【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 求給其提供電能的電源變得越來(lái)越小，具有更高的功率密度，如果我們能夠提高開(kāi)關(guān)管的效率，就可以使開(kāi)關(guān)管在更高的頻率下工作，就可以減少逆變器中電感和電容的容量，減少了感應(yīng)加熱電源的體積。所以提高開(kāi)關(guān)管的效率是意義重大的。 要提高開(kāi)關(guān)管的效 率，我們應(yīng)主要從以下幾方面努力： 減少開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)的電壓降和斷開(kāi)時(shí)的漏電流，這主要是由開(kāi)關(guān)器件本身決定的，和負(fù)載并沒(méi)有關(guān)系。 減少開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)時(shí)間，這主要是由開(kāi)關(guān)器件本身和開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電路決定的，負(fù)載網(wǎng)絡(luò)對(duì)開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)時(shí)間有一定影響。 減少開(kāi)關(guān)管上同時(shí)存在的電壓和電流的時(shí)間。 圖 21 最佳效率下的開(kāi)關(guān)管的理想電壓和電流波形 第 2章 E 類逆變器結(jié)構(gòu)與原理分析 9 我們以圖 21 為例，來(lái)分析這種負(fù)載網(wǎng)絡(luò)要達(dá)到的目標(biāo)： 開(kāi)關(guān)斷開(kāi)后，電壓上升有一個(gè)延遲時(shí)間，這可以確保在開(kāi)關(guān)管的電流還沒(méi)有降到零之前，開(kāi)關(guān)管上不會(huì)有太高的電壓，這樣 就可以大大降低關(guān)斷損耗。 在開(kāi)關(guān)開(kāi)通時(shí)，開(kāi)關(guān)管上的電壓回到零，實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通，這可以避免了在開(kāi)關(guān)管兩端寄生電容放電造成的損耗，使開(kāi)通損耗幾乎為零。 在開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)，開(kāi)關(guān)管上電壓的變化坡度也恰好為零，這可以降低開(kāi)關(guān)噪聲，同時(shí)可以減少開(kāi)通時(shí)間，進(jìn)一步減少開(kāi)通損耗。 單 E類逆變器原理分析 E 類逆變器是 70 年代出現(xiàn)的一種諧振變換器，自從出現(xiàn)就引起了廣泛的關(guān)注，得到了深入廣泛的研究，每年都有不少關(guān)于 E 類逆變器這方面的文章發(fā)表，相關(guān)的產(chǎn)品也已有投入市場(chǎng)應(yīng)用的。原因是 E 類逆變器采用軟開(kāi)關(guān)方式工作，能夠在高頻工 作時(shí)保持不同尋常的高效，并能夠輸出很好的正弦波形。有資料顯示， E 類逆變器的效率可以高達(dá) 97%，實(shí)踐證明， E 類逆變器在提高開(kāi)關(guān)電源的工作頻率和工作效率有顯著的效果，有廣闊的應(yīng)用前景。 E 類逆變器基本電路拓?fù)淙鐖D 22 所示，電感 1L 的阻抗足夠大，因而使流過(guò)的電流為一個(gè)恒定的值。 2L ， 2C 為諧振元件，在負(fù)載 R 上產(chǎn)生高頻的正弦波輸出。 1C 為外加電容，目的是使開(kāi)關(guān)管 S 工作在理想狀態(tài)。 [3] L 1 L 2C 2C 1V C CR 圖 22 E 類逆變器原理圖 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 工作原理： （ 1） 開(kāi)關(guān)管 S 導(dǎo)通時(shí)，電感 1L 中的電流全部流過(guò) S ，由于 2L ， 2C 在開(kāi)通之前已經(jīng)儲(chǔ)存了能量，這時(shí) 2L ， 2C ， R 就形成一個(gè)閉合的諧振回路。