维普资讯 http://www.cqvip.com 第５卷第７期 ２００２年７月 童涤教 石阙 ＶｏＩ．５ Ｎｏ．７ ＰＯＷＥＲ ＳＵＰＰＬＹ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ ＡＮＤ ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＳ Ｊｕｌｙ ２００２ 电压型逆变器高压串联谐振技术研究 陶海敏， 何湘宁 （浙江大学电力电子研究所， 浙江摘杭州 ３１００２７） 要：介绍了高压串联谐振技术的原理与应用，分析了利用４０４６锁相控制逆变器的结构和启动 电路，同时对高压变压器寄生漏感与负载串联谐振原理作了介绍。１５ｋＶＡ样机测试结果表明，用该 方法可以得到满意的输出波形，实现高功率因素。 关键词：高频高压；串联谐振；锁相环 Ａ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｈｉｇｈ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｓｅｒｉｅｓ Ｒｅｓｏｎａｎｔ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｓｏｕｒｃｅ Ｉｎｖｅｒｔｅｒ ＴＡ０ Ｈａｉ—ｍｉｎ，ＨＥ Ｘｉａｎｇ—ｎｉｎｇ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｉｇｈ ｖｏｌｔａｇｅ ｒｅｓｏｎａｎｔ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｓｔａｒｔｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ４０４６ ｐｈａｓｅ ｌｏｃｋｅｄ ｌｏｏｐ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｒｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｐａｒａｓｉｔｉｃ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｖｏｌｔａｇｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ ｔｏ ｏｂｔａｉｎ ｒｅｓｏｎａｎｔ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｉｓ ａｌｓｏ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｏｎ ａ １ ５ｋＶＡ ｅｘａｍｐｌｅ ｓｈｏｗ ｔｈｅ ｓａｔｉｓｆｙｉｎｇ ｗａｖｅｆｏｒｍｓ ａｎｄ ｒｅａｌｉｚｅ ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ｆａｃｔｏｒ ｂｙ ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｈｉｇｈ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｈｉｇｈ ｖｏｌｔａｇｅ，Ｓｅｒｉｅｓ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ；Ｐｈａｓｅ ｌｏｃｋｅｄ ｌｏｏｐ（ＰＬＬ） 中图分类号：ＴＮ８６ 文献标识码：Ａ 文章编号：０２１９—２７１３（２００２）０７—０３１８—０３ １ 引言 串联谐振技术应用在感应加热、逆变焊机等高频 逆变器中，能实现主开关管的ＺＣＳ或ＺＶＳ，有效提高 功率因素，实现大功率输出。本文介绍一种高频高压 串联谐振技术，它将三相市电经整流与逆变后输出中 瓣 图１ 系统结构 压方波，升压变压器将逆变器的输出提升到一定电压 再利用变压器的漏感与负载串联谐振，达到所要求的 负载电压。此技术应用前景广阔，在臭氧发生器、材料 表面处理及污水净化中都有应用。 