一種新型感應加熱電源雙機并聯拓撲的研究

現代感應加熱電源正朝著大功率,高頻化方向發展。這對現代電力電子器件來說是一個相當大的挑戰。傳統的方法是采用器件串并聯的方式,但這存在器件之間均流均壓閑難的問題,特別是當器件串并聯很多時,則需要保證精確的同步信號,以避免器件之間的環流損壞電力電子器件。但在很多情況下這很難精確保證。特別是當串并聯器件較多功率等級很大,信號線上延時將對器件之間的環流產生惡劣的影響,所以采用器件申并聯的方式時,器件數量、最大功率都將受到限制。基于此,一種新型的LLC拓撲被提出,它的優良特性可有效地減少逆變橋并聯之間的環流,通過參數設計可以均衡各橋的功率分配,降低器件的損耗,從而有效地解決了逆變橋并聯中出現的一些問題,有利于感應加熱電源多橋并聯,提高輸出功率和可靠性。

l 單機LLC分析
電壓型LLC負載拓撲如圖1所示。由圖1可知,不同之處是在以往LC并聯負載基礎上再串聯一個電感L1,L2和R為感應圈的等效電路,通常L1比L2大很多,L1參與諧振并起到隔離負載和電源,調節功率分配的作用。可見它與傳統感應加熱電源中的負載匹配變壓器作用很相似,因而可以消除造價昂貴,效率不高的高頻變壓器,使得整個裝置的體積縮小、重量減輕。LLC諧振電路阻抗表達式為

由基本的電路分析可得它有兩個諧振頻率, 一個是并聯諧振頻率f0和一個串聯諧振頻率f1

式中：Leq=L1//L2。
定義k=L1/L2,一般來說k值較大以滿足負載匹配的要求,因此f0與f1很接近。為了獲得較大功率以及控制系統設計方便,系統的理想工作點在f1。Q=L2ωo/R≈L2ω1/R為了負載的品質因數{Q》]),將k》1,Q代入式(1),則在諧振點有

由式(3)可知在ω1、點電源工仵在感性狀態以保證開關管可靠換流,且電容上電壓滯后逆變器輸出電壓90°。可以證明在ω1點為輸出功率最大值。

由式(4)可看出電感L1起到阻抗變換,功率調節作用。系統功率曲線以及阻抗特性曲線如圖2所示。

從圖2中可以看出φ(ω)在整個頻域內是非單調函數,這種特性不利于用鎖相環控制．相反θ(ω)=arg(vc/v1)卻呈單調變化特性,且在ω1點有θ(ω1)≈—90°,所以．θ(ω)可作為控制變量引入到PLL中,從而鎖定在A振點。電容上電壓最大值出現在諧振點ω1。 vc ≈v1Q/k (5)

2 感應加熱并聯模塊環流分析
LLC諧振負載最大的優點是有利于感應加熱中的多機并聯,它小需要在逆變器之間附加任何元件,即使各橋的信弓延時角度很大也能保證系統止常工作,抑制各橋之間的環流,調節各逆變器的輸出功率,多機并聯圖如圖3所示。

假設各逆變器INV1至INVn工作在理想狀態,即INV1至INVn對應相同的驅動信號,有相同的直流電壓vdc,則多機并聯可以等效為單機的情況,轉換等式如式(6)。

實際控制中各個模塊的驅動信號統一由控制板產生,但在傳輸信號的過程中,由于傳輸路線上的邏輯器件延遲,驅動變壓器的延遲以及工藝方面的原因可能造成模塊之間驅動信號的差異。這種延遲造成逆變器輸出電壓存在相位差,因此,研究它所產生的環流有實際意義,首先做出雙機并聯的等效電路如圖4所示。

根據式(6)選取L11=L12=2L1,由于感應加熱負載的高Q值,假定感應圈中的電量均用正弦量,則有

式中：zp為電容與感應圈并聯等效阻抗。