1、PRC電源中負載變化對逆變器開關(guān)狀態(tài)的影響        摘  要：分析了在并聯(lián)負載諧振（PRC）變換器中負載變化對逆變器工作狀態(tài)的影響，并由此提出，在設(shè)計逆變器諧振槽路的參數(shù)時應(yīng)考慮額定負載或在負載一定變化范圍內(nèi)逆變器開關(guān)管的工作狀態(tài)。通過仿真和試驗證明了分析的正確性。 關(guān)鍵詞：PRC電源/逆變器   負載變化  開關(guān)狀態(tài)  Effects of PRC Supply Load-variance upon Inverter switch States LI Jin

2、-gang1，ZHONG Yan-ru1，SHENG Zu-quan2 (1.Xian University of Technology, Xian 710048, China; 2.Xian Power and Electronic Research Institute) Abstract: This paper analyzes the effects of PRC inverter load-variance upon inverter working states, and an important designing factor in the inverter resonant p

3、arameters is given, Thats it should be allowed for the switch states under the conditions of rating load or in the confines of Load-variance when inverters are designed. The simulations and experiments show the analyze way is verified. Key words: PRC supply/ inverter  load-variance  switch

4、 states     在高能物理和醫(yī)療電子設(shè)備中，經(jīng)常需要幾十萬伏的高壓大功率電源。這種電源一般都是利用變壓器將一固定低壓逐級升壓獲得。為了減小變壓器體積和損耗應(yīng)盡量提高電源頻率，并使之為正弦或接近正弦。另外，在大功率高頻變換中為減少開關(guān)器件的開關(guān)損耗，軟開關(guān)技術(shù)的研究與應(yīng)用非常重要。負載諧振型軟開關(guān)因其電路拓樸結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、輸出為正弦而在高頻逆變器中得到廣泛的使用。本文通過討論并聯(lián)負載諧振電源負載變化對逆變器開關(guān)特性的影響分析了諧振參數(shù)選擇的一個重要依據(jù)，對設(shè)計PRC電源主電路和吸收電路等輔助電路有一定指導(dǎo)意義。1  電路拓撲結(jié)構(gòu) 圖1 電路結(jié)

5、構(gòu) ?并聯(lián)負載諧振電源電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。L、C構(gòu)成諧振槽路，負載R與電容C并聯(lián)。這種結(jié)構(gòu)的電源特點是開關(guān)管承受反相電壓小、負載適應(yīng)能力強、輸出電壓范圍寬。對逆變器輸出電壓進行傅立葉變換，則諧振槽路輸入電壓uab可以表示為:1  其中，Vd為逆變器輸入直流電壓，s為逆變器   工作角頻率,m=1，2，3（下同）,uabn為n次諧波電壓，諧振角頻率為0=(1/LC)1/2，品質(zhì)因數(shù)為Q=R/(0L)，           ，n次諧波電流為iLn.  

6、;                                   諧振槽路中的電流iL表示為：(1) ?(2) ?那么，第n次諧波電流有效值ILn相對于基波電流有效值IL的標么值hn表示為：     各次諧波電流與

7、基波電流的比值與k、Q有關(guān)。分析可知，適當(dāng)選擇k值可以使9次以上的諧波與基波比值隨Q的變化很小，并且hn很小3。因此，在下面的分析中都只考慮基波和9次以下的諧波電流。從實驗和仿真結(jié)果來看這種近似帶來的誤差非常小。 2  負載特性分析  2.1  負載特性表達式 由(1)式，令：                   則有下式：       

