雙開關T型并聯諧振逆變器拓撲結構研究

摘要：為實現感應加熱電源高頻化、高效率化及高功率輸出能力，提出了以MOSFET作為開關的T型并聯諧振逆變器電路拓撲結構。它能夠輸出理想的正弦電壓波形，開關元件工作在零電壓開關(ZVS)狀態，降低了開關損耗，提高了工作頻率和效率。逆變器的ZVS工作狀態不受負載影響，且工作狀態穩定，易控制。詳述了電路構成及工作原理，研究并分析了電流、電壓的關系，最后給出了實驗結果。
關鍵詞：逆變器；并聯諧振；感應加熱

1 引言
由于感應加熱的諸多優點，目前感應加熱電源在高頻焊管、金屬表面熱處理等高頻條件下的應用日益廣泛。為此，要求全固態感應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百伏以上，工作頻率可達數百千赫茲以上。同時由于功率MOSFET的通態電阻具有正溫度系數，可起到自動平衡并聯MOSFET間漏極電流的作用，因此采取MOSFET并聯方式能解決感應加熱電源高頻化和高功率輸出能力的問題。此外感應加熱電源逆變器的電路拓撲結構優化和控制電路技術水平對提高感應加熱電源的高頻化、高效率化和高功率輸出能力也起著關鍵作用。
此處提出一種適合于感應加熱電源的以功率MOSFET作為開關元件的T型并聯諧振逆變器電路拓撲結構，它能輸出理想的正弦電壓，開關元件工作在ZVS狀態，降低了開關損耗，提高了工作頻率和效率。與傳統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；所用開關元件數量為其1／2。與單管E類串聯諧振逆變器相比，其逆變器的ZVS工作狀態不受負載影響，工作狀態穩定、易控制，且適合用在不同負載情況下高頻感應加熱的工業生產中。

2 拓撲結構及工作原理
2．1 逆變器的電路構成
圖1示出雙開關T型并聯諧振逆變器基本電路。Ud為直流輸入電壓，調節Ud就能改變逆變器輸出電壓和功率的大小；L為平波電抗，為并聯諧振回路提供恒流，同時又起到升壓的作用；開關元件VS1，VS2各開通、關斷半個周期，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；Co，Lo為諧振電容、電感。

為區別于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T型并聯諧振逆變器拓撲結構。
2．2 電路工作原理
對圖1電路作如下假設：①L足夠大，使流過的電流在一個開關周期內基本不變；②電路中的元器件均為理想器件；③VS1，VS2開關時刻有一定的重疊時間；④Co，Lo已處于諧振狀態，電路已進入穩態。VS1，VS2的開關頻率為Co，Lo的諧振頻率，則當uo=0時，VS1，VS2實現ZVS狀態。
假設電路已進入穩定工作狀態，在t=0的前半個周期內VS1導通，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，方向向下。
工作模式1：t=0時刻，VS1斷開，VS2閉合，實現ZVS。在VS2閉合后的半個周期內，L開始釋放能量，iL保持連續由最大值按余弦規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t在0～t1內，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t在t1-t2內，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。