一種用于零電壓開關(guān)的超高頻變換器

一種用于零電壓開關(guān)的超高頻變換器

0種雙管超高頻感應(yīng)加熱電源的拓?fù)湔缀占壋哳l加熱在表面加熱和加熱工藝中具有獨(dú)特的優(yōu)勢和良好的應(yīng)用前景。然而，該段的加熱電源主要由電子管控制器組成。眾所周知,電子管感應(yīng)加熱設(shè)備效率很低(50%左右),器件使用壽命短,需要預(yù)熱啟動。采用MOSFET等快速電力電子器件研制全固態(tài)超高頻感應(yīng)加熱已經(jīng)成為該領(lǐng)域的發(fā)展趨勢,并在1MHz左右的小功率應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)取得了一些成果[2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13]。相對于較低頻率(如幾十kHz、幾百kHz),兆赫級超高頻電源由于開關(guān)頻率高,在電路設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝上增加了很多問題,特別是需要解決電路中雜散分布參數(shù)引起的電壓電流過沖和器件開關(guān)損耗大這兩大問題。因?yàn)樵谡准夘l率下,線路中的雜散電感和器件寄生電容的等效阻抗已經(jīng)不能忽略,所引起的寄生振蕩和電壓、電流過沖將危及電路的正常工作;另一方面,隨著工作頻率的上升,器件的開關(guān)損耗也隨之增大。因此,設(shè)計(jì)超高頻電源的電路首先需要能夠吸收(或工藝上減小)電路中的雜散分布參數(shù)、減低開關(guān)損耗。目前超高頻小功率加熱電源的拓?fù)涠酁閱喂芑螂p管結(jié)構(gòu):Class-D電路在射頻電源中有較長的應(yīng)用歷史,也適合于高頻加熱工作。文獻(xiàn)研究了D類諧振逆變器并研制了1MHz加熱電源。但是D類諧振逆變器屬于電壓型逆變器,上下開關(guān)必須設(shè)置導(dǎo)通死區(qū),該死區(qū)需要占用每個周期內(nèi)的一段時間,這不利于頻率的進(jìn)一步提高,且電壓型電路短路保護(hù)較困難。Class-E電路通過在功率器件兩端并聯(lián)電容來吸收器件寄生電容,目前已有采用E類雙管拓?fù)溲兄瞥晒?MHz小功率感應(yīng)加熱電源的報導(dǎo)。雖然Class-E電路的開關(guān)損耗小,適合應(yīng)用于超高頻、甚至射頻領(lǐng)域,但由于其負(fù)載適應(yīng)能力差,在負(fù)載參數(shù)變化范圍較大的感應(yīng)加熱中應(yīng)用有很大的局限性。借鑒DC/DC變換中的軟開關(guān)技術(shù)應(yīng)用于超高頻感應(yīng)加熱,需要注意吸收開關(guān)回路的分布參數(shù)和諧振槽路負(fù)載匹配問題。本文針對兆赫級超高頻工作狀況,提出了一種能夠吸收線路雜散分布參數(shù),且電路中開關(guān)器件工作于零電壓軟開關(guān)的新型雙管超高頻感應(yīng)加熱電源電路。該結(jié)構(gòu)另一個突出的優(yōu)點(diǎn)是:在輸入端增加了高頻平波電抗器,所以該拓?fù)溆志哂须娏餍湍孀兤鞯膬?yōu)點(diǎn):兩只開關(guān)的導(dǎo)通沒有死區(qū)時間的限制。本文介紹了電路的工作原理,分析了諧振槽路的電壓電流波形,并給出了仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果。