一種適用于超高頻感應(yīng)加熱電源的混合全橋逆變器

一種適用于超高頻感應(yīng)加熱電源的混合全橋逆變器

1混合全橋感應(yīng)加熱電源拓?fù)鋺?yīng)用溫度加熱可用于金屬精煉、透熱、加熱和焊接過(guò)程。它是冶金、國(guó)防、機(jī)械工程等部門不可缺少的一部分。目前感應(yīng)加熱行業(yè)正朝著高頻和大容量化發(fā)展。在1MHz頻率以下的應(yīng)用已被固態(tài)高頻感應(yīng)加熱覆蓋,技術(shù)比較成熟;在1MHz頻率以上,已經(jīng)有采用電壓源串聯(lián)型拓?fù)涞男」β孰娫?不過(guò)由于串聯(lián)型拓?fù)鋵?duì)母線輸入端雜散電感比較敏感,對(duì)工藝要求較高,同時(shí)死區(qū)時(shí)間非常短(幾十納秒級(jí)別),因此實(shí)際應(yīng)用受到限制,而電流源型拓?fù)淠孀冚敵龆伺c諧振回路之間不可避免有寄生電感。由于高頻電源對(duì)寄生參數(shù)特別敏感,雜散電感和寄生電容容易引起電壓過(guò)沖和高頻振蕩,因此傳統(tǒng)的電壓源型或電流源型拓?fù)涔ぷ黝l率很難提高。追溯超高頻感應(yīng)加熱電源拓?fù)?基本可以歸結(jié)為class-D和class-E功率放大器。典型D類放大器與串聯(lián)型半橋拓?fù)漕愃?都屬于直流電壓源供電,其驅(qū)動(dòng)必須預(yù)留死區(qū)時(shí)間,并且短路保護(hù)困難,不適合用在超高頻領(lǐng)域;E類放大器由于其良好的開(kāi)關(guān)特性,適合用在超高頻領(lǐng)域。由于它們一般由單管或雙管構(gòu)成,同時(shí)對(duì)負(fù)載要求較高,不適合負(fù)載變化較大場(chǎng)合,因此在感應(yīng)加熱場(chǎng)合應(yīng)用有限。文獻(xiàn)提出了一種新穎的超高頻感應(yīng)加熱拓?fù)?不過(guò)其等效諧振負(fù)載有多個(gè)儲(chǔ)能元件,有多個(gè)諧振頻率,過(guò)于復(fù)雜,不利于負(fù)載變化劇烈的場(chǎng)合,同時(shí)元件參數(shù)也很難匹配。針對(duì)上述問(wèn)題,本文提出一種新穎的混合全橋超高頻感應(yīng)加熱電源,它同時(shí)具有class-E電路的良好開(kāi)關(guān)特性。該拓?fù)錇橐换旌贤負(fù)?即輸入端為電流源,逆變輸出端串接LCR負(fù)載。它結(jié)合了電壓源型拓?fù)浜碗娏髟葱偷膬?yōu)點(diǎn),一方面能吸收輸入端和輸出端的寄生參數(shù),同時(shí)又避免了互補(bǔ)橋臂之間預(yù)留死區(qū)時(shí)間或重疊時(shí)間的問(wèn)題,因此適合大功率超高頻感應(yīng)加熱場(chǎng)合。2主電路14g混合全橋逆變拓?fù)渲麟娐啡鐖D1所示。輸入端為平波大電感,它可以吸收母線寄生電感,輸入端為一恒流源。S1~S4為4個(gè)帶有反并聯(lián)二極管的MOSFET組成。C1~C4為等效并聯(lián)諧振電容,它包括有MOSFET的輸出電容Coss,VD1~VD4為四個(gè)反并聯(lián)續(xù)流二極管。Ld為直流母線串聯(lián)的大電感;L、R為等效負(fù)載,C為串聯(lián)諧振電容,逆變輸出端可以吸收雜散電感,IDC、iL、iVD1分別是直流母線電流、負(fù)載電流以及反并聯(lián)二極管VD1的電流。從輸入端看,它屬于電流源型拓?fù)?而輸出端又為L(zhǎng)CR串聯(lián)負(fù)載,可以看成電壓源型拓?fù)?因此主電路可以看成并聯(lián)-串聯(lián)混合式拓?fù)?。為了?jiǎn)化分析,以下假定電路所用元器件皆為理想器件。