ＩＧＢＴ在后，这就保证了ＩＧＢＴ在零电流条件下导通 （ＺＣＳ ＯＮ），导通后电流上升速度受到谐振电路的限 制，因此，ＩＧＢＴ的开通损耗很小。另外如图２所示， ２ 系统结构及工作原理 图１给出了高压串联谐振电源系统框图。本电源 是为材料表面处理设备研制的。它包括：三相ＡＣ／ＤＣ 变换器、电压型半桥串联谐振逆变器、超音频升压变 压器和负载。超音频变压器用于负载阻抗匹配，逆变 器选用ＩＧＢＴ模块，工作频率约为２０ ｋＨｚ。系统工作 时，呈现小感性，为零电流导通。对于感性负载，在一 个工作周期中，功率器件导通的顺序是二极管在先， ＩＧＢＴ的吸收电容Ｃ 。和Ｃ ：的接入，限制了ＩＧＢＴ关 断时的电压上升率，减小了关断损耗。 利用负载谐振的ＲＬＣ串联谐振电路其谐振频率 为 ｆｏ＝ 一（ ） （１） 逆变器主电路与阻抗特性如图２所示。逆变器输出的 是高频方波，变压器的漏感与容性负载谐振，电流波 形接近理想正弦波。 对于如图２所示的谐振式电路，品质因素 Ｑ＝ １ｆ Ｌ （２） ３１８ （１８） 、 收稿日期：２００２—０４—２３ 维普资讯 http://www.cqvip.com 电压型逆变器高压串联谐振技术研究 电路输出的电压信号作边沿鉴相。４０４６内部有两个 鉴相器，第一鉴相器是异或门鉴相器，它只能对两个 占空比为０．５的方波进行鉴相，而且鉴相特性不是单 调的曲线，工作时必须把某一个信号先移相９０Ｄ后才 能正常工作。因此采用了边沿鉴相，它可以不考虑脉 冲的宽度，只关心脉冲上升沿，如图４所示，最终使信 （ａ） 逆变器主电路 号１、２的脉冲前沿时间差为零。 （ｂ） 阻抗特性 图２ ＲＬＣ串联谐振 Ｕ Ｉ：Ｉ Ｕｃ Ｉ：Ｑ （３） 升压变压器输出的电压是谐振后的电压，达到１０～ ３０ ｋＶ，负载发生放电现象，用于产生臭氧或处理材 图３ 逆变控制框图 料。 ３ 控制电路 口 口 口 口 用于调节输出功率的方法有可控整流调压调功、 输出ｗＦ － Ｉ １＿［：二 斩波调功、移相调功或ＰＷＭ调功。本文设计的电源 高阻态 采用三相相控整流技术，通过相控整流实现输出功率 图４ 边沿鉴相 的调节。虽然此种方法在深控下有输出功率因数低的 缺点，但其控制方法成熟，可靠性高，对于绝大部分工 锁相环一个明显的缺点是启动的时候失锁率比 作在满功率输出（ ：０）情况下，不失为一种较好的 较高，因此，逆变控制采用他一自激转换工作方式。正 选择。逆变器为半桥式电路，这是由于全桥逆变电路 常运行时为自激工作，电流相位信号取自电流互感 中输出电压中含有直流分量，在设计高频高压升压器 器，经过零比较和单稳电路，送至４０４６。电压相位信 时要考虑到直流磁通可能导致磁通饱和的问题，同时 号直接取自二分频器的输出，如图３所示。经锁相环 会增加磁芯损耗，增大变压器设计难度。虽然可以在 和分频器后，形成两组与正负半波对应的方波。该方 输出中串联隔直电容避免这个问题，但增加了成本和 波经死区形成和驱动器产生ＩＧＢＴ的驱动信号。死区 复杂性。 环节的作用在于防止逆变器上、下桥臂同时导通。启 逆变控制框图如图３所示。负载等效为一个非线 动时，取他激频率调节电位器上的电压直接作为 性有损电容，在大功率输出情况下负载工作在谐振点 ４０４６内部压控振荡的控制信号，进行他激启动。当输 附近，由实验结果来看，负载在放电火花增强过程中 出电流达到一定值后，比较器输出信号跳变，使电子 谐振频率下降，从未开始放电的３０ ｋＨｚ左右下降到 开关动作，切断振荡器信号；同时将电流信号和电压 １５ｋＨｚ。如果不采用频率跟踪，无法满足大功率输出。 信号送４０４６内部鉴相器，使系统进入自激运行状 逆变控制电路中使用了ＣＤ４０４６锁相环，电流相位由 态。电压信号在进入锁相环之前，经过时滞补偿，目的 互感器测得，经单稳电路（抗干扰）后与直接取自控制 在于补偿脉冲传输过程中的时问滞后。 维普资讯 http://www.cqvip.com 第５卷第７期 ２００２年７月 鼋涤技 石阉 Ｖ０１．５ Ｎｏ．