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1 引言 串聯諧振技術應用在感應加熱、逆變焊機等高頻逆變器中，能實現主開關管的ZCS或ZVS，有效提高功率因素，實現大功率輸出。本文介紹一種高頻高壓串聯諧振技術，它將三相市電經整流與逆變后輸出中壓方波，升壓變壓器將逆變器的輸出提升到一定電壓再利用變壓器的漏感與負載串聯諧振，達到所要求的負載電壓。此技術應用前景廣闊，在臭氧發生器、材料表面處理及污水凈化中都有應用。 2 系統結構及工作原理 圖1給出了高壓串聯諧振電源系統框圖。本電源是為材料表面處理設備研制的。它包括：三相AC／DC變換器、電壓型半橋串聯諧振逆變器、超音頻升壓變壓器和負載。超音頻變壓器用于負載阻抗匹配，逆變器選用IGBT模塊，工作頻率約為20kHz。系統工作時，呈現小感性，為零電流導通。對于感性負載，在一個工作周期中，功率器件導通的順序是二極管在先，IGBT在后，這就保證了IGBT在零電流條件下導通（ZCSON），導通后電流上升速度受到諧振電路的限制，因此，IGBT的開通損耗很小。另外如圖2所示，IGBT的吸收電容Cr1和Cr2的接入，限制了IGBT關斷時的電壓上升率，減小了關斷損耗。 利用負載諧振的RLC串聯諧振電路其諧振頻率為 逆變器主電路與阻抗特性如圖2所示。逆變器輸出的是高頻方波，變壓器的漏感與容性負載諧振，電流波形接近理想正弦波。 對于如圖2所示的諧振式電路，品質因素 |UL|=|UC|=QUo（3） 升壓變壓器輸出的電壓是諧振后的電壓，達到10～30kV，負載發生放電現象，用于產生臭氧或處理材料。 (a)逆變器主電路(b)阻抗特性 圖2 RLC串聯諧振 3 控制電路 用于調節輸出功率的方法有可控整流調壓調功、斬波調功、移相調功或PWM調功。本文設計的電源采用三相相控整流技術，通過相控整流實現輸出功率的調節。雖然此種方法在深控下有輸出功率因數低的缺點，但其控制方法成熟，可靠性高，對于絕大部分工作在滿功率輸出（α=0）情況下，不失為一種較好的選擇。逆變器為半橋式電路，這是由于全橋逆變電路中輸出電壓中含有直流分量，在設計高頻高壓升壓器時要考慮到直流磁通可能導致磁通飽和的問題，同時會增加磁芯損耗，增大變壓器設計難度。雖然可以在輸出中串聯隔直電容避免這個問題，但增加了成本和復雜性。 逆變控制框圖如圖3所示。負載等效為一個非線性有損電容，在大功率輸出情況下負載工作在諧振點附近，由實驗結果來看，負載在放電火花增強過程中諧振頻率下降，從未開始放電的30kHz左右下降到15kHz。如果不采用頻率跟蹤，無法滿足大功率輸出。逆變控制電路中使用了CD4046鎖相環，電流相位由互感器測得，經單穩電路（抗干擾）后與直接取自控制電路輸出的電壓信號作邊沿鑒相。4046內部有兩個鑒相器，第一鑒相器是異或門鑒相器，它只能對兩個占空比為0.5的方波進行鑒相，而且鑒相特性不是單調的曲線，工作時必須把某一個信號先移相90°后才能正常工作。因此采用了邊沿鑒相，它可以不考慮脈沖的寬度，只關心脈沖上升沿，如圖4所示，最終使信號1、2的脈沖前沿時間差為零。 鎖相環一個明顯的缺點是啟動的時候失鎖率比較高，因此，逆變控制采用他－自激轉換工作方式。正常運行時為自激工作，電流相位信號取自電流互感器，經過零比較和單穩電路，送至4046。