2.1等效導(dǎo)納諧振原理圖2為等效諧振回路,假定主電路中MOSFET參數(shù)一致,即它們的輸出電容相同,開(kāi)關(guān)管兩端并聯(lián)電容大小相同,因此C1=C2=C3=C4=Cb/2。由圖2所示可知,負(fù)載諧振回路為復(fù)合諧振回路,等效導(dǎo)納諧振時(shí),其等效虛部為零,即假定Q2＝(ωLR)2＞＞1,整理式(2)可得負(fù)載回路有兩個(gè)諧振頻率式中,f1為串聯(lián)諧振頻率;f2為等效并聯(lián)復(fù)合諧振頻率。等效負(fù)載幅頻特性和相頻特性曲線如圖3所示。設(shè)工作頻率為f。當(dāng)f>f2或f<f1時(shí),負(fù)載特性為容性,在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通之時(shí)其漏源極兩端電壓并未下降到零,開(kāi)關(guān)管以非零電壓開(kāi)通,損耗大,逆變器不能工作在此區(qū)間;當(dāng)f1<f<f2時(shí),負(fù)載特性為感性,開(kāi)關(guān)管以ZVS、ZCS方式導(dǎo)通,同時(shí)關(guān)斷電壓以近似正弦形式上升,開(kāi)關(guān)損耗小,為所需工作狀態(tài);當(dāng)f=f1或f=f2時(shí),此時(shí)工作頻率等于諧振頻率,負(fù)載為阻性特性。2.2s1、c3與負(fù)載模式項(xiàng)假定電路工作在感性區(qū)間,即f1<f<f2。圖4所示為逆變器的工作波形。ugS14為S1、S4的門極驅(qū)動(dòng)信號(hào);ugS23為S2、S3的門極驅(qū)動(dòng)信號(hào);uAB為逆變輸出電壓;uS1為MOS管S1漏源極電壓。將電路的一個(gè)開(kāi)關(guān)周期分為8個(gè)不同的工作階段組成,圖5所示為各階段等效電路。(1)階段1(t0~t1):在t0時(shí)刻之前,S2、S3導(dǎo)通,S1、S4關(guān)斷,負(fù)載諧振電壓受VD1、VD4鉗位一直保持為零;負(fù)載電流小于零,一部分通過(guò)開(kāi)關(guān)管S2、S3,另一部分流向續(xù)流二極管VD1、VD4;t0時(shí)刻,撤除S2、S3驅(qū)動(dòng)脈沖,同時(shí)開(kāi)通S1、S4;開(kāi)關(guān)管S2、S3上面的電流自然換流至諧振電容C2、C3;C2、C3與負(fù)載回路形成并聯(lián)諧振槽路,S2、S3漏源極電壓以正弦形式上升,電壓斜率低,因此關(guān)斷損耗小;負(fù)載電壓開(kāi)始諧振上升,負(fù)載電流依舊小于零,而續(xù)流二極管VD1、VD4電流此時(shí)并未下降到零,繼續(xù)續(xù)流。(2)階段2(t1~t2):t1時(shí)刻,iVD1、iVD4過(guò)零,電流自然換向至S1、S4,并且開(kāi)始諧振上升;因此S1、S4實(shí)現(xiàn)了ZVS、ZCS開(kāi)通;在此階段期間,C2、C3與負(fù)載形成并聯(lián)諧振槽路,負(fù)載電流諧振上升。(3)階段3(t2~t3):t2時(shí)刻,負(fù)載電壓諧振到最高值,此時(shí)C2、C3的電流為零,之后開(kāi)始反向。以上3個(gè)階段負(fù)載電流為對(duì)上述兩式進(jìn)行拉氏變換可得因此階段1中VD1電流和階段2、階段3中S1電流為(4)階段4(t3~t4):t3時(shí)刻,負(fù)載電壓諧振到零,之后受VD2、VD3鉗位,負(fù)載電壓一直保持為零;而負(fù)載電流一部分流向S1、S4,另一部分經(jīng)VD2、VD3續(xù)流。本階段負(fù)載電流式中,為t3時(shí)刻負(fù)載電流值。VT1和VD1的電流均為零。