在負(fù)載 R 上就得到一個(gè)正弦的輸出。此時(shí)通過(guò)開(kāi)關(guān)管 S 的電流為電感 1L 中的電流和 2L ， 2C ， R 諧振回路中的電流之和。 （ 2） 當(dāng)開(kāi)關(guān)管 S 關(guān)斷時(shí)，由于開(kāi)關(guān)管 S 的兩端并著一個(gè)電容 1C ， 1C上的電壓由零緩慢上升，從而使開(kāi)關(guān)管 S 在關(guān)斷電流拖尾期間，兩端的電壓上升的幅值有限。從而大大降低了關(guān)斷損耗。 關(guān)斷期間， 2L ， 2C ， R ， 1C 形成一個(gè)閉合的諧振回路繼續(xù)諧振，電感 1L 對(duì)諧振回路充電，補(bǔ)充諧振能量。當(dāng)電容 1C 上的電壓到零時(shí)，使開(kāi)關(guān)管 S 導(dǎo)通，從而實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)管的零電 壓開(kāi)通，也大大降低了開(kāi)通損耗。至此，電路完成了一個(gè)完整周期的工作，在負(fù)載 R 上得到了一個(gè)完整正弦輸出。 t 1 t 2t 6t 5t 4t 3V d sI sI cI oI sI cS 開(kāi) 通 圖 23 E 類逆變器工作波形 第 2章 E 類逆變器結(jié)構(gòu)與原理分析 11 雙 E類逆變器原理分析 1975 年， Sokal 提出的高頻高效 E 類放大器，以其逆變工作頻率高，效率理論值可達(dá) 100%的優(yōu)異特點(diǎn)得到很大的發(fā)展。然而，由于這種逆變器工作時(shí)開(kāi)關(guān)管要承受 35 倍直流母線的電壓應(yīng)力，其直流側(cè)輸入電壓受到了 限制，以至限制了整個(gè)逆變器的輸出功率。相對(duì)于傳統(tǒng)的 E 沒(méi)逆變器，這種推挽式逆變器（以下簡(jiǎn)稱雙 E 類逆變器）開(kāi)關(guān)管 S1 與 S2 共同承擔(dān)輸入電壓的峰值，交替為負(fù)載提供高頻電流，使其輸出功率可提高到原來(lái)的 4 倍。 [4] L rrs 1S 2RL 1L 2C rC 1C 2 圖 24 雙 E 類逆變器拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)圖 雙 E 類逆變器基本電路拓?fù)淙鐖D 24 所示，電感 21,LL 的阻抗足夠大，因而使流過(guò)的電流為一個(gè)恒定的值。 rrCL, 為 諧振元件，在負(fù)載 R 上產(chǎn)生高頻的正弦波輸出。 21,CC 為外加電容，目的是使開(kāi)關(guān)管 21,SS 工作在理想狀態(tài)。 為了便于分析，現(xiàn)將雙 E 類逆變器中電流的流向在簡(jiǎn)化模型中給出，如圖 25 所示，圖 26 為主要波形圖。 (1)S1由關(guān)斷轉(zhuǎn)向開(kāi)通， S2由開(kāi)通轉(zhuǎn)向關(guān)斷 t0t1，階段：電流 I1 開(kāi)始 流入開(kāi)關(guān)管 S1，開(kāi)關(guān)管上的電流 is1開(kāi)始上升，即 is1=I1 i0由于 I1恒定，流向負(fù)載的電流 i0開(kāi)始減少。此時(shí)由于開(kāi)關(guān)燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 管 S2 由開(kāi)通轉(zhuǎn)向關(guān)斷，流入 S2 的電流轉(zhuǎn)入流向 C2，即負(fù)載電流 i0 與 I2向電容 C2充電，充電電流 ic2＝ i0＋ I2，電容 C2上的電壓開(kāi)始升高。在這期間，負(fù)載電流 i0逐漸減少，直到負(fù)載電流減少到零，進(jìn)入下一階段。 t1t2階段：負(fù)載電流 i0開(kāi)始換向，電流 I2一部分向電容 C2充電，另一部分流向負(fù)載。此時(shí)負(fù)載電流 i0 開(kāi)始反向上升 (規(guī)定負(fù)載電流從左向右為正向 )，由于電流 I2恒定 (I2=ic2+i0 )，電容 C2的充電電流不斷減少，直到減少到零，此刻電流 I2全部轉(zhuǎn)向負(fù)載，即 i0 =I2。 