1工業(yè)原理和主要波形1.1輔助諧振回路圖1為本文提出的適合于超高頻工作的感應(yīng)加熱電源電路。與普通的全橋電路相比,兩個橋臂的上管被兩個電感La1、La2所代替。LCR是負(fù)載諧振槽路,通過鎖相控制,可以讓該槽路工作于其固有諧振頻率。Ca1、Ca2為包括開關(guān)器件內(nèi)部輸出電容在內(nèi)的諧振電容。顯然,除了負(fù)載諧振回路以外,電路中還存在另外一個諧振回路,即La(La1、La2),Ca(Ca1、Ca2)和LCR負(fù)載槽路的等效阻抗(Req)組成的輔助諧振回路。正是這個輔助諧振回路,使得開關(guān)Q1、Q2實(shí)現(xiàn)了零電壓開通和零電壓關(guān)斷,極大地減低了開關(guān)損耗。同時,該輔助諧振回路中電感的La1、La2吸收了線路上雜散引線分布電感,Ca1、Ca1吸收了器件Q1、Q2上的寄生電容,從而消除了寄生參數(shù)引起的電壓、電流過沖,使得該電路能夠工作于兆赫級的頻率。另外,輸入端濾波電感Ld使得該逆變器同時具有電流型無直通短路和電壓型小體積的優(yōu)點(diǎn),兩只開關(guān)的通斷也不需要留出死區(qū)時間,因而更適合超高頻工作的要求。1.2工作模式3階段uq2s該電路在一個開關(guān)周期內(nèi)由8個不同的工作模式組成:工作模式1[t0～t1]:在t=t0時之前,Q1的門極開通信號送出,但由于此時流過開關(guān)的電流方向?yàn)閺南孪蛏?即從MOSFET內(nèi)部反并二極管D1流過,直到電流過零后才能轉(zhuǎn)向Q1,并以諧振的方式上升。因?yàn)镼1流過正向電流之前,其漏源極電壓UQ1DS已經(jīng)為零,所以Q1是零電壓ZVS開通。此時Q2受控關(guān)斷,并聯(lián)電容Ca2與等效負(fù)載阻抗Req并聯(lián)以后再與輔助電感La2組成串聯(lián)諧振回路,Q2的漏源極電壓即Uca2上以諧振方式上升。Io為槽路電流。工作模式2[t1～t2]:t=t1時,右橋臂開關(guān)管Q2仍然處于關(guān)斷狀態(tài),輔助串聯(lián)諧振回路達(dá)到最高電壓,即Q2漏源極電壓達(dá)到峰值,此時諧振電容Ca2上的電流降到零,并開始反向放電,即Uca2從最大值開始下降。在這個階段,左橋臂中的電流仍然流經(jīng)Q1;輔助串聯(lián)回路繼續(xù)諧振。該階段等效電路仍如圖2所示。工作模式3[t2～t3]:t=t2時,Uca2下降到零,Q2內(nèi)的反并二極管D2開始導(dǎo)通,UQ2DS(即B點(diǎn)電壓)被箝位于零,右橋臂上的電流轉(zhuǎn)向D2,串聯(lián)諧振停止。而左橋臂中的電流繼續(xù)流經(jīng)Q1管。工作模式4[t3～t4]:t=t3時,Q1的門極受控關(guān)斷,左橋臂上的電流轉(zhuǎn)而流向并聯(lián)電容Cal,即由Cal與R、Lal組成的輔助串聯(lián)諧振回路開始諧振。同樣,Cal上電壓(即Q1上電壓)也是以諧振方式上升的,所以Q1的關(guān)斷損耗很小(Cal也可以視為Q1關(guān)斷緩沖電容)。在這個階段,右橋臂D2處于續(xù)流狀態(tài),此時送出Q2的門極驅(qū)動信號,可以實(shí)現(xiàn)D2的零電壓ZVS開通。工作模式5[t4～t5]:t=t4時,右橋臂的電流從反并二極管D2中自然過零后開始流入Q2并以諧振方式上升;左橋臂的Q1處于關(guān)斷狀態(tài),所以輔助串聯(lián)諧振電流流入電容Cal,Ucal上升,諧振電流iLal逐漸下降。工作模式6[t5～t6]:=t5時,Q1上的電壓振蕩上升到最高峰值點(diǎn),并開始振蕩下降。