(5)階段5(t4~t5):t4時(shí)刻,撤除S1、S4驅(qū)動(dòng)脈沖,同時(shí)接通S2、S3;開(kāi)關(guān)管S1、S4上面的電流自然換流至諧振電容C1、C4。C1、C4與負(fù)載并聯(lián)形成諧振槽路,其端電壓以正弦形式上升,電壓斜率低,因此關(guān)斷損耗小;負(fù)載電壓開(kāi)始諧振上升,負(fù)載電流依舊大于零,而續(xù)流二極管VD2、VD3電流此時(shí)并未下降到零,繼續(xù)續(xù)流。(6)階段6(t5~t6):t5時(shí)刻,iVD2、iVD3自然過(guò)零,電流自然換向至S2、S3,并且開(kāi)始諧振上升;因此S2、S3實(shí)現(xiàn)了ZVS、ZCS導(dǎo)通;在此階段期間,C1、C4與負(fù)載形成并聯(lián)諧振槽路,負(fù)載電流諧振上升。(7)階段7(t6~t7):t6時(shí)刻,負(fù)載電壓諧振到最高值,此時(shí)C1、C4上的電流為零,之后開(kāi)始反向。階段5~階段7各電流表達(dá)式類似式(8)。(8)階段8(t7~t8):t7時(shí)刻,負(fù)載電壓諧振到零,之后受VD1、VD4鉗位,負(fù)載電壓一直保持為零;而負(fù)載電流一部分流向S2、S3,另一部分經(jīng)VD1、VD4續(xù)流。至此,一個(gè)開(kāi)關(guān)周期結(jié)束,當(dāng)t=t8時(shí)刻下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期開(kāi)始。此階段各電流表達(dá)式類似式(11)。2.3fpsdf2時(shí)負(fù)載電壓實(shí)現(xiàn)當(dāng)工作頻率在恰當(dāng)區(qū)域,即如前文所述f1<f<f2。負(fù)載電壓和驅(qū)動(dòng)波形如圖6所示。按照?qǐng)D6所示,負(fù)載電壓為奇函數(shù)。設(shè)式中,f為工作開(kāi)關(guān)頻率;f2為等效復(fù)合并聯(lián)諧振頻率。諧振電壓以正弦形式上升,假定負(fù)載電壓峰值為uABm,因此負(fù)載電壓可以表示如下:輸入直流電壓為因此可得負(fù)載電壓由基波及各次諧波組成,用傅里葉分析法得到基波及各次諧波電壓幅值當(dāng)D=1時(shí),工作頻率等于諧振頻率,負(fù)載電壓沒(méi)有中間一段為零的小平臺(tái),只有基波分量,此時(shí)效率最高,開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力最小;根據(jù)式(16),如果D過(guò)小,會(huì)導(dǎo)致負(fù)載峰值電壓過(guò)高,并且此時(shí)諧波電壓幅值也相應(yīng)增加。2.4等效諧振回路的特點(diǎn)(1)電源輸入端有平波大電感,逆變輸出端為L(zhǎng)CR串聯(lián)負(fù)載,可以避免輸入引線寄生電感、輸出引線寄生電感帶來(lái)的不利影響,并且短路保護(hù)能力強(qiáng)。(2)當(dāng)工作在感性區(qū)域時(shí),負(fù)載電壓以ZVS、ZCS導(dǎo)通,近似ZVS關(guān)斷,開(kāi)關(guān)損耗小,適合超高頻場(chǎng)合。(3)由于輸入端是電流源型,輸出端是電壓源型,因此互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)之間無(wú)需留死區(qū)時(shí)間或重疊時(shí)間。(4)等效諧振回路只有三個(gè)儲(chǔ)能元件,負(fù)載配置簡(jiǎn)單,適合負(fù)載變化較激烈的場(chǎng)合。(5)開(kāi)關(guān)管要承受較大的電流應(yīng)力,同時(shí)對(duì)主電路布線要求較高,特別是并聯(lián)諧振電容上面的引線電感對(duì)電路影響較大,這也是本電路的缺點(diǎn)所在。