頻率跟蹤在大功率串聯(lián)諧振全橋逆變產(chǎn)品中的重要性

　　大功率（15KW以上）感應(yīng)加熱產(chǎn)品通常會(huì)采用全橋逆變技術(shù)。在其工作時(shí)，由于負(fù)載變化、環(huán)境溫度變化及調(diào)功要求等原因會(huì)引起的工作頻率的變化。為了使逆變器始終工作在適合的頻率上從而得到相應(yīng)恒定的功率，控制電路就必須能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)負(fù)載頻率的跟蹤。頻率跟蹤電路不僅要對(duì)負(fù)載頻率進(jìn)行跟蹤、采集，更要通過(guò)鎖相技術(shù)將負(fù)載工作頻率鎖定在與控制信號(hào)頻率同頻，從而得到相應(yīng)恒定的功率。更進(jìn)一步可以對(duì)采集到的負(fù)載工作頻率信號(hào)進(jìn)行處理用于實(shí)現(xiàn)其他功能，如移相PWM(脈寬調(diào)制Pulse Width Modulation)中的移相調(diào)功。從這個(gè)意義上講，頻率跟蹤在全橋逆變應(yīng)用中是十分重要的。

　　串聯(lián)諧振逆變器基本結(jié)構(gòu)

串聯(lián)諧振逆變器基本結(jié)構(gòu)

　　它包括直流電壓源Ud，和由開(kāi)關(guān)S1~S4組成的逆變橋及由R、L、C組成的串聯(lián)諧振負(fù)載。其中開(kāi)關(guān)S1~S4可選用IGBT、SIT(靜態(tài)感應(yīng)晶體管Static Induction Transistor)、MOSFET（金氧半場(chǎng)效晶體管Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）、SITH（靜電感應(yīng)晶閘管Static Induction Thyristor）等具有自關(guān)斷能力的電力半導(dǎo)體器件。逆變器為單相全橋電路，其控制方法是同一橋臂的兩個(gè)開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)是互補(bǔ)的，斜對(duì)角的兩個(gè)開(kāi)關(guān)是同時(shí)開(kāi)通與關(guān)斷的。

　　控制方式

　　1）調(diào)幅控制（PAM，Pulse Amplitude Modulation）是通過(guò)調(diào)節(jié)直流電壓源輸出（逆變器輸入）電壓Ud（可以用移相調(diào)壓電路，也可用斬波調(diào)壓電路加電感和電容組成的濾波電路，來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出功率的目的。）即逆變器的輸出功率通過(guò)輸入電壓調(diào)節(jié)，由鎖相環(huán)（PLL）完成電流和電壓之間的相位控制，以保證較大的功率因數(shù)輸出。

　　這種方法的優(yōu)點(diǎn)是控制簡(jiǎn)單易行，缺點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積較大。

　　2) 脈沖頻率調(diào)節(jié)（PFM，Pulse Frequence Modulation）是通過(guò)改變逆變器的工作頻率，從而改變負(fù)載輸出阻抗以達(dá)到調(diào)節(jié)輸出功率的目的。

　　從串聯(lián)諧振負(fù)載的阻抗特性：

　　可知，串聯(lián)諧振負(fù)載的阻抗隨著逆變器的工作頻率（f）的變化而變化。對(duì)于一個(gè)恒定的輸出電壓，當(dāng)工作頻率與負(fù)載諧振頻率偏差越大時(shí)，輸出阻抗就越高，因此輸出功率就小，反之亦然。

　　脈沖頻率調(diào)制方法的主要缺點(diǎn)是工作頻率在功率調(diào)節(jié)過(guò)程中不斷變化，導(dǎo)致集膚深度也隨之而改變，在某些應(yīng)用場(chǎng)合如表面淬火等，集膚深度的變化對(duì)熱處理效果會(huì)產(chǎn)生較大的影響，這在要求嚴(yán)格的應(yīng)用場(chǎng)合中是不允許的?！　?) 脈沖密度調(diào)制（PDM，Pulse Density Modulation）就是通過(guò)控制脈沖密度，實(shí)際上就是控制向負(fù)載饋送能量的時(shí)間來(lái)控制輸出功率。其控制原理如圖：

PDM控制原理圖

　　這種控制方法的基本思路是：假設(shè)總共有N個(gè)調(diào)功單位，在其中M個(gè)調(diào)功單位逆變器向負(fù)載輸出功率；而剩下的N-M個(gè)單位內(nèi)逆變器停止工作，負(fù)載能量以自然振蕩形式逐漸衰減。輸出的脈沖密度為M/N，這樣輸出功率就跟脈沖密度聯(lián)系起來(lái)了。因此通過(guò)改變脈沖密度就可改變輸出。

　　脈沖密度調(diào)制方法的主要缺點(diǎn)是：逆變器輸出細(xì)度的頻率不完全等于負(fù)載的自然諧振頻率，在需要功率閉環(huán)的場(chǎng)合中，工作穩(wěn)定性較差。由于每次從自然誤差振蕩狀態(tài)恢復(fù)到輸出功率狀態(tài)時(shí)要重新鎖定工作頻率，這時(shí)系統(tǒng)可能失控。因此在功率閉環(huán)或者溫度閉環(huán)的場(chǎng)合，工作的穩(wěn)定性不好。其另一個(gè)缺點(diǎn)就是功率調(diào)節(jié)特性不理想，呈有級(jí)調(diào)功方式。

　　4) 諧振脈沖寬度調(diào)制（PWM）：

PWM中各信號(hào)波形

　　如圖2-3，諧振脈沖寬度調(diào)制是通過(guò)改變兩對(duì)開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間的相位差來(lái)改變輸出電壓值以達(dá)到調(diào)節(jié)功率的目的。即在控制電路中使原來(lái)同相的兩個(gè)橋臂開(kāi)關(guān)（S1,S3）、（S2,S4）的驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間錯(cuò)開(kāi)一個(gè)相位角，使得輸出的正負(fù)交替電壓之間插入一個(gè)零電壓值，這樣只要改變相位角就可以改變輸出電壓的有效值，最終達(dá)到調(diào)節(jié)輸出功率的目的。