此時諧振電容Cal上的電流降至零,并開始反向放電、負(fù)向增大(滯后電流90度),即左橋臂中的電流全部流向電容Cal。在這個階段,右橋臂中的電流依舊流經(jīng)Q2管;輔助串聯(lián)回路繼續(xù)諧振。工作模式7[t6～t7]:t=t6時,Q1上電壓諧振降至到零,其內(nèi)部反并二極管開始導(dǎo)通,左橋臂的電流轉(zhuǎn)到D1,Q1漏源極電壓(即A點(diǎn)電壓)被箝位在零,串聯(lián)諧振停止。在此階段內(nèi),右橋臂中的電流仍然流經(jīng)Q2;輔助串聯(lián)諧振回路停止諧振。工作模式8[t7～t8]:Q2受控關(guān)斷,電流從Q2轉(zhuǎn)向輔助諧振電容Cm右橋臂串聯(lián)輔助諧振回路開始諧振。左橋臂的D1處于續(xù)流狀態(tài),Q1的門極控制信號送出,所以Q1是零電壓ZVS開通。圖2示出了8各工作模式對應(yīng)的等效路。圖3給出了一個周期內(nèi)電路中主要元件上的電壓電流波形:Q1/Q2門極信號ug1/ug2,Q1/Q2漏源極電壓UQ1DS/UQ2DS,AB兩點(diǎn)間電壓,負(fù)載補(bǔ)償電容C上電容Uc,P點(diǎn)對地電壓Up,以及流過Q1內(nèi)部MOS管電流iQ1,諧振電容C1電流iC1,Q1內(nèi)部反并二極管D1電流iD1,Q2內(nèi)部MOS管電流iQ2諧振電容C2電流iC2,Q2內(nèi)部反并二極管D2電流iD2,輔助諧振電感電流iLa1。1.3率fs時多發(fā)生在零電壓開關(guān)內(nèi)表達(dá)等效電壓uq1ds和uab、t重畫Q2導(dǎo)通、Q1關(guān)斷時左橋臂組成的輔助諧振回路如圖4。根據(jù)電路結(jié)構(gòu)和對稱性有輔助電感La(La1,或La2),并聯(lián)電容Ca(Ca1或Ca2)以及負(fù)載槽路諧振時等效電阻Req組成的串聯(lián)諧振回路,該輔助協(xié)諧振回路以及右橋臂上的電感具有以下約束關(guān)系:整理可得當(dāng)時,該二階微分方程有2個復(fù)數(shù)形式的解。Uca(t)的時域解可表示為如下形式:式中:σ=-1/2ReqCa;;UAM為正弦幅值。電路的初始條件為:Uca(0)=0,dUca(0)/dt=iLal(0)/Ca?？梢园l(fā)現(xiàn),本文提出的電路拓?fù)浯嬖?種不同含義的頻率:Q1Q2交替導(dǎo)通關(guān)斷的開關(guān)頻率fs,即電路的工作頻率;負(fù)載諧振槽路(L、C、R)的固有諧振頻率fL;以及輔助諧振回路(La、Ca、Req)固有振蕩頻率fd。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn),與普通的橋式串聯(lián)諧振、并聯(lián)諧振感應(yīng)加熱電路不同,該電路既可以工作感性,也可以工作于容性負(fù)載。但是,為了減小負(fù)載工件和電源之間的無功傳遞,并保證Q1和Q2工作于零電壓開關(guān)狀態(tài),這3種頻率之間應(yīng)有以下關(guān)系:在感應(yīng)加熱工作中,通常采用鎖相技術(shù)實(shí)現(xiàn)fs=fL。另一方面,由于在加熱過程中等效負(fù)載Req的大小不斷變化,為了減小輔助諧振回路振蕩頻率對Req的依賴,保證電路始終工作在零電壓開關(guān)狀態(tài),設(shè)計(jì)輔助諧振回路時取:定義D=fs/fd≤1,即開關(guān)頻率(或負(fù)載槽路固有頻率)與輔助諧振回路固有頻率之比。