一种串联谐振逆变器控制方法的探讨

发布时间:2008/5/28 0:00:00 访问次数:533

摘要：介绍了一种电压软开关移相控制pwm感应加热串联谐振逆变器，分析了移相脉宽的调功方法，讨论了实现零电压开关的条件，提出了在各种负载条件下实现功率器件zvs的控制策略。

关键词：脉宽调制；移相；零电压开关

引言

本文分析了移相pwm控制串联谐振逆变器的实现。通过改变移相角来调节传送给负载的功率，对功率mosfet输出电容的影响，提出了一种控制方案以确保功率器件在各种负载条件下实现zvs，保证全桥拓扑结构中mosfet的柔性切换，使开关频率紧密地跟随谐振频率，使逆变器工作在功率因数接近1的准谐振状态。

1 移相控制串联谐振逆变器工作原理

全桥架构的串联谐振逆变器如图1所示。4个开关管s1～s4，分别以50％的占空比开通，其中s1及s4为基准臂开关，s2及s3为移相臂开关，每个桥臂上的功率管以180°的相位差开通与关断，两个桥臂开关的驱动信号之间相差一个相位角φ，控制时序如图2所示。使输出的正负交替电压之间插入一个箝位到零点的电压值，这样只要改变相位角φ就可以相应改变输出电压的有效值，最终达到调节输出功率的目的。当采用移相调功方法时，电路的工作频率变化较小，具有良好的负载适应性。特别是当负载阻抗具有较高品质因数时，其调功范围内频率变化更小。

图2

当工作频率在谐振频率之上，即负载呈现感性状态，负载电流io落后于准方波电压vab，如图2所示。要实现功率管的零电压开通，必须要有足够的能量用来抽走将要开通的开关管的输出电容上的电荷；并给同一桥臂要关断的开关管的结电容充电。开关管输出电容放电结束后二极管续流，此时给出驱动信号，开关管将在零电压状态开通。如果开关频率紧跟谐振点频率保持恒定，由于φ角的增大，负载电流在s3开通前变成正相，zvs将不能实现。为了防止失去zvs状态，应确保开关管输出电容的完全放电，所以控制器需要提高开关频率，在s3开通前去获得更大的负相负载电流。本系统利用了电路上的寄生元件，使得全桥架构中的4个开关器件都能运行于零电压切换，不仅降低了切换损失与开关应力，也不象硬开关pwm那样需要采用缓冲吸收电路。

2 移相控制串联谐振逆变器的分析

系统的全桥架构等效电路如图3所示。由图3可知下列关系的存在：

准方波电压vab，近似正弦波的负载电流io。当工作在谐振点之上，可获得zvs，槽路电流以一定的相位α落后于槽路电压，如图2所示。相位滞后可表示为

式中：zin为输入阻抗。

在槽路电压为正，槽路电流为负的时刻，相差β是决定zvs实现的基本要素。获得zvs的βmin的数学表达式可以从以下电量分析中得到：槽路电流必须足够大，能使储存在s3的能量qcoss释放，且在β范围内提供给s4能量，应当注意qcoss也是vin储存在输出电容coss中的能量。根据这些电量之间的联系，βmin可由式（2）得到。

式中：ip为负载峰值电流。

所以实现zvs所需的频率是一个输出电容电量与满载电流之间的函数；可获得在失去zvs状态前所允许的最大相移，如式（3）所示。

max=2(α－βmin) （3）

图4给出了针对不同负载值关于频率标么值ωn的几条φmax曲线。

该曲线展示了假如使用理想开关器件coss=0，即βmin=0时，对zvs来讲所允许的最大相移。但对实际应用来讲，βmin大于零，φmax小于理想状况。通过计算传送给等效阻抗的功率可以得到输出功率的表达式为