3開(kāi)關(guān)管zvs、zcs導(dǎo)通綜上所述,當(dāng)選取合理的負(fù)載參數(shù)時(shí),開(kāi)關(guān)管有良好的開(kāi)關(guān)環(huán)境。為驗(yàn)證前述理論分析的正確性,對(duì)電路進(jìn)行了仿真研究并搭建了1MHz/1kW的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。下表為仿真和實(shí)驗(yàn)時(shí)所用元件及其參數(shù)。圖7為Matlab仿真波形,其中波形1為開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)波形;波形2為對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)管漏源極電壓;波形3為對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)管電流波形;波形4、波形5分別為負(fù)載電壓、負(fù)載電流波形。在開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)脈沖來(lái)臨之前,開(kāi)關(guān)管電流小于零,此時(shí)其反并二極管續(xù)流,因此可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管ZVS、ZCS導(dǎo)通,關(guān)斷時(shí)開(kāi)關(guān)管漏源極電壓以正弦形式上升,近似為ZVS關(guān)斷。圖8為所搭建硬件電路實(shí)驗(yàn)波形。圖8a和圖8b為兩路互補(bǔ)橋臂驅(qū)動(dòng)波形及其展開(kāi)圖;高電平為+15V,低電平為-5V,占空比接近0.5,驅(qū)動(dòng)之間幾乎沒(méi)有死區(qū)時(shí)間;同時(shí)也沒(méi)有長(zhǎng)時(shí)間彌勒效應(yīng),因此該拓?fù)溥m合用在超高頻電源中。圖8c為當(dāng)工作頻率f=1.20MHz>f2時(shí),負(fù)載電壓uAB、負(fù)載電流iL波形。此時(shí)負(fù)載特性為容性,開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通之前漏源極電壓并未諧振到零,導(dǎo)通損耗大,并且此時(shí)電路振蕩比較嚴(yán)重,實(shí)際中應(yīng)當(dāng)避免工作在此區(qū)域。圖8d為當(dāng)工作頻率f=f2=1.11MHz時(shí),負(fù)載電壓uAB、負(fù)載電流iL波形。此時(shí)負(fù)載特性為阻性,MOS管以ZVS、ZCS導(dǎo)通,ZVS關(guān)斷,為理想工作情況,實(shí)際中很難在此工作。圖8e為當(dāng)工作頻率f=1.0MHz<f2時(shí),負(fù)載電壓uAB、負(fù)載電流iL波形。此時(shí)負(fù)載特性為感性,開(kāi)關(guān)管以ZVS、ZCS導(dǎo)通,近似ZVS斷開(kāi)。圖8f為對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)管漏源極電壓和其驅(qū)動(dòng)之間的關(guān)系,可見(jiàn)此時(shí)在開(kāi)關(guān)管柵極脈沖來(lái)臨之前,其漏源極電壓已經(jīng)降為零,而關(guān)斷時(shí)漏源極電壓以正弦形式上升,關(guān)斷損耗小,實(shí)際中電路應(yīng)當(dāng)工作在此區(qū)域。4并帶輔助開(kāi)關(guān)管輸出電容