電壓型逆變器高壓串聯(lián)諧振技術(shù)研究

|UL|=|UC|=QUo（3）

升壓變壓器輸出的電壓是諧振后的電壓，達到10～30kV，負載發(fā)生放電現(xiàn)象，用于產(chǎn)生臭氧或處理材料。

3控制電路

用于調(diào)節(jié)輸出功率的方法有可控整流調(diào)壓調(diào)功、斬波調(diào)功、移相調(diào)功或PWM調(diào)功。本文設(shè)計的電源采用三相相控整流技術(shù)，通過相控整流實現(xiàn)輸出功率的調(diào)節(jié)。雖然此種方法在深控下有輸出功率因數(shù)低的缺點，但其控制方法成熟，可靠性高，對于絕大部分工作在滿功率輸出（α=0）情況下，不失為一種較好的選擇。逆變器為半橋式電路，這是由于全橋逆變電路中輸出電壓中含有直流分量，在設(shè)計高頻高壓升壓器時要考慮到直流磁通可能導(dǎo)致磁通飽和的問題，同時會增加磁芯損耗，增大變壓器設(shè)計難度。雖然可以在輸出中串聯(lián)隔直電容避免這個問題，但增加了成本和復(fù)雜性。

逆變控制框圖如圖3所示。負載等效為一個非線性有損電容，在大功率輸出情況下負載工作在諧振點附近，由實驗結(jié)果來看，負載在放電火花增強過程中諧振頻率下降，從未開始放電的30kHz左右下降到15kHz。如果不采用頻率跟蹤，無法滿足大功率輸出。逆變控制電路中使用了CD4046鎖相環(huán)，電流相位由互感器測得，經(jīng)單穩(wěn)電路（抗干擾）后與直接取自控制電路輸出的電壓信號作邊沿鑒相。4046內(nèi)部有兩個鑒相器，第一鑒相器是異或門鑒相器，它只能對兩個占空比為0.5的方波進行鑒相，而且鑒相特性不是單調(diào)的曲線，工作時必須把某一個信號先移相90°后才能正常工作。因此采用了邊沿鑒相，它可以不考慮脈沖的寬度，只關(guān)心脈沖上升沿，如圖4所示，最終使信號1、2的脈沖前沿時間差為零。

鎖相環(huán)一個明顯的缺點是啟動的時候失鎖率比較高，因此，逆變控制采用他－自激轉(zhuǎn)換工作方式。正常運行時為自激工作，電流相位信號取自電流互感器，經(jīng)過零比較和單穩(wěn)電路，送至4046。電壓相位信號直接取自二分頻器的輸出，如圖3所示。經(jīng)鎖相環(huán)和分頻器后，形成兩組與正負半波對應(yīng)的方波。該方波經(jīng)死區(qū)形成和驅(qū)動器產(chǎn)生IGBT的驅(qū)動信號。死區(qū)環(huán)節(jié)的作用在于防止逆變器上、下橋臂同時導(dǎo)通。啟動時，取他激頻率調(diào)節(jié)電位器上的電壓直接作為4046內(nèi)部壓控振蕩的控制信號，進行他激啟動。當(dāng)輸出電流達到一定值后，比較器輸出信號跳變，使電子開關(guān)動作，切斷振蕩器信號；同時將電流信號和電壓信號送4046內(nèi)部鑒相器，使系統(tǒng)進入自激運行狀態(tài)。電壓信號在進入鎖相環(huán)之前，經(jīng)過時滯補償，目的在于補償脈沖傳輸過程中的時間滯后。

電壓型逆變器高壓串聯(lián)諧振技術(shù)研究

4負載匹配

應(yīng)用于高壓的負載如臭氧發(fā)生器等，也等效為一個非線性有損電容。變壓器即傳遞能量，又是諧振電路中的電感部分。高頻高壓變壓器的設(shè)計是整個裝置中的關(guān)鍵部分，變壓器漏感必須與負載匹配，使它們工作在20kHz左右的頻率，因為這直接影響到負載的工作狀態(tài)。針對不同的負載，變壓器的漏感都要重新設(shè)計。而在某些特殊的場合，為使負載匹配，得改變變壓器的繞法，由此來改變它的漏感值。磁芯結(jié)構(gòu)有E型、口字型、專為耐高壓而設(shè)計的錐型及多個磁芯組成星型相連的模式等。原、副邊的繞法也不盡相同，有原、副邊分繞兩邊或同繞一個柱上等。漏感的大小是一個難以精確計算的值，不僅與磁芯的結(jié)構(gòu)，原、副邊的匝數(shù)、繞法有關(guān)，還與層間絕緣厚度、氣隙均勻性及工藝有關(guān)。在繞好后可以用電感測試儀直接測得，對于同一種繞法，其漏感的大小不會發(fā)生很大的變化。在負載頻率要求不是十分精確的情況下，這種設(shè)計方法是可行的。但如果測得的漏感與負載要求的諧振電感量大小差別很大，只能改變其繞法。一個常用的有效辦法就是改變原、副邊的匝數(shù)來改變漏感量。本文設(shè)計的升壓變壓器是E型磁芯結(jié)構(gòu)。由于完全利用變壓器漏感與負載諧振，變壓器輸出電壓就是諧振電壓，將達到10～30kV，在品質(zhì)因素較高的情況下，變壓器的變比可以相對減小。

高壓絕緣是一個特別需要重視的問題。為此變壓器采用油浸式，即使如此，在實驗中還是多次發(fā)生原、副邊擊穿現(xiàn)象，為此我們改進了繞法，加大原、副邊間距，同時使用了耐高壓的絕緣材料將原副邊隔離。如果由于漏感過小，可在原邊或副邊串聯(lián)電感來使負載匹配。此時會產(chǎn)生另外一個問題是輸出電流出現(xiàn)較大的畸變，發(fā)現(xiàn)疊加了3次、5次等低次諧波，其原因是由串聯(lián)電感中的分布電容引起的，整個負載有兩個靠得較近的諧振頻率。同時這種電路會使變壓器增加額外的電壓應(yīng)力。 完全利用漏感諧振的另一個注意點就是變壓器的損耗問題，在大功率輸出的情況下，變壓器的散熱條件得充分考慮。

5實驗結(jié)果

15kVA樣機經(jīng)過測試，功率因數(shù)接近0.9。輸出電壓電流波形如圖5所示，其中電壓為50V/div，電流25A/div。從波形圖可以看出，電壓電流波形接近理想，其中電流峰值附近的毛刺是高壓放電所引起的。IGBT基本為零電流導(dǎo)通，電流稍稍滯后電壓一定角度，負載呈小感性，即系統(tǒng)工作頻率稍稍大于負載的自然振蕩頻率，其目的是使反并二極管零電流自然關(guān)斷，從而減小逆變器反并二極管的反向恢復(fù)特性所造成的影響。 6結(jié)論

功率逆變電路通常采用諧振和調(diào)制兩種方式，對于高頻功率逆變，調(diào)制方式由于受到功率開關(guān)器件的限制和一定調(diào)制比的要求，已不再適用。本文所分析的利用變壓器漏感實現(xiàn)的高壓串聯(lián)諧振電路，輸出波形畸變小，功率因數(shù)高，輸出電路簡單，無須外加補償電感或電容。高壓串聯(lián)諧振技術(shù)應(yīng)用范圍較廣，有待進一步深入研究。