8、                                                   

9、;       (3)之間的相角關(guān)系。在含有死區(qū)的逆變器中這種關(guān)系表示的是電流與逆變器驅(qū)動信號之間的相位關(guān)系：j=0表示電流過零點在死區(qū)中間。式中實數(shù)項總是大于0的。而虛數(shù)項則隨著k的變化而不同：當(dāng)k>1時虛數(shù)項系數(shù)也總是大于0，即iL滯后uab。當(dāng)k1時虛數(shù)項系數(shù)的符號與品質(zhì)因數(shù)Q和k的大小有關(guān)。圖2表示iL同uab的相角與k，Q之間的關(guān)系（條件為電源頻率20kHz，死區(qū)時間2s）。在固定頻率諧振電源中k是不變的。由圖看出，Q增大相角前移，以至于由電流滯后（感性）變?yōu)槌埃ㄈ菪裕?。而在特定?#160; 源中，諧振槽

10、路參數(shù)已確定，所以Q的變化實際 圖2  輸出電壓、電流的相角與k、Q的關(guān)系 表現(xiàn)為負載的變化，即：負載變化使逆變器的開關(guān)軟特性發(fā)生改變。2.2  逆變器工作狀態(tài)分析 假定k=fs/fo為常數(shù)，（這一點在固定輸出頻率電源中是顯而易見的），如k=0.7。關(guān)于k、Q的選擇原則見文獻3的討論。在考慮死區(qū)的情況下，逆變器工作可以分為三種模式：感性換相；死區(qū)內(nèi)換相；容性換相。如圖3所示，其中VT13和VT24分別表示開關(guān)管T1、T3和T2、T4的驅(qū)動信號。模式I  感性換相     如圖3（a），槽路振蕩電流的過零時刻出現(xiàn)在開通信號之后屬于完全的

11、感性換相。此時iL到死區(qū)中間位置的相角j<-360o fstd/2。    換流過程：t1時刻前電流正向流動（通過T1、T3），此時關(guān)閉驅(qū)動信號來到，原來導(dǎo)通的開關(guān)管關(guān)閉，在死區(qū)td內(nèi)電流由二極管D2,D4續(xù)流。死區(qū)過后，開關(guān)管 T2,T4導(dǎo)通，然后電流反相?？梢钥闯?，在這種模式中開關(guān)管開通時承受二極管壓降，所以是零電壓開通。模式II 死區(qū)內(nèi)換相如圖3（b）所示，電流的換相時刻在驅(qū)動信號的死區(qū)內(nèi)。此時-360o fstd/2 <J< 2。 fstd>(c)  容性換相     &#

12、160;                        (c)  Q=2.5 圖3  逆變器三種工作狀態(tài)分析                     

13、 圖4  Q為不同值時逆變器換相過程仿真 開關(guān)過程：電流還未換相時開關(guān)管（如T1、T3）的關(guān)閉信號來到，電流繼續(xù)由另外兩個開關(guān)管（T2、T4）上反并聯(lián)的二極管(D2、D4)續(xù)流。電流反向后，流經(jīng)剛關(guān)閉的開關(guān)上反并聯(lián)的二極管（D1、D3），接著開通信號來到，續(xù)流二極管反向截止，電流轉(zhuǎn)移到剛開通的開關(guān)管（T2、T4）上。在這種情況下，開關(guān)管的工作狀態(tài)即不是零電壓也不是零電流，關(guān)斷電流較小，而開通時由于二極管的反向恢復(fù)造成瞬時橋臂直通。模式III  容性換相如圖3（c）所示，電流的過零點超前于相應(yīng)關(guān)閉驅(qū)動信號，使逆變器工作在完全的容性狀態(tài)。此時j>360o fst

14、d/2。 開關(guān)過程：槽路電流已經(jīng)換相而相應(yīng)開關(guān)管（T1、T3）并沒有關(guān)斷，電流由其上反并聯(lián)的二極管（D1、D3）續(xù)流。開關(guān)管關(guān)閉信號來到，經(jīng)過死區(qū)之后，另一對開關(guān)管（T2、T4）的開通信號來到，電流由續(xù)流二極管（D1、D3）轉(zhuǎn)移到剛開通的開關(guān)管（T2、T4）上。這種情況下，開關(guān)管在零電流下關(guān)斷，而開通時即非零電流也非零電壓，而且也存在二極管反向恢復(fù)造成的開關(guān)管開通瞬時大電流。 根據(jù)PRC電源的設(shè)計實例，工作頻率fs=20kHz，開關(guān)管選用IGBT，死區(qū)時間設(shè)計為td =2us。則360ofsÍtd/2=18o。由圖2，在k=0.7時，Q<1.4逆變器為感性換相，1.4<Q

