān)管的驅(qū)動信號來構(gòu)造新續(xù)流回路，減小了各逆變電路之間的相互耦合影響，提高了逆變器輸出電壓的電能質(zhì)量。在此基礎(chǔ)上，分析比較了獨立鐵芯和共用鐵芯兩種不同結(jié)構(gòu)的高頻變壓器對多逆變器輸出電壓的影響。

1 電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制原理

1.1 電路拓?fù)?/h3>

多個單相電壓型逆變電路并聯(lián)，通過高頻變壓器耦合成一個高頻輸出，高頻變壓器有兩種結(jié)構(gòu)[18]：一種是多繞組高頻變壓器，各逆變器具有獨立的輸入繞組，一個輸出繞組，但是鐵芯是共用的；另一種是各逆變器獨立的雙繞組高頻變壓器，各個雙繞組變壓器具有獨立的鐵芯和輸入、輸出繞組。

該文以3個逆變電路為例來說明，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，開關(guān)管為MOSFET，續(xù)流二極管為VD11～VD34。

圖1 電路結(jié)構(gòu)

1.2 改進(jìn)分時疊加控制原理

假設(shè)電路中所有的開關(guān)器件均為理想器件，文中提出一種改進(jìn)分時疊加控制策略，逆變器穩(wěn)態(tài)工作時，一個周期內(nèi)共有6 個工作模式，開關(guān)管驅(qū)動信號順序為V33,V11,V14→V14,V22,V23→V23,V31,V34→V34,V12, V13→V13, V21, V24→V24, V32, V33。圖2中ug為柵極驅(qū)動信號，uo為變壓器二次側(cè)輸出電壓。每個開關(guān)管的工作頻率為f，通過變壓器耦合，輸出頻率可提高為3f。

圖2 柵極驅(qū)動信號及輸出電壓波形

以獨立鐵芯高頻變壓器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為例分析，如圖3所示，逆變電路分時工作，下一個逆變電路工作時，上一個逆變電路中的開關(guān)器件有足夠的關(guān)斷時間避免橋臂直通，不需要設(shè)置死區(qū)時間。高頻變壓器漏感及負(fù)載電感使得第3 個逆變電路的電流i3不能突變，通過延遲V33導(dǎo)通，電流i3經(jīng)V33→VD34續(xù)流，而不是經(jīng)VD31→VD34續(xù)流，減小了對工作逆變電路耦合的影響，改善了變壓器二次輸出電壓的質(zhì)量。

圖3 電路工作模式

2 變壓器結(jié)構(gòu)對逆變器的影響

各個逆變電路通過高頻變壓器耦合輸出，高頻變壓器的結(jié)構(gòu)對逆變電路的輸出電壓影響很大，變壓器的等效電路如圖4所示。

圖4 等效電路

第一個逆變器在變壓器一次繞組側(cè)輸出電壓u1為：

式（1）中，R1、L1為一次繞組的電阻、電感，e1為繞組中的反電動勢。

由式（1）可以看出，u1和e1的相對大小決定了電壓和電流的相位差，即能量的流動方向。

采用獨立鐵芯的變壓器耦合，輸出電流io反向，故有：

式（2）中，L1o為第一個變壓器一、二次繞組之間的互感，io為變壓器二次側(cè)電流。

把式（2）代入式（1）得到：

采用共用鐵芯變壓器時，第一、二次繞組之間都有較強的耦合，故有：

式（4）中，L12為共用鐵芯變壓器一次側(cè)的第一、二次繞組之間的互感。

把式（4）代入式（1）得到：

比較式（3）和式（5）可知，采用共用鐵芯變壓器時，工作的逆變電路在變壓器第一個繞組上耦合出上負(fù)下正的電壓e1，使得第一個逆變電路續(xù)流過程加長。各繞組之間存在著較強的非線性耦合，不僅任意兩個繞組之間都可能存在功率交換，影響變壓器的輸出功率和電能質(zhì)量，而且二次繞組數(shù)量過多，在實現(xiàn)上存在較大困難，所以獨立鐵芯更占優(yōu)勢。

采用PSCAD 仿真軟件對電路進(jìn)行仿真，主要仿真參數(shù)如表1、2 所示。

表1 共用鐵芯變壓器主要仿真參數(shù)

表2 獨立鐵芯變壓器主要仿真參數(shù)

兩種結(jié)構(gòu)的逆變電路均采用分時疊加控制，驅(qū)動信號如圖5所示。

圖5 分時疊加控制驅(qū)動信號波

共用鐵芯高頻變壓器仿真結(jié)果如圖6所示，由圖6(a)可知，各繞組之間互相耦合，i1續(xù)流時間變長。由圖6(b)可知，單個逆變電路輸出電壓u1受其他逆變電路影響較大，變壓器二次側(cè)輸出電壓uo質(zhì)量變差，驗證了該文的理論分析。

圖6 共用鐵芯仿真結(jié)果

圖7為獨立鐵芯仿真波形，各個變壓器繞組之間耦合較小，由圖7(a)可知，第一個逆變電路續(xù)流期間，輸出電壓u1為零，不會影響其他工作的逆變電路的輸出電壓。由圖7(b)可知，變壓器二次側(cè)輸出電壓質(zhì)量較好，單個開關(guān)管工作頻率為100 kHz，變壓器輸出頻率為300 kHz，實現(xiàn)了倍頻輸出。

圖7 獨立鐵芯仿真結(jié)果

3 實驗驗證

實驗中采用3 個單相全橋逆變電路通過獨立鐵芯的高頻變壓器耦合輸出，采用STM32F407ZGT6作為控制器，采用DC120V 蓄電池給逆變器供電,負(fù)載等效電阻R=10 Ω，L=1.54 μH，高頻變壓器鐵芯為鐵氧體，變比均為1：1，高頻變壓器輸出側(cè)濾波電感為0.5 mH。圖8為單片機(jī)輸出控制信號ug11和ug14的波形，ug14使得V14延遲關(guān)斷。由圖9可以看出，續(xù)流的逆變電路輸出電壓為0，對工作的逆變電路基本沒有影響，逆變電路之間互相耦合影響小。圖10、11 為變壓器二次側(cè)輸出電壓、電流波形，輸出電壓為方波，頻率為333 kHz，通過分時控制實現(xiàn)了倍頻的目的。

圖8 單片機(jī)輸出波形

圖9 第一個逆變器輸出電壓波形

圖10 變壓器二次側(cè)輸出電壓波形

圖11 變壓器二次側(cè)輸出電流波形

4 結(jié) 論

文中提出了采用多個單相電壓型逆變模塊并聯(lián)工作，采用一種改進(jìn)的分時疊加控制策略，不受死區(qū)時間限制，通過新的續(xù)流通道，減小變壓器之間的耦合影響。文中詳細(xì)分析了電路工作過程和變壓器結(jié)構(gòu)對逆變電路的影響，得出獨立鐵芯高頻變壓器對逆變電器輸出影響較小的結(jié)論。某個逆變模塊出現(xiàn)故障時，可以在一次側(cè)增加一個或多個冗余逆變模塊，容易實現(xiàn)故障冗余，應(yīng)用靈活。仿真和實驗結(jié)果表明，電路輸出頻率是功率器件工作頻率的N倍，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活且控制策略簡單，具有很好的應(yīng)用前景。