新型零电流开关高频谐振逆变器的设计

第３６卷第６期　２０１４年１２月　黑龙江电力　Ｖｏ１．３６　Ｎｏ．６　Ｄｅｃ．２０１４　Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ　Ｅｌｅｃｔｉｒｃ　Ｐｏｗｅｒ　新型零电流开关高频谐振逆变器的设计　张业茂　（东北电力大学电气工程学院，吉林吉林１３２０１２）　摘要：针对目前全桥负载感应加热电源工作过程中存在的开关损耗较大问题，设计了一种应用于高频感应加热电源中的新　型零电流开关谐振逆变器。分析了开关模式的７种状态，利用四阶Ｒｕｎｇｅ—Ｋｕｔｔ方法对逆变器的实际功率、视在功率、开关电　流、开关电压、输出功率进行了理论分析。通过抑制开关电流／电压提高了功率因数，并利用实验结果验证了理论分析的正　确性。　关键词：ＺＣＳ；谐振；Ｒｕｎｇｅ—Ｋｕｔｔａ；功率因数　中图分类号：ＴＭ４６４　文献标志码：Ａ　文章编号：２０９５—６８４３（２０１４）０６—０５２９—０５　Ｄｅｓｉｇｎ　ｆｏｒ　ｎｅｗ　ｚｅｒｏ——ｃｕｒｒｅｎｔ——ｓｗｉｔｃｈ　ｈｉｇｈ—－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｒｅｓｏｎａｎｔ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ　ＺＨＡＮＧ　Ｙｅｍａｏ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎｏｒｔｈｅａｓｔ　Ｄｉａｎｌｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉｌｉｎ　１３２０１２，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇ　ａｔ　ｔｈｅ　ｂｉｇ　ｓｗｉｔｃｈ　ｌｏｓｓ　ｏｆ　ｆｕｌｌ—ｂｒｉｄｇｅ—ｔｉｅｄ　ｌｏａｄ　ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ　ｈｅａｔｉｎｇ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ　ｄｕｒｉｎｇ　ｏｐｅｒａ－　ｔｉｏｎ，ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｄｅｓｉｇｎｓ　ａ　ｎｅｗ　ｚｅｒｏ—ｃｕｒｒｅｎｔ—ｓｗｉｔｃｈ　ｈｉｇｈ一￣ｅｑｕｅｎｃｙ　ｒｅｓｏｎａｎｔ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ，ａｎａｌｙｚｅｓ　ｔｈｅ　ｓｅｖｅｎ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｓｗｉｔｃｈ　ｍｏｄｅ，ａｎｄ　ｍａｋｅｓ　ｔｈｅ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｒｅａｌ　ｐｏｗｅｒ，ａｐｐａｒｅｎｔ　ｐｏｗｅｒ，ｓｗｉｔｃｈ　ｃｕｒｒｅｎｔ，　ｓｗｉｔｃｈ　ｖｏｌｔａｇｅ　ａｎｄ　ｏｕｔｐｕｔ　ｐｏｗｅｒ　ｏｆ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ　ｂｙ　Ｒｕｎｇｅ—Ｋｕｔｔ．Ｔｈｅ　ｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｉｓ　ｐｒｏｖｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒ—　ｉｍｅｎｔ　ｒｅｓｕｌｔ，ｗｈｉｃｈ　ａｌｓｏ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｐｏｗｅｒ　ｆａｃｔｏｒ　ｃａｎ　ｂｅ　ｅｎｈａｎｃｅｄ　ｂｙ　ｒｅｓｔｒａｉｎ　ｓｗｉｔｃｈ　ｃｕｒｒｅｎｔ／ｖｏｌｔａｇｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＺＣＳ；ｒｅｓｏｎａｎｔ；Ｒｕｎｇｅ—Ｋｕｔｔａ；ｐｏｗｅｒ　ｆａｃｔｏｒ　汽车尾气排出的有害物质（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ　Ｍａｔｔｅｒ，以　下简称ＰＭ）已经成为肺癌和过敏症状的主要原因，　的理论分析；文献［４］总结、归纳了控制型软开关的　５个特征，但没有提出一个具体有效的软开关电路。　本文提出了一种新的ＺＣＳ高频谐振逆变电路，将　ＺＣＳ特性用常规参数进行了数值分析，并通过实验　进行了验证。　