L rL 2L 1I 1I eV S 1i s 1C 1I 2R C ri c 2i c 1 S 2i 0i s 2 C 2 圖 25 電流流向圖 t2t3 階段：由于此時(shí)電容 C2 的電壓己被充至峰值， C2 開(kāi)始放電，流經(jīng) Cr， R， Lr， S1，電容 C2上的電壓開(kāi)始減少。此時(shí) i0= I2+ic2。由于負(fù)載電流 i0不斷上升，開(kāi)關(guān)管 S1上的電流也不斷上升，此時(shí) i s1=Ie＋ i0 (2)S1由開(kāi)通轉(zhuǎn)向關(guān)斷， S2由關(guān)斷轉(zhuǎn)向開(kāi)通 t3t4階段：流向開(kāi)關(guān)管 S1的電流轉(zhuǎn)移到旁路電容 C1，開(kāi)始在電 容 C1建立電壓，即 ic1=Ie+i0}，此時(shí)由于開(kāi)關(guān)管 S2開(kāi)通，電流 I2分別轉(zhuǎn)向開(kāi)關(guān)管 S2以及負(fù)載。電容 C2通過(guò)開(kāi)關(guān)管 S2放電，開(kāi)關(guān)管 S2的電流 iS2逐漸增大，由于 I2 恒定，負(fù)載電流逐漸減少，直到減少到零，負(fù)載電流開(kāi)始換向，進(jìn)入下一階段。此時(shí) I2=is2。 t4t5階段：負(fù)載電流開(kāi)始轉(zhuǎn)向開(kāi)關(guān)管 S2，此時(shí) is2=I2+i0，開(kāi)關(guān)管 S2的電流繼續(xù)增大，由于此時(shí)開(kāi)關(guān)管 S1關(guān)斷， Ie=i0+ic1， i0不斷增大， ic1不斷減少，直到減少到零，電容 C1的電壓達(dá)到峰值。 t5t6階段：電容 C1開(kāi)始放電，此時(shí) i0=Ie+iC1，負(fù)載電流繼續(xù)上升，開(kāi)第 2章 E 類逆變器結(jié)構(gòu)與原理分析 13 關(guān)管 S2上的電流為負(fù)載電流 i0與 I2之和，即開(kāi)關(guān)管 S2上的電流隨著負(fù)載電流的增大而增大。 圖 26 雙 E 類逆變器工作波形 本章小結(jié) 本章主要介紹了 E 類逆變器最佳工作狀態(tài)下的電壓與電流工作波形。分析了單 E 類逆變器的工作原理和雙 E 類逆變器的工作原理。燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 第 3章 E類逆變器的設(shè)計(jì)和計(jì)算 基本諧振電路 基本諧振電路（由負(fù)載線圈及其補(bǔ)償電容組成）主要分為串聯(lián)諧振電路及并聯(lián)諧振電路。并聯(lián)諧振電路主要用于中、低頻范圍的逆變電源。而在 高頻范圍內(nèi)，主要為串聯(lián)諧振電路。這種諧振電路將主要應(yīng)用在逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中（ E 類放大器，推挽式雙 E 類逆變器）。因此本節(jié)將以串聯(lián)諧振電路為例，簡(jiǎn)單介紹串聯(lián)諧振電路的幾個(gè)重要參數(shù)。 CRLU 圖 31 串聯(lián)諧振電路 如圖 31 所示為串聯(lián)諧振電路的等效電路圖。感應(yīng)加熱用逆變電源負(fù)載的 Q 值（品質(zhì)因數(shù)）很低，為了提高負(fù)載電路的功率因數(shù)，通常在負(fù)載上并聯(lián)或者串聯(lián)電容以提高其功率因數(shù)，電容與負(fù)載串聯(lián)也就構(gòu)成了串聯(lián)諧振電路，感應(yīng)線圈以電阻與電感串聯(lián)的 等效形式表示，由圖 31 可見(jiàn)，負(fù)載的阻抗為： jXRXXjRCLjRZ CL ???????? )()1( ?? （ 31） 2222 )1()( CLRXXRZ CL ?? ?????? （ 32） 在 ? ? 0)(Im ??jZ 時(shí)產(chǎn)生串聯(lián)諧振，設(shè)諧振角頻率為 0? ，則 0100 ?? CL ?? , 即 LC10 ?? （ 33） 第 3章 E 類逆變器的設(shè)計(jì)和計(jì)算 15 由于 00 2 f?? ? ， 故 LCf ?2 10 ? （ 34） 諧振時(shí)電路各參數(shù)如下： 等效阻抗： RZZ ?? 