15、2.2為容性換相。3  仿真結(jié)果 三種工作模式的PSPICE仿真波形如圖4所示，其中i(D1)和i(D4)是反并聯(lián)二極管D1和D4的電流波形，uds和i(c1)分別是開關(guān)管T1兩端的電壓和流過的電流波形，uab是逆變器輸出端電壓，i(L)是諧振槽路中的電流。仿真按實際電源的設(shè)計為條件：fs=20kHz，f0=28.5kHz,即k=0.7，死區(qū)時間td=2s。 從圖4可以看出，Q=1.1時逆變器工作于感性換相，在每次換相中只有一個二極管續(xù)流。Q=1.7時逆變器工作在死區(qū)內(nèi)換相，每次換相中一個橋臂上的兩個二極管均有續(xù)流過程。Q=2.5時逆變器工作在容性換相，每次換相在一個橋臂上只有已經(jīng)關(guān)

16、斷的開關(guān)管上反并聯(lián)二極管參與續(xù)流，但正是由于它的續(xù)流，當(dāng)另一個開關(guān)管開通時，因為二極管反向恢復(fù)時間的存在造成開關(guān)管的瞬時電流很大。 4  試驗與結(jié)果分析            試驗波形如圖5所示,電源輸出額定功率P=5kW，工作頻率20kHz，諧振頻率28.5kHz。即k=0.7。負載的變化體現(xiàn)在Q值的不同上。 （a） Q=1.1            &#

17、160;           (b)  Q=1.7                        (c)  Q =3.5 圖5  額定5kw電源負載變化時逆變器輸出波形 通過分析可以看出，在模式I的情況下，其關(guān)斷電流與td、Q和k的大小有關(guān)

18、，缺點是開關(guān)管的關(guān)斷應(yīng)力較大。模式II存在的缺點是電流換相時逆變器處于失控狀態(tài)（死區(qū)內(nèi)），而且由于二極管反向恢復(fù)電流的存在會使開關(guān)管開通瞬間的電流較大，從而增大了管子的開通應(yīng)力，也相應(yīng)使開關(guān)損耗增大。模式III的開通狀態(tài)，也存在相同的缺點。設(shè)計電源時可以選定在額定負載下的工作狀態(tài)，即選定Q值。k1時總是感性換相；k<1時， 若設(shè)定額定負載時為模式III，則隨負載的減輕逆變器工作狀態(tài)不會變化（總是容性）。若額定負載時選定模式I，則隨著負載的減輕逆變器狀態(tài)將由模式I變到模式III，這將給吸收電路等輔助電路的設(shè)計帶來許多不便。 5  結(jié)  語 對PRC電源負載變化對逆變器工作狀態(tài)的影響進行了理論的分析和試驗的驗證。由于負載變化使逆變器開關(guān)有三種不同的工作特性，每一種特性又各有優(yōu)缺點。因此，在進行PRC電源設(shè)計時要充分考慮電源額定負載及在額定負載一定范圍內(nèi)變化時選定的工作狀態(tài)，從而能夠設(shè)計出更為安全可靠的吸收、保護等輔助電路，降低電源的故障率。 實際的PRC電源設(shè)計要考慮的因素很多3。一臺電源可以工作在額定負載和輕負載下，負載變輕意味著Q增大。根據(jù)前面的分析與試驗可以知道，Q增大使逆變器工作狀態(tài)的變化是單向性的，即：向容性的方向轉(zhuǎn)變。如果在額定負載時逆變器工作在感性狀態(tài)，則在電源的全程工作范圍內(nèi)勢必造成逆變器有三