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电力技术

串联谐振的高频逆变电源是怎么设计的

供稿:办公室(网络中心) 编辑部  发布时间:2018-07-02  阅读:
串联谐振逆变电源凭借起动容易、易高频化的优点在高频逆变领域得到广泛应用。全桥串联逆变电路工作工程中如果上下桥臂同时导通,则器件瞬间损坏,为了防止这一事件的发生,而加入一定的死区时间。死区时间如果很大,则占空比就会降低,影响电源的效率,若死区时间设置过小,那么开关器件的损耗增大,所以死区时间的设置在电源设计中至关重要。本文提出死区时间的确切算法,使得电路设置精确,最大限度地提高电源整机的工作效率。


研究表明问串联谐振逆变器保持零电压开关是减小器件损耗和保护器件的最佳选择而在串联谐振电路中维持ZVS的条件是谐振网络工作在感性准谐振状态,所以电路中要实现定角控制,使得串联谐振逆变器的电流沸后电压一定位角,而使逆变器一直保持ZVS模式,最大限度地提高其工作频率和减小器件的降额。

1、主电路框图

典型的串联谐振逆变电路如图1所示。图中D1、D2、D3、D4功率开关器件Ugl、Ug2、Ug3、Ug4的反并联快恢复二极管,C1、C2、C3、C4为开关器件的吸收电容(包括开关器件的结电容),Cd为直流滤波电容,L,C,R为等效串联谐振负载。

串联谐振逆变电路.jpg

图1  串联谐振逆变电路

2、死区时间设计

在零电压换流模式下,逆变器的工作频率略高于谐振负载的固有谐振频率,即负载电流iH滞后于负载电压UH,负载电压UH和负载电流iH简图如图2所示。

开关管换流过程.jpg

图2  开关管换流过程

在ZVS时串联谐振逆变器的开关器件的关断和开通电流值很小,关断时间比较短,所以为了突出主要问题并简化分析,先忽略开关器件的开通和关断时间。如图2所示,C1、C4在Tdead内充电和放电电荷总量为Qc=2CUd,而iH在Tdead内的抽取电荷为

公式.jpg

ZVS换流时有Qh≥Qc,即

公式1.jpg

式中Im——负载电流的幅值, ω—— 负载的谐振角频率,△t——电流滞后电压时间差, C——吸收电容电容值, Ud——直流桥电压。

当Qh=Qc时,说明吸收电容两端电压在充放电完毕那一时刻,后一对管子导通,此时既可以保证上下管不同时导通,又可以保证开关管零电压开通和关断,而且此时占空比丢失最小。由以上分析可知,最佳死区设置应该为Qh=Qc时死区值加上开关管开通和关断延时时间。


3、控制电路

高频逆变电源、在工作过程中,随着负载温度升高,负载的物理特性会发生一些变化,固有谐振频率也会相应改变,为了使逆变电源始终工作在功率因数接近或等于1的准谐振或谐振状态,控制电路必须实现频率的自动跟踪。

一种通用的CMOS锁相环集成电路,具有电源电压范围宽、输入阻抗高、动态功耗小等优点。利用这种锁相环可以简单有效地实现频率的自动跟踪,从而实现逆变电路的零电压开关。这种集成电路内部结构如图3所示。最大频率和最小频率由6和7脚间电容C11脚与地间电阻R1,12脚与地问电阻R2共同决定。3端和14端接输入的两个比较信号,分别是负载电压信号和负载电流信号,为了保持串联谐振逆变电路工作在ZVS状态,谐振网络呈弱感性,即电流滞后电压,所以在进入锁相比较之前,比较电压信号要先经过延迟电路,滞后再与电流采样信号比较,实现电流与电压之间的定角控制,如图4所示。

这种电路的逻辑结构图.jpg

图3  这种电路的逻辑结构图

电压延迟电路.jpg

图4  电压延迟电路

SG3525具有频率同步功能所以频率跟踪电路输出直接加到SG3525的同步引脚上,用SG3525的输出控制开关管的开通和关断。结合SG3525脉宽调制集成芯片的占空比0-50%可调,且内部提供稳定的直流参考电压的特点,功率调节部分采用直流电压控制,若反馈电压小于参考电压,输出脉宽会变大,如果反馈电压大于参考电压,输出脉宽变小以调节功率。

若忽略电路延迟时间,则驱动信号就可以当做电压信号直接进行相位比较。如1图5所示电流采样信号和己延迟的电压信号(即驱动信号)结合CD4046的特点进行相位比较,进而调整压控振荡器VCO的输出频率(CD4046的4脚),若谐振频率在CD4046跟踪范围内,则实现频率跟踪。本文利用SG3525的同步性能,VCO输出直接接到SG3525的同步端3脚。电压幅值反馈(SG3525的1脚)与参考电压(SG3525的2脚)比较决定输出的占空比。脉宽调制波即SG3525 的14脚和11脚,就是开关管所需要的控制波。


4、谐振参数计算

串联谐振电路是由谐振电感绕组L和谐振电容C串联接于桥式逆变器两桥臂的重点,构成逆变桥的负载。串联谐振电路发生谐振时,电感绕组的电压UL=QUH,电容器上的最大电压Uc=QUH。串联谐振负载全桥逆变器的等效负载R即为变压器匹配后的负载,这里是47Ω。

串联谐振电路的品质因数公式2.jpg

征阻抗,Zo=QR,在Q值及R已知的情况下,可按下式分别求出串联谐振槽路的L、C参数值为

公式3.jpg

式中的∫o为谐振频率,当逆变器的开关频率近似等于回路的谐振频率∫o斗时,获得最大输出功率,即保证电压与电流的相位一致,功率因数近似为1,所以逆变器开关频率∫s的选取要接近于谐振电路的谐振频率∫o。

开关频率∫s=∫o=200kHz,品质因数Q=6时,R=47Ω。Zo=299Ω,串联谐振电路L、C分别是

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图5  控制电路

公式4.jpg


5、结束语

本文利用这种锁相环的本身特点,结合SG3525占空比可调和同步的特性,很好地实现频率跟踪和功率调节,并且通过计算实现了死区定量设计,逆变器能工作在功率因数非常接近于1的谐振或准谐振状态,开关管基本上实现了零电压开关状态(ZVS),实现了损耗小、稳定性高的特性。

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办公室(新闻中心) 发展部
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