雙開關(guān)T型并聯(lián)諧振逆變器拓撲結(jié)構(gòu)研究

摘要：為實現(xiàn)感應(yīng)加熱電源高頻化、高效率化及高功率輸出能力，提出了以MOSFET作為開關(guān)的T型并聯(lián)諧振逆變器電路拓撲結(jié)構(gòu)。它能夠輸出理想的正弦電壓波形，開關(guān)元件工作在零電壓開關(guān)(ZVS)狀態(tài)，降低了開關(guān)損耗，提高了工作頻率和效率。逆變器的ZVS工作狀態(tài)不受負載影響，且工作狀態(tài)穩(wěn)定，易控制。詳述了電路構(gòu)成及工作原理，研究并分析了電流、電壓的關(guān)系，最后給出了實驗結(jié)果。
關(guān)鍵詞：逆變器；并聯(lián)諧振；感應(yīng)加熱

1 引言
由于感應(yīng)加熱的諸多優(yōu)點，目前感應(yīng)加熱電源在高頻焊管、金屬表面熱處理等高頻條件下的應(yīng)用日益廣泛。為此，要求全固態(tài)感應(yīng)加熱電源具有高頻化、高效率化和高功率輸出能力的特點。
隨著全控型電力電子器件技術(shù)水平的不斷提高，目前適合于高頻工作的功率MOSFET的電流指標已達幾十安培以上，正向阻斷電壓也已達數(shù)百伏以上，工作頻率可達數(shù)百千赫茲以上。同時由于功率MOSFET的通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)，可起到自動平衡并聯(lián)MOSFET間漏極電流的作用，因此采取MOSFET并聯(lián)方式能解決感應(yīng)加熱電源高頻化和高功率輸出能力的問題。此外感應(yīng)加熱電源逆變器的電路拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化和控制電路技術(shù)水平對提高感應(yīng)加熱電源的高頻化、高效率化和高功率輸出能力也起著關(guān)鍵作用。
此處提出一種適合于感應(yīng)加熱電源的以功率MOSFET作為開關(guān)元件的T型并聯(lián)諧振逆變器電路拓撲結(jié)構(gòu)，它能輸出理想的正弦電壓，開關(guān)元件工作在ZVS狀態(tài)，降低了開關(guān)損耗，提高了工作頻率和效率。與傳統(tǒng)H橋逆變器相比，在相同輸入直流電壓下輸出交流電壓為其2倍；在相同負載條件下輸出功率為其4倍；所用開關(guān)元件數(shù)量為其1／2。與單管E類串聯(lián)諧振逆變器相比，其逆變器的ZVS工作狀態(tài)不受負載影響，工作狀態(tài)穩(wěn)定、易控制，且適合用在不同負載情況下高頻感應(yīng)加熱的工業(yè)生產(chǎn)中。

2 拓撲結(jié)構(gòu)及工作原理
2．1 逆變器的電路構(gòu)成
圖1示出雙開關(guān)T型并聯(lián)諧振逆變器基本電路。Ud為直流輸入電壓，調(diào)節(jié)Ud就能改變逆變器輸出電壓和功率的大??；L為平波電抗，為并聯(lián)諧振回路提供恒流，同時又起到升壓的作用；開關(guān)元件VS1，VS2各開通、關(guān)斷半個周期，輪流工作，與諧振電壓uo同步，且在uo正弦波的過零點時刻進行開關(guān)；Co，Lo為諧振電容、電感。

為區(qū)別于E類逆變器以及用于DC／DC變換器的Boost電路，同時由于在圖1中L，VS2，VS1分布呈T型，故稱圖1所示電路為雙開關(guān)T型并聯(lián)諧振逆變器拓撲結(jié)構(gòu)。
2．2 電路工作原理
對圖1電路作如下假設(shè)：①L足夠大，使流過的電流在一個開關(guān)周期內(nèi)基本不變；②電路中的元器件均為理想器件；③VS1，VS2開關(guān)時刻有一定的重疊時間；④Co，Lo已處于諧振狀態(tài)，電路已進入穩(wěn)態(tài)。VS1，VS2的開關(guān)頻率為Co，Lo的諧振頻率，則當(dāng)uo=0時，VS1，VS2實現(xiàn)ZVS狀態(tài)。
假設(shè)電路已進入穩(wěn)定工作狀態(tài)，在t=0的前半個周期內(nèi)VS1導(dǎo)通，VS2斷開，到t=0時刻，L的電流iL達到最大值，電壓uL=Ud，其極性為左正右負。t=0時刻，Co兩端電壓由下正、上負諧振為零，Lo的儲能達到最大值，諧振電流io達到最大值且保持連續(xù)，方向向下。
工作模式1：t=0時刻，VS1斷開，VS2閉合，實現(xiàn)ZVS。在VS2閉合后的半個周期內(nèi)，L開始釋放能量，iL保持連續(xù)由最大值按余弦規(guī)律逐漸下降且對諧振回路補充能量，因此在VS2閉合期間L的電壓極性是左負右正，L起升壓的作用，A，C間的電壓平均值等于2Ud。
當(dāng)t在0～t1內(nèi)，L和Lo同時向Co充電，uo逐漸上升，直到t=t1時刻達到最大值，io下降到零；當(dāng)t在t1-t2內(nèi)，Co放電，L和Co同時向Lo補充能量，直到t=t2時刻，uo回到零，Lo上的電流達到反方向最大值。