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)

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，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［1］。

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。

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Ld，此外由于逆变回路中的电流变化率较高，在电路中会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。

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Ld(Ld/Lo＜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 Ld串联谐振零电流输入型高频逆变器Fig.3 Ldseries resonant zero current input high 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Ld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:S1－S2单导通模式。

模式2:D1－D2单导通模式。

模式3:D1－D2，S3－S4双导通模式。

模式4:S3－S4单导通模式。

模式5:D3－D4单导通模式。

模式6:D3－D4，S1－S2双导通模式。

模式7:关闭模式。

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。

图6 开关波形Fig.6 Switching wave form

由图4可知

因为此时的id和is流过电感和电抗器，这些电流在瞬间不会跳变，所以电流具有连续性。

3 数值分析

对于高频感应加热系统的电路设计和稳定运行，区分零电流开关和非零电流开关时的负载条件和导通频率非常重要。对所提出的高频电源的数值分析采用标准化参数，并据图5所示的开关模式，列出每个开关操作模式下的归一化状态方程。

归一化参数的标准值为:频率μ=2πf0L=L0;负载电阻 λ= R/，C=C0;电抗 α =Ld/L，β =Ls/L，R=R0;电容 p=Cp/C。

归一化参数的参考值为:电压E=Ed;电流I=功率 P=EI;阻抗 Z=周期 T=1/f0，f0为输出频率。

状态变量为:电压 U*(Z)=U(t)/E，电流I*(Z)=I(t)/E，功率=P0/P，周期 Z=t/T=f0·t。

恒值为:K1=2π/u，K2=1/(α + β)，K3=1/α，K4= π/u，K5=1/β，K6=1/P。

模式a:dX/dz=K1(A1X+B1)

模式b:dX/dz=K1(A2X+B2)

模式c:dX/dz=K1(A3X+B3)

模式d:dX/dz=K1(A4X+B4)

模式e:dX/dz=K1(A5X+B5)

模式f:dX/dz=K1(A6X+B6)

模式g:dX/dz=K1(A6X+B6)

每一个归一化状态方程数值分析都使用了四阶Runge－Kutta方法。其中:

4 ZCS的特征值分析

谐振逆变器的α、β和P的变化会影响ZCS的工作区域和特征。开关应力作为Usmax最大的开关电压对输出功率P0和输出频率f0进行了分析，然后，在ZCS作用区域对每个特征值的分布进行了研究，如实际功率因数 cosθ、视在功率因数 cosθ′、Ismax、Usmax和 P0。

在直流分支中的杂散电感值较小时，将α的值设为0.05，β的值影响ZCS作用区域和开关应力，当β值变大时，即使ZCS的作用区域变小，开关电流的最大值以及电压应力也会因为功率因数的提高而降低。

P值对每个特征值的影响主要体现在输出功率上，P值变大会增加输出功率，然而P值变大将会缩小ZCS作用区域，从这些方面考虑，电路中选择的参数为 α=0.05、β=0.8、P=0.2，此时 ZCS的作用区域广、开关应力低。在μ－λ界面中，ZCS的作用区域如图7所示。

图7 ZCS作用区域Fig.7 ZCS operation region

通过谐振，ZCS作用区域出现了μ值较高和μ值较低的两个区域，因此，该电路可以在两个频带上进行切换。此时使用的是ZCS作用区域中u值较高的部分。

在L0－R0输出端实时的功率因数cosθ和在储能电路中的视在功率因数cosθ＇的分布如图8、图9所示。从图8、图9可以发现，在改进的储能电路中，视在功率因数比实时功率因数要高，即减小或抑制了开关应用力。

图8 实时功率分布Fig.8 Distribution of real power factor

图9 视在功率分布Fig.9 Distribution of apparent power factor

图10 分布Fig.10 Distribution of

图11 分布Fig.11 Distribution of

图12 分布Fig.12 Distribution of

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℃;工作频率为22 kHz;归一化参数为 μ =2.7，λ =0.6，α =0.05，β =0.8，p=0.2;电路参数为 R0=3.5 ～4.5 Ω，L0=100 μH，Ls=80 μH，C0=4.0 μF，Cp=0.8 μF，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13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

图13 实验波形Fig.13 Experimental wave forms

针对全桥谐振逆变器工作中存在的开关损耗的问题，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 cosθ、视在功率因数 cosθ′、开关电流Ismax、开关电压Usmax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。

［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 efficiency［J］.Transactions of China Electrotechnical Society，2003，18(4):30 －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 Liang，LYU Ke.Simulation analysis of phase－shifted full－bridge converter based soft－switch technology［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 al.High － frequency power supply process control based on hill－climbing fast wave form matching［J］.Bulletin of Science and Technology，2011，27(5):720－725.