0 （ 35） 諧振電流：RUII ?? 0 （ 36） 電容 C 、電感 L 上的電壓： QUUU LC ?? （ 37） 諧振電流的品質(zhì)因數(shù)：CRRLQ 00 1?? ?? （ 38） 可見(jiàn)，諧振時(shí)外電源電壓全部加在電阻上，此時(shí)電感上的壓降和電容上的壓降大小相等，方向相反，它們的值是電源電壓的 Q 倍，所以，串聯(lián)諧振也稱為電壓諧振。 E類逆變器的諧振頻率 單 E類逆變器諧振頻率 如圖 22 所示，當(dāng)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，諧振回路由 RCL , 22 組成，此時(shí)的諧振頻率 01? 和諧振回路的品質(zhì)因數(shù) 1Q 分別為： 22011CL?? ， RLQ 2021 ?? （ 39） 當(dāng)開(kāi)關(guān)管斷開(kāi)時(shí)，諧振回路由 RCCL , 212 組成，此時(shí)的諧振頻率 02?和諧振回路的品質(zhì)因數(shù) 2Q 分別為： 21212021CCCCL??? ， RLQ 2022 ?? （ 310） 可以看出， E 類逆變器工作時(shí)存在兩個(gè)不同的諧振回路和諧振過(guò)程，兩個(gè)諧振回路的品質(zhì)因數(shù)之間的關(guān)系為： 211020121 CC C ??? ?? （ 311） 在這里引入一個(gè)在開(kāi)關(guān)頻率下的負(fù)載的品質(zhì)因數(shù) LQ ： RLQL 2?? （ 312） 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 為了保證電路安全工作， E 類逆變器的開(kāi)關(guān)頻率總是要滿足0201 ??? ?? ，對(duì)應(yīng)的有 21 Q L ?? 。從上面可以看出，當(dāng)負(fù)載 R 確定后，LQ , 21 也就確定了。我們將 1Q 稱為最小品質(zhì)因數(shù)。 E類逆變器諧振頻率 如圖 24 所示，當(dāng)開(kāi)關(guān)管 1S 導(dǎo)通（ 2S 斷開(kāi)）時(shí)，諧振回路由 RCCL rr , 2組成，此時(shí)的諧振頻率 01? 和諧振回路的品質(zhì)因數(shù) 1Q 分別為： 22011CCCCLrrr ??? ， RLQ r011 ?? （ 313） 當(dāng)開(kāi)關(guān)管 1S 斷開(kāi)（ 2S 導(dǎo)通時(shí)），諧振回路由 RCCL rr , 1 組成，此時(shí)的諧振頻率 02? 和諧振回路的品質(zhì)因數(shù) 2Q 分別為： 11021CCCCLrrr ??? ， RLQ r022 ?? （ 314） 對(duì)于雙 E 類逆變器，一般來(lái)說(shuō) CCC ?? 21 ，所以 0201 ?? ? ， 21 ? ，所以，雖然雙 E 類逆變器工作在兩個(gè)不同的諧振回路，但是由于外加電容參數(shù)相同，所以諧振頻率也相同，即 02021 ??? ?? 。 E類逆變器的設(shè)計(jì)和參數(shù)計(jì)算 品質(zhì)因數(shù) 品質(zhì)因數(shù) (以下簡(jiǎn)稱 Q值 )的大小直接影響槽路的工作波形。 Q值越高，輸出基波中諧波分量越少，槽路的選頻特性越好，輸出負(fù)載波形越接近于正弦波。但是， Q 值太高，也會(huì)帶來(lái)兩點(diǎn)不利。首先，對(duì)于給定的負(fù)載，隨著 R 值的增加， L(高頻扼流濾波電感 )值越大。隨著 L 值的增大，在 L上的功率擴(kuò)散也將增加，整個(gè)逆變器的效率也將降低。另外， Q 值大，可使開(kāi)關(guān)管在開(kāi)通前 Vds 降為零。但是，如果 Q 值太大的話，在開(kāi)關(guān)管開(kāi) 通前 Vds 將為負(fù)值，也就是在 MOSFET 開(kāi)通前先導(dǎo)通開(kāi)關(guān)管反并的二極管，雖然這種開(kāi)通過(guò)程電流的轉(zhuǎn)換是從二極管到開(kāi)關(guān)管，并不會(huì)帶來(lái)什么損第 3章 E 類逆變器的設(shè)計(jì)和計(jì)算 17 害。但是，如果在這