1、PRC電源中負載變化對逆變器開關狀態(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，在設計逆變器諧振槽路的參數(shù)時應考慮額定負載或在負載一定變化范圍內(nèi)逆變器開關管的工作狀態(tài)。通過仿真和試驗證明了分析的正確性。 關鍵詞：PRC電源/逆變器   負載變化  開關狀態(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器件的開關損耗，軟開關技術的研究與應用非常重要。負載諧振型軟開關因其電路拓樸結(jié)構簡單、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)，對設計PRC電源主電路和吸收電路等輔助電路有一定指導意義。1  電路拓撲結(jié)構 圖1 電路結(jié)

5、構 ?并聯(lián)負載諧振電源電路結(jié)構如圖1所示。L、C構成諧振槽路，負載R與電容C并聯(lián)。這種結(jié)構的電源特點是開關管承受反相電壓小、負載適應能力強、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。分析可知，適當選擇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)之間的相角關系。在含有死區(qū)的逆變器中這種關系表示的是電流與逆變器驅(qū)動信號之間的相位關系：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k>1時虛數(shù)項系數(shù)也總是大于0，即iL滯后uab。當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。圖2表示iL同uab的相角與k，Q之間的關系（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６谔囟?#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的關系 表現(xiàn)為負載的變化，即：負載變化使逆變器的開關軟特性發(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），此時關閉驅(qū)動信號來到，原來導通的開關管關閉，在死區(qū)td內(nèi)電流由二極管D2,D4續(xù)流。死區(qū)過后，開關管 T2,T4導通，然后電流反相。可以看出，在這種模式中開關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 開關過程：電流還未換相時開關管（如T1、T3）的關閉信號來到，電流繼續(xù)由另外兩個開關管（T2、T4）上反并聯(lián)的二極管(D2、D4)續(xù)流。電流反向后，流經(jīng)剛關閉的開關上反并聯(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)移到剛開通的開關管（T2、T4）上。在這種情況下，開關管的工作狀態(tài)即不是零電壓也不是零電流，關斷電流較小，而開通時由于二極管的反向恢復造成瞬時橋臂直通。模式III  容性換相如圖3（c）所示，電流的過零點超前于相應關閉驅(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。 開關過程：槽路電流已經(jīng)換相而相應開關管（T1、T3）并沒有關斷，電流由其上反并聯(lián)的二極管（D1、D3）續(xù)流。開關管關閉信號來到，經(jīng)過死區(qū)之后，另一對開關管（T2、T4）的開通信號來到，電流由續(xù)流二極管（D1、D3）轉(zhuǎn)移到剛開通的開關管（T2、T4）上。這種情況下，開關管在零電流下關斷，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造成的開關管開通瞬時大電流。 根據(jù)PRC電源的設計實例，工作頻率fs=20kHz，開關管選用IGBT，死區(qū)時間設計為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

16、斷的開關管上反并聯(lián)二極管參與續(xù)流，但正是由于它的續(xù)流，當另一個開關管開通時，因為二極管反向恢復時間的存在造成開關管的瞬時電流很大。 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，其關斷電流與td、Q和k的大小有關

18、，缺點是開關管的關斷應力較大。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電流的存在會使開關管開通瞬間的電流較大，從而增大了管子的開通應力，也相應使開關損耗增大。模式III的開通狀態(tài)，也存在相同的缺點。設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