電壓相位信號直接取自二分頻器的輸出，如圖3所示。經鎖相環和分頻器后，形成兩組與正負半波對應的方波。該方波經死區形成和驅動器產生IGBT的驅動信號。死區環節的作用在于防止逆變器上、下橋臂同時導通。啟動時，取他激頻率調節電位器上的電壓直接作為4046內部壓控振蕩的控制信號，進行他激啟動。當輸出電流達到一定值后，比較器輸出信號跳變，使電子開關動作，切斷振蕩器信號；同時將電流信號和電壓信號送4046內部鑒相器，使系統進入自激運行狀態。電壓信號在進入鎖相環之前，經過時滯補償，目的在于補償脈沖傳輸過程中的時間滯后。 4 負載匹配 應用于高壓的負載如臭氧發生器等，也等效為一個非線性有損電容。變壓器即傳遞能量，又是諧振電路中的電感部分。高頻高壓變壓器的設計是整個裝置中的關鍵部分，變壓器漏感必須與負載匹配，使它們工作在20kHz左右的頻率，因為這直接影響到負載的工作狀態。針對不同的負載，變壓器的漏感都要重新設計。而在某些特殊的場合，為使負載匹配，得改變變壓器的繞法，由此來改變它的漏感值。磁芯結構有E型、口字型、專為耐高壓而設計的錐型及多個磁芯組成星型相連的模式等。原、副邊的繞法也不盡相同，有原、副邊分繞兩邊或同繞一個柱上等。漏感的大小是一個難以精確計算的值，不僅與磁芯的結構，原、副邊的匝數、繞法有關，還與層間絕緣厚度、氣隙均勻性及工藝有關。在繞好后可以用電感測試儀直接測得，對于同一種繞法，其漏感的大小不會發生很大的變化。在負載頻率要求不是十分精確的情況下，這種設計方法是可行的。但如果測得的漏感與負載要求的諧振電感量大小差別很大，只能改變其繞法。一個常用的有效辦法就是改變原、副邊的匝數來改變漏感量。本文設計的升壓變壓器是E型磁芯結構。由于完全利用變壓器漏感與負載諧振，變壓器輸出電壓就是諧振電壓，將達到10～30kV，在品質因素較高的情況下，變壓器的變比可以相對減小。 高壓絕緣是一個特別需要重視的問題。為此變壓器采用油浸式，即使如此，在實驗中還是多次發生原、副邊擊穿現象，為此我們改進了繞法，加大原、副邊間距，同時使用了耐高壓的絕緣材料將原副邊隔離。如果由于漏感過小，可在原邊或副邊串聯電感來使負載匹配。此時會產生另外一個問題是輸出電流出現較大的畸變，發現疊加了3次、5次等低次諧波，其原因是由串聯電感中的分布電容引起的，整個負載有兩個靠得較近的諧振頻率。同時這種電路會使變壓器增加額外的電壓應力。 完全利用漏感諧振的另一個注意點就是變壓器的損耗問題，在大功率輸出的情況下，變壓器的散熱條件得充分考慮。 5 實驗結果 15kVA樣機經過測試，功率因數接近0.9。輸出電壓電流波形如圖4所示，其中電壓為50V/div，電流25A/div。從波形圖可以看出，電壓電流波形接近理想，其中電流峰值附近的毛刺是高壓放電所引起的。IGBT基本為零電流導通，電流稍稍滯后電壓一定角度，負載呈小感性，即系統工作頻率稍稍大于負載的自然振蕩頻率，其目的是使反并二極管零電流自然關斷，從而減小逆變器反并二極管的反向恢復特性所造成的影響。 6 結論 功率逆變電路通常采用諧振和調制兩種方式，對于高頻功率逆變，調制方式由于受到功率開關器件的限制和一定調制比的要求，已不再適用。本文所分析的利用變壓器漏感實現的高壓串聯諧振電路，輸出波形畸變小，功率因數高，輸出電路簡單，無須外加補償電感或電容。高壓串聯諧振技術應用范圍較廣，有待進一步深入研究。 |