汽车或船用柴油发动机的尾气排放控制已经迫在眉　捷。能够减少有害物质排放的方法之一就是以高频　感应加热装置为核心的ＰＭ燃烧系统，柴油发动机排　放的ＰＭ通过有感应加热装置的金属过滤器，会立即　减少。在高频感应加热电源应用过程中存在开关损　１新型ＺＣＳ高频逆变器　目前，电流型和电压型逆变器已广泛用于感应　加热电源，它们有各自的优缺点。传统电流型并联　耗等问题，软开关技术，如ＺＣＳ（零电流开关）和ＺＶＳ　（零电压开关）能够解决这些问题¨　。　软开关技术是使功率变换器得以高频化的重　要技术之一，当电流自然过零时，使器件关断（或电　压为零时，使器件开通），从而减少开关损耗。文　谐振逆变器如图１所示，这种电路的优点是短路电　流容易控制，短路及直通保护比较容易，然而一个　电流型逆变器需要匹配一个大的直流电抗器　，此　外由于逆变回路中的电流变化率较高，在电路中会　献［２］利用对比法对功率损耗及效率进行了详细分　析，但其数学模型还有待优化；文献［３］介绍了移相　全桥软开关电路的组成及其优点，但并没有做仔细　收稿日期：２０１４—０８—１２。　引起较高的杂散电感和浪涌电压。　传统的电压串联谐振逆变器如图２所示，其逆　变回路中的电流变化率相比电流型较低且近似正　弦波，它的缺点是短路保护比较困难，所以为了防　止短路，需要严格控制死区时间。　作者简介：张业茂（１９８８一），男，在读硕士，主要研究方向为高频感　应加热电源。　・５３０・　黑龙江电力　第３６卷　图１　传统电流型并联谐振逆变器　Ｆｉｇ．１　Ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｃｕｒｒｅｎｔ—ｍｏｄｅ　ｐａｒａｌｌｅｌ　ｒｅｓｏｎａｎｔ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ　图２传统的电压串联谐振逆变器　Ｆｉｇ．２　Ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｓｅｒｉｅｓ　ｒｅｓｏｎａｎｔ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ　在这种条件下，开发了采用　（　／Ｌ。＜１）系列　的串联谐振零电流输入型高频逆变器，如图３　所示。　图３　Ｌ　串联谐振零电流输入型高频逆变器　Ｆｉｇ．３　Ｌｄ　ｓｅｒｉｅｓ　ｒｅｓｏｎａｎｔ　ｚｅｒｏ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｉｎｐｕｔ　ｌＩｉｇｈ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ　在这种逆变器中，通过使用ＩＧＢＴ模块的几个　开关元件和电路中其他元件可实现稳定的ＺＣＳ操　作。但是由于负载和直流电源的突然变化，开关电　流被强制关闭，这时需要一个能量守恒的电路来吸　收这些多余的能量。　考虑到这几点，本文提出一种新型的零电流开　关高频逆变器，如图４所示。在这种逆变器中，没　有连接直流电抗器，杂散电感被控制在Ｌ　的直流支　路中，线路损耗和浪涌电压被抑制在电源处。此　外，本电路的谐振品质因数也会较为平稳，因此在　ＺＣＳ稳定工作时，即使开关应力有较大的变化，串联　和并联的谐振也可以正常工作。　图４新型ＺＣＳ串联谐振逆变器　Ｆｉｇ．４　Ｍｏｄｅｌ　ＺＣＳ　ｓｅｒｉｅｓ　ｒｅｓｏｎａｎｔ　ｈｉｇｈ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ　２　ＺＣＳ工作原理　．　图５为逆变器的开关操作模式，可分为以下７　种模式：　模式１：Ｓ　一Ｓ　单导通模式。　模式２：Ｄ　一Ｄ：单导通模式。　模式３：Ｄ　一Ｄ　，．ｓ，一Ｊｓ　双导通模式。　模式４：Ｊｓ　一Ｓ　单导通模式。　模式５：Ｄ　一Ｄ　单导通模式。　模式６：Ｄ，一Ｄ　，Ｓ　一．ｓ　双导通模式。　模式７：关闭模式。　（ａ）　（ｂ）　鹾　（ｃ）　（ｄ）　［］　（ｇ）　图５开关模式　Ｆｉｇ．５　Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅ　在ＺＣＳ工作过程中，每种模式下开关状态的波　形如图６所示。　第６期　张业茂：新型零电流开关高频谐振逆变器的设计　・５３３・　从图１０、图１１可以发现，在ＺＣＳ的作用区域，　二　被在小于１．２倍的电源电压　，而在　小　的部分里几乎与Ｅ　相等。对于负载参数Ａ来说，　变化较小。此外，当　值一直保持较小时，开关　电流的应力就会被抑制。　的分布如图１２所示。从图ｌ２可以发现，　Ｐ　的值随Ａ的增加而增加。在感应加热系统中，　若负载电阻　的值变小，则Ａ的值也变小。由公　式Ａ＝Ｒ。￣／ｃ。