高頻串聯(lián)逆變器諧振極電容緩沖電路的研究

摘要：探討了一種適合MHz級(jí)高頻逆變器的無損諧振極電容緩沖器。詳細(xì)分析了逆變器的換流過程，研究了不同諧振極電容值對(duì)器件關(guān)斷損耗和總體損耗的影響，給出了設(shè)計(jì)方法。仿真和實(shí)驗(yàn)波形證明了理論分析的正確性。

關(guān)鍵詞：高頻逆變器；電容緩沖電路；換流過程；無損

1 引言

隨著快速開關(guān)器件(如功率MOSFET)的出現(xiàn)，使高頻感應(yīng)加熱電源的實(shí)現(xiàn)成為可能。串聯(lián)諧振逆變器是實(shí)現(xiàn)高頻感應(yīng)加熱電源最常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。然而,若使其工作在頻率高于1MHz的情況下，為更好地限制di/dt和du/dt，減少器件的開關(guān)損耗，需對(duì)逆變器的緩沖電路提出更高的要求。

常規(guī)的緩沖器，如RCD緩沖電路，采用電阻來放電，隨著開關(guān)頻率的提高，消耗在緩沖器上的能量也隨之增加，大大降低了整個(gè)逆變系統(tǒng)的效率。而在MOSFET漏源間直接并聯(lián)一個(gè)無損緩沖電容可以有效地降低開關(guān)器件的關(guān)斷損耗，將常規(guī)緩沖器中電阻消耗的能量反饋給負(fù)載或電源，更適合用于高頻逆變器場合。文獻(xiàn)[1][4]已在這方面進(jìn)行了理論分析和推導(dǎo)。在此基礎(chǔ)上，本文對(duì)在頻率高達(dá)MHz級(jí)情況下含有諧振極電容緩沖器的串聯(lián)諧振逆變器特性和參數(shù)設(shè)計(jì)作了進(jìn)一步探討，并進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2 含有諧振極電容緩沖器的逆變器換流過程分析

圖1為簡化的含有諧振極電容緩沖器的串聯(lián)諧振逆變器主拓?fù)潆娐?。在四個(gè)橋臂上的開關(guān)器件MOSFET漏源兩端分別并聯(lián)了一個(gè)無損電容器，其中C₁=C₂=C₃=C₄=C。在感性負(fù)載條件下,開關(guān)頻率f應(yīng)略高于諧振頻率f_r，輸出電流i_o的相位滯后于輸出電壓U_o。具體工作過程如圖2所示。

圖1 簡化的含有諧振極電容緩沖器的串聯(lián)逆變器主拓?fù)潆娐?

(a) 換向前 (b) 換向中

(c)換向后 (d)負(fù)載電流改變方向后

圖2 含有諧振極電容的串聯(lián)諧振逆變器的換流過程

狀態(tài)0 換向前，S₁及S₄導(dǎo)通，負(fù)載電流方向?yàn)?i>i_o>0；此時(shí)電容C₁及C₄上的電壓為零。C₂及C₃上的電壓為U_dc，如圖4(a)所示。

狀態(tài)1 S₁及S₄關(guān)斷，開始換向，負(fù)載電流以i_o/2向C₁及C₄充電，通過C₂及C₃放電，如圖4(b)所示。

狀態(tài)2 在換向過程中，待C₁及C₄上的電壓達(dá)到U_dc，C₂及C₃上的電壓下降為零，而負(fù)載電流仍未過零，則會(huì)通過內(nèi)部反并聯(lián)二極管D₂及D₃續(xù)流，如圖4(c)所示。

狀態(tài)3 負(fù)載電流i_o過零后，S₂及S₃導(dǎo)通，如圖4(d)所示。

上述為上半個(gè)周期工作過程，下半個(gè)周期工作過程與上半個(gè)周期相似，在此從略。

3 諧振極電容緩沖器的設(shè)計(jì)方法

對(duì)含有諧振極電容的串聯(lián)諧振逆變器，在工作過程中，如果緩沖電容尚未放電結(jié)束就觸通同橋臂的MOSFET器件(非零壓開通)，電容放電電流將直接流入開關(guān)管，不僅會(huì)造成巨大的開通損耗，而且開關(guān)管也易因過流而損壞。當(dāng)f_s>1MHz時(shí)，更增加了非零壓開通的危險(xiǎn)性。

設(shè)計(jì)中，關(guān)鍵是如何確定電容C和關(guān)斷角β₀的數(shù)值。一個(gè)較大的C值，會(huì)減少關(guān)斷損耗，但同時(shí)會(huì)使通態(tài)損耗增加；β₀越小，功率因數(shù)就越高，但過小的β₀又將引起開關(guān)管的非零電壓開通。所以，在選擇C和β₀時(shí)，需在保證零電壓開通的前提下，取得盡可能小的關(guān)斷損耗。以下分析中均假定負(fù)載的品質(zhì)因數(shù)很高，且負(fù)載電流為正弦波。

串聯(lián)諧振逆變器的輸出電流i_o和開關(guān)管漏源極間電壓u_DS波形如圖3所示。假定i_o在ω t=0時(shí)刻改變方向，i_o的幅值為I_o，則i_o可表示為

i_o=I_osinωt （1）

圖3 串聯(lián)諧振逆變器輸出電流和開關(guān)電壓波形圖

在t=－t_off時(shí)刻，關(guān)斷S₁及S₄；t=－t_on時(shí)刻，反向二極管D₂及D₃開始導(dǎo)通。在(－t_offt－t_on)這段換向期間，C₁及C₄用負(fù)載電流i_o的1/2進(jìn)行充電，如圖2(b)。開關(guān)管S₁及S₄的開關(guān)電壓u_DS可表示為

u_DS=(cosωt－cosβ₀) （2）

為保證零電壓開通，u_DS必須在t=0之前達(dá)到U_dc。圖3中，ωt=－ξ時(shí)，u_DS上升到U_dc。代入式（2）得

cosβ₀=cosξ－ （3）

式（3）中C，β₀，ω，ξ均未知，確定它們的數(shù)值非常困難，以下我們先討論如何選擇C值。

在MOSFET可靠關(guān)斷，u_DS上升到U_dc的瞬間，負(fù)載電流i_o恰巧下降到零(ω t=0)。設(shè)此時(shí)C=C_n，則近似有

C_n= （4）