MOSFET串联谐振逆变器控制电路的研究
2011-06-13刘涛
刘 涛
（太原供电分公司，山西 太原 030006）
1 引言
感应加热是一种非接触式加热，可以将能量精确地集中到工件的被加热部位，在工业领域中有着广泛而重要的应用。固态感应加热电源是感应加热装置的关键设备之一，目前研制大功率高频固态感应加热电源首选器件主要是以模块化、大容量化、功率MOSFET器件为主，固态感应加热电源的控制目前主要集中在对其谐振逆变器的控制上。
目前逆变锁相控制方法主要分为：定时控制和定角控制两种。对于电压型固态感应加热电源来说，功率器件的最佳开关时刻和功率器件吸收电容的大小、负载电压和电流的比值、死区时间等因素有关，并且它们之间的关系是非线性的。这种非线性的控制关系采用传统的模拟锁相电路是难以实现的，而需要采用数字化智能控制是逆变锁相控制的一种有效手段。
对于固态感应加热电源的功率调节方式来说，目前主要分为：整流器侧调功和逆变器侧调功两类。中小功率的固态感应加热电源一般采用逆变器侧调功以简化主电路，而对于中大功率的固态感应加热电源，主要采用整流器侧调功以使谐振逆变器获得最佳的工作性能。
文章重点分析了其中的MOSFET串联谐振型逆变器控制电路的工作原理，对电压型谐振逆变器的换流过程及锁相控制原理进行了分析，并对一种能使开关损耗最小的零电压换流的谐振逆变器ZVS锁相控制方法进行了重点研究。
2 串联谐振逆变器的ZVS控制
2.1 串联谐振逆变器的ZVS控制原理
串联电压型谐振逆变器以其简单的拓扑结构、灵活的调功方式、较高的整机效率和对输出引线杂散电感较强的免疫力得到了广泛的应用。对于高频电压型谐振逆变器来说，由于开关频率很高，目前采用的功率器件为功率MOSFET。由于功率MOSFET的内部寄生二极管反向恢复性能较差，实际使用中不得不在MOSFET外部另加恢复二极管以屏蔽其内部的寄生二极管，同时为了负载匹配的需要，在谐振逆变器的输出端需要连接高频匹配变压器。
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一个电角度φ，换流过程中各元件的电压、电流波形中tdead=t3-t0为触发脉冲的死区时间，t4为负载电流的换向时刻。逆变器每次换流要经过4个状态，分别是状态 1：t
（3）由寄生杂散电感引起的过电压很小，逆变器的阻容吸收电路不能以此状态为基础设计。
（4）如果死区时间小于吸收电容的充放电时间，即在t0～t2时间内开通脉冲到来，则电容将会向被开通器件放电，增加了器件的开通损耗。为了保证ZVS换流，死区时间和吸收电容的大小必须相配合。
2.2 ZVS换流策略的实现
谐振逆变器的逆变控制电路是以锁相环（PLL-Phase-LockedLoop）为核心构成的，锁相环电路主要由鉴相器（PD-PhaseDetector）、低通滤波器（LPF-Low-Pass Filter）、压控振荡器（VCO—Voltage—Controlled Oscillator）3部分组成，它是一个相位负反馈的控制系统。
在控制电路中，可以同时采集负载电流和负载电压信号来设计环内延时反馈环节，也可以仅采集负载电流信号设计环内延时环节。实际系统中仅采用负载电流的设计方案比较简洁，所以得到了广泛的使用。锁相控制系统的简要框图见图1，锁相环的反馈回路通过固定延时环节来补偿信号的处理传输所产生的时间延迟、逆变开关器件的开关延时（与驱动电路的设计密切相关）。动态延时环节用于实现其中的可变部分延时，阙值电压uk由逆变桥直流电压ud经电阻R1、R2分压获得，在比较器输出发生变化时，有下式成立：
图1 锁相环模拟控制系统框图
由于动态延时时间很短，上式近似为，只要让R2/（R1+R2）R3=2 C/tdead即可满足动态延时的要求，进而实现动态延时，补偿实现ZVS换流控制。
2.3 锁相环在串联谐振逆变器中的应用及电路分析
锁相环是一个相位反馈控制系统，其特点是实现对输入信号频率和相位的自动跟踪。主要由3个部分组成：鉴相器（又称相位比较器，PC）、环路滤波器（LPF）和压控振荡器（VCO）。鉴相器是将两个信号之间的相位进行比较，通常可以采用模拟乘法器或异或门来完成；环路滤波器是低通滤波器；VCO是一个输出频率与输入电压呈正比的信号发生器。
图2所示为RLC串联负载的幅频特性和相频特性曲线图。从图中可知，当逆变器输出频率ω0小于负载谐振频率ω0时，负载电路呈容性，当逆变器输出频率ω大于谐振频率ω0时，负载电路呈感性。ω=ω0时，负载电路呈纯电阻性，发生谐振。而不管电路是呈容性或感性，输入电压基波分量与负载电流基波分量之间存在相位差。
图2 RLC串联负载的幅频特性和相频特性曲线图
图3为基于C D 4046锁相环电路逆变器的控制电路。从电流传感器C T来的负载电流信号，经电阻R1变换电压信号，分成两路，一路到功率测量显示电路，另一路去C1、R2组成的相位校正电路，补偿信号传输造成的时间延时，然后输出经L M 393变成方波信号，由C D 4046的14脚进入第二个相位检测器，它代表负载的电流信号，而3脚的输入信号与逆变器的驱动信号一样，它也就是逆变器的输出电压信号；电压和电流信号的相位在鉴相器内进行比较，从l 3脚输出误差电压信号，再经R7、R8、C4等组成的低通滤波器，在此得到一个正比于从14脚和3脚输入信号相位差的平均电压，这个控制电压从VCO的9脚输入改变其振荡频率，使逆变器输出电压与负载电流信号的相位差不断减小，直到两者同相。VCO振荡的频率范围由R10、R11和C5决定，输出信号经D触发器二分频后，一路返回相位比较器，一路形成相位相反的两信号经驱动电路送至逆变器的对应功率开关器件。
图3 逆变器锁相环控制电路
从上面可以看出，锁相环是通过改变压控振荡器的频率来减小输入电压和负载电流信号之间的相位差，最终实现逆变器的工作频率跟踪负载的固有谐振频率。
3 结束语
文章对基于MOSFET的串联谐振逆变器的工作原理及控制电路进行了较深入的分析，并进行了一定的相关设计，对电压型谐振逆变电路的ZVS换流过程，功率调节及锁相控制过程进行了一定的研究。从而得出串联谐振逆变器控制电路采用锁相控制方法具有以下两点好处：一方面利用锁相环电路实现逆变器的输出电压自动跟踪负载的电流信号，使逆变器工作在准谐振状态或谐振状态，减小了功率开关器件的损耗；另一方面也保证了电源在工件热态下能输出额定功率，而工件为冷态时又不会过载，即提高了电源的负载适应性。
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