７ ＰＯＷＥＲ ＳＵＰＰＬＹ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ ＡＮＤ ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＳ Ｊｕｌｙ ２００２ ４ 负载匹配 应用于高压的负载如臭氧发生器等，也等效为 一电压电流波形如图５所示，其中电压为５０Ｖ／ｄｉｖ，电 流２５ Ａ／ｄｉｖ。从波形图可以看出，电压电流波形接近 理想，其中电流峰值附近的毛刺是高压放电所引起 的。ＩＧＢＴ基本为零电流导通，电流稍稍滞后电压一定 个非线性有损电容。变压器即传递能量，又是谐 振电路中的电感部分。高频高压变压器的设计是整 个装置中的关键部分，变压器漏感必须与负载匹 角度，负载呈小感性，即系统工作频率稍稍大于负载 的自然振荡频率，其目的是使反并二极管零电流自然 关断，从而减小逆变器反并二极管的反向恢复特性所 造成的影响。 配，使它们工作在２０ ｋＨｚ左右的频率，因为这直接 影响到负载的工作状态。针对不同的负载，变压器 的漏感都要重新设计。而在某些特殊的场合，为使 负载匹配，得改变变压器的绕法，由此来改变它的 漏感值。磁芯结构有Ｅ型、口字型、专为耐高压而设 计的锥型及多个磁芯组成星型相连的模式等。原、 副边的绕法也不尽相同，有原、副边分绕两边或同 绕一个柱上等。漏感的大小是一个难以精确计算的 值，不仅与磁芯的结构，原、副边的匝数、绕法有关， 还与层间绝缘厚度、气隙均匀性及工艺有关。在绕 好后可以用电感测试仪直接测得，对于同一种绕 法，其漏感的大小不会发生很大的变化。在负载频 率要求不是十分精确的情况下，这种设计方法是可 行的。但如果测得的漏感与负载要求的谐振电感量 大小差别很大，只能改变其绕法。一个常用的有效 办法就是改变原、副边的匝数来改变漏感量。本文 设计的升压变压器是Ｅ型磁芯结构。由于完全利用 变压器漏感与负载谐振，变压器输出电压就是谐振 电压，将达到１０～３０ ｋＶ，在品质因素较高的情况 下，变压器的变比可以相对减小。 高压绝缘是一个特别需要重视的问题。为此变压 器采用油浸式，即使如此，在实验中还是多次发生原、 副边击穿现象，为此我们改进了绕法，加大原、副边间 距，同时使用了耐高压的绝缘材料将原副边隔离。如 果由于漏感过小，可在原边或副边串联电感来使负载 匹配。此时会产生另外一个问题是输出电流出现较大 的畸变，发现叠加了３次、５次等低次谐波，其原因是 由串联电感中的分布电容引起的，整个负载有两个靠 图５ 实验电压电流波形 ６ 结论 功率逆变电路通常采用谐振和调制两种方式，对 于高频功率逆变，调制方式由于受到功率开关器件的 限制和一定调制比的要求，已不再适用。本文所分析 的利用变压器漏感实现的高压串联谐振电路，输出波 形畸变小，功率因数高，输出电路简单，无须外加补偿 电感或电容。高压串联谐振技术应用范围较广，有待 进一步深入研究。 参考文献 【１】 袁俊国，高频功率变换器及其在感应加热中的应用【Ｄ】， 杭州，浙江大学博士学位论文，２０００． 【２】 Ｒｏｓｅｎｔｈａｌ Ｌ．Ａ，Ｄａｖｉｓ Ｄ Ａ，Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉ０ｎ ｏｆ ａ 得较近的谐振频率。同时这种电路会使变压器增加额 外的电压应力。 Ｃｏｒｏｎａ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｆｏｒ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ【Ｊ】．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ／Ａ， １９７５，１１（３）：３２８～３３５ 完全利用漏感谐振的另一个注意点就是变压器 的损耗问题，在大功率输出的情况下，变压器的散热 条件得充分考虑。 子技术。 作者简介 陶海敏（１９７６一），男，硕士，研究方向为高压大功率电力电 ５ 实验结果 １５ ｋＶＡ样机经过测试，功率因数接近０．９。输出 何湘宁（１９６１一），男，教授，博士生导师，ＩＥＥＥ高级会员， 从事电力电子技术及其工业应用方面的研究和工程设计工作， 在国内外发表论文８０余篇。