顯然,由于fs<fd,在半個開關(guān)周期內(nèi),Uca(t)的波形存在一個電壓為零的時區(qū),這個電壓為零的時區(qū)也就是Q1內(nèi)部反并二極管流過電流的時間。這樣,Uca(t)的軌跡有2部分組成:一部分為電壓諧振階段(由(5)式表示),另一部分為電壓為零階段。P點(diǎn)以及AB兩點(diǎn)之間電壓Up(t)、UAB(t)可以由Uca(t)推導(dǎo)得到。一個周期內(nèi)Uca(t)、Up(t)、UAB(t)可以表示為,由于電感元件(Ld)在穩(wěn)態(tài)時一個周期內(nèi)的平均電壓為零,忽略其內(nèi)阻,可以得到以下關(guān)系:當(dāng)σ=-1/2ReqCa數(shù)值較小時,有將式(13)代入式(8)～(11),可得圖5示出了互補(bǔ)控制下UQ1DS、UAB、Up的波形。由式(13)可知,同樣的輸入直流電壓Udc,開關(guān)Q1、Q2的電壓峰值隨D的大小而變化,圖6示出了輸入電壓Udc=150V,D在0.5～1之間變化時Q1峰值電壓UQDS大小。當(dāng)D=0.5時,峰值電壓UQ1DS-P=942.5V。為了減低開關(guān)器件的電壓應(yīng)力,D值不能太小。由于加熱過程中工件的等效阻抗是變化的。為了在較寬的開關(guān)頻率范圍內(nèi)都能夠保證Q1、Q2在ZVS條件下開通,要求D的取值范圍能夠盡量寬。2la-ca電壓為了驗(yàn)證電路的正確性,進(jìn)行了仿真研究并研制了一臺實(shí)驗(yàn)樣機(jī),仿真電路參數(shù)為:Udc=150V,Ld=200μH,Ca1=Ca2==2.5nF,La1=La2=5μH,L=8μh,C=10nF,Q1、Q2交替互補(bǔ)180°導(dǎo)通,開關(guān)頻率fs=1.0MHz。圖7示出了Q1驅(qū)動ug(圖(a))、漏源極電壓UQIDS(圖(b)),流過Q1電流iQ1(圖(c))、負(fù)載槽路電壓UAB(圖(d))以及P點(diǎn)對地的電壓波形Up(圖(e))的仿真波形。從圖7(a)～(c)的時序可以看出,開關(guān)Q1開通之前電流從其內(nèi)部反并二極管流過,所以是零電壓開通:關(guān)斷時由于并聯(lián)電容較大,電壓以近似正弦振蕩的形式緩慢上升,所以開關(guān)損耗可以很小。由于La、Ca吸收了線路和器件中的雜散分布參數(shù),所以,雖然開關(guān)工作頻率高達(dá)1MHz,電路中電壓電流曲線仍然光滑清晰,幾乎沒有寄生振蕩引起的毛刺。圖8示出了負(fù)載諧振槽路中補(bǔ)償電容C的電壓Uc相對于整個槽路兩段電壓UAB相位關(guān)系的仿真波形:Uc滯后UAB相位90°,可以判定此時負(fù)載槽路工作于其固有諧振頻率點(diǎn)。圖(9)給出了輸入直流電壓UDC為54V、開關(guān)頻率fs為1.0MHz時,Q1上的電壓UQ1DS以及P點(diǎn)(對地)電壓Up的實(shí)驗(yàn)波形,UQ1DS與Up的峰值為2倍關(guān)系,驗(yàn)證了上述理論分析的正確性。圖10為沒有鎖相控制時,開關(guān)頻率fs分別為973kHz,1.008MHz,和1.049MHz時,負(fù)載槽路中Uc、UAB的實(shí)驗(yàn)波形。由于開關(guān)頻率偏離固有諧振頻率,除了圖10(a)以外,圖10(b)和(c)中Uc和UAB的相位不再是滯后90°關(guān)系,由于偏離諧振點(diǎn),Uc的幅度也隨之變小。3保護(hù)電液中的雙通道電源本文提出了一種能夠適應(yīng)兆赫級超高頻感應(yīng)加熱工作的電路拓?fù)?這種新型的雙管變換器吸收了線路中雜散引線電感和