－／￣ｏｏ可知：在电路设计时，应该尽量　增大电容ｃ。的值，使得Ａ的值增加。在，二　和　的开关应力较大时，应该适当增加／Ｚ（＝２　√　ｃ。），从ＺＣＳ特征值的一般性考虑，在设计电路　时选择的参数为Ａ＝０．６、　＝０．７。　１．５　１．０　０．５　１．Ｏ　Ｏ　３　图１２　分布　Ｆｉｇ．１２　Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｐ：　５　实验结果　在数值分析的基础上，设计一款１．２　ｋＷ，　２２　ｋＨｚ的高频感应加热电源，其中的一些参数　如下：　输出功率为１．２　ｋＷ；输入电压为０～３００　Ｖ；加　热温度为０—６１７　ｏＣ；工作频率为２２　ｋＨｚ；归一化参　数为　＝２．７，Ａ＝０．６，　：０．０５，卢＝０．８，Ｐ＝０．２；电　路参数为Ｒ０＝３．５～４．５　Ｑ，Ｌｏ＝１００　ｌｘＨ，ｔ＝８０　ＩｘＨ，　Ｃｏ＝４．０　ｔｚＦ，Ｃ　＝０．８　Ｆ，ＩＧＢＴ为ＩＫＷ４０Ｎ１２０Ｔ　（６００　Ｖ／５０　Ａ）。　实验波形和理论结果的比较如图１３所示。从　图ｌ３可以看到，实验波形与数值分析波形吻合较　好，由此可以证明，在ＺＣＳ稳定运行时，尖峰电压和　浪涌电流受到抑制，而且开关损耗较小。　６　结语　针对全桥谐振逆变器工作中存在的开关损耗的　２　●＿－　Ｓ　Ｏ　ｌ　　｛０　５　１．　２　～　・　Ｏ　／—、　　：２　５一●　１　一０　／　。　、　／　０　５　＂－４　２　一　・　０　一‘　Ｊｈ　２　６＇　～一　１　一Ｓ　０　／　、、　／　数值分析　实验波形　图１３实验波形　Ｆｉｇ．１３　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｗａｖｅ　ｆｏｒｍｓ　问题，设计了一种新型的零电流开关高频逆变器电　路，并将其应用于电流反馈型并联谐振感应加热电　源中，对实际功率因数ｃｏｓＯ、视在功率因数ｃｏｓ０　、开　关电流　…、开关电压　和输出功率Ｐ０进行了系　统的分析。设计了一款１．２　ｋＷ，２２　ｋＨｚ的实验样　机，通过实际运行与理论结果的比较验证了电路的　正确性。此外，通过抑制开关电流／电压应力提高　了功率因数。　参考文献：　［１］阮新波，严仰光．直流开关电源的软开关技术［Ｍ］．北京：科学　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，钟彦儒．软开关技术三相ＰＷＭ逆变器及效　率的分析研究［Ｊ】．电工技术学报，２００３，１８（４）：３０—３４．　ＭＩＮＧ　Ｚｈｅｎｇｆｅｎｇ，ＮＩ　Ｇｕａｎｇｚｈｅｎｇ，ＺＨＯＮＧ　Ｙａｎｒｕ．Ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ｓｏｆｔ—ｓｗｉｔｃｈｅｄ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ［Ｊ］．Ｔｒａｎｓａｃ－　ｔｉｏｎｓ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ　Ｅｌｅｃｔｍｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｓｏｃｉｅｔｙ，２００３，１８（４）：３Ｏ一３４．　［３］张瑞萍，曹亮，吕珂．基于软开关技术移相全桥变换器的仿　真分析［Ｊ］．电子测试，２０１０（５）：６９—７２．　ＺＨＡＮＧ　Ｒｕｉｐｉｎｇ，ＣＡＯ　Ｌｉｎａｇ，ＬＹＵ　Ｋｅ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｐｈａｓｅ—－ｓｈｉｔｆｅｄ　ｆｕｌｌ——ｂｒｉｄｇｅ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　ｂａｓｅｄ　ｓｏｆｔ—・ｓｗｉｔｃｈ　ｔｅｃｈｎｏｌｏ—　ｇｙ［Ｊ］．Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｔｅｓｔ，２０１０（５）：６９—７２．　［４］赵慧君，冒泽慧，姜斌，等．基于爬山法快速波形匹配的高频　电源过程控制［Ｊ］．科技通报，２０１１，２７（５）：７２０—７２５．　ＺＨＡＯ　Ｈｕｉｊｕｎ，ＭＡＯ　Ｚｅｈｕｉ，ＪＩＡＮＧ　Ｂｉｎ，ｅｔ　ａ１．Ｈｉｇｈ—ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｈｉｌｌ—ｃｌｉｍｂｉｎｇ　ｆａｓｔ　ｗａｖｅ　ｆｏｒｍ　ｍａｔｃｈｉｎｇ［Ｊ］．Ｂｕｌｌｅｔｉｎ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１　１，　２７（５）：７２０—７２５．　（责任编辑郭金光）