谐振型逆变器原理分析

谐振型逆变器原理分析

【摘要】本文以固态高频感应加热电源中的谐振型逆变器为主要研究对象，分析了经典H桥型串联谐振逆变电路和并联逆变电路的结构特点及工作状态。

【关键词】功率MOSFET；串联谐振；并联谐振

所谓“逆变”是相对整流而言的，把直流电能转变为所需频率的交流电能，就是逆变。逆变器的电路型式繁多，分类方法不一。如按照输出相数，可分为单相、三相和多相；按电路结构，可分为全桥、半桥和非桥式等。

下面将具体介绍串联谐振式电压型逆变器和并联谐振式电流型逆变器的拓扑结构、工作原理、谐振槽路等特征。

１．串联谐振式电压型逆变器结构

1.1串联谐振式电压型逆变器的拓扑

串联谐振式电压型逆变器的基本电路如图1－1所示，以负载线圈（L和R）和功率因数补偿电容器C串联后作为逆变桥的负载，这种利用负载电路串联谐振的原理工作的逆变器，称为串联谐振式电压型逆变器。此种逆变器负载电流波形为近似正弦波。

1.2串联谐振式电压型逆变器的工作原理

串联谐振逆变器的负载为串联谐振负载，通常需电压源供电。交替开通和关断逆变器上的全控器件就可以在逆变器的输出端获得交变的方波电压，其电压幅值取决于逆变器的输入端电压值，频率取决于器件的开关频率。

逆变桥包括由4个功率MOSFET和与其反并联的快速二极管组成的四个桥臂,其工作时,轮流触发V1,3和V2,4,使负载得到高频电流。

1.3串联谐振式电压型逆变器的谐振槽路分析

串联逆变器的负载电路即为串联谐振电路，它由电容器C、电感L和电阻R 串联组成。谐振时，串联电路各参数关系如下：

谐振频率f=

谐振时等效阻抗R=Z=R

串联电路电流I=I=

电感L上电压U=jωLI=jωL=jQU

电容器C上电压U=×=-jQU

特征阻抗X=X=X=ωL=L=或X=QR

负载有效功率P=I R=

电容器的无功功率Q=IU=Q=QP＜br>电感的无功功率Q=IU=QP＜br>1.4串联谐振式电压型逆变器的特征

串联谐振式电压型逆变器具有如下特征：

①容易投入负载电力。它的这一特性表明，采用低压开关器件并联，就可构成这种系统，因而实用性强。

②负载匹配容易。在设计时，只要把匹配变压器的漏感简单地加进负载电感就可达到目的，设计的自由度大。

2.并联谐振式电流型逆变器

2.1并联谐振式电流型逆变器的拓扑结构

并联谐振式电流型逆变器的拓扑结构如下图2－1所示，把功率因数补偿电

容器C与负载线圈（L和R）并联，基于并联谐振原理换流的逆变器，称为并联逆变器。

2.2并联谐振式电流型逆变器的工作原理

并联谐振式电源采用的逆变器是并联谐振逆变器，其负载为并联谐振负载。通常需电流源供电，其电流幅值取决于逆变器的输入端电流值，频率取决于器件的开关频率。

逆变器采用功率MOSFET作为功率开关器件，将输入侧直流电流或电压转化为负载侧高频的交流电流或电压。逆变器的工作频率和输出功率决定了整个电源的频率和功率。工作时，逆变器负载处于准谐振状态，功率开关器件V1, V3和V2, V4轮流开通和关断，负载侧得到近似为矩形波的交流电流，其幅值为直流侧滤波电感输出电流值Id。负载两端的电压波形接近为正弦波。

2.3并联谐振式电流型逆变器的谐振槽路分析

并联逆变器的负载电路就是并联谐振电路，谐振时的主要电气参数如下：谐振频率f=

等效阻抗R=Z==QR

逆变器输出电流I=U=×

负载支路电流I=I=QI=QI

逆变器输出功率P=IU=×

感应线圈的无功功率Q=IX=IωL=(Q)QR=QP＜br>电容器上的无功功率Q=IX=(QI)=(Q)QR=QP＜br>2.4串联谐振式逆变器与并联谐振式逆变器的比较串联逆变器和并联逆变器的差别，源于它们所用的振荡电路不同，前者是用L、R和C串联，后者是L、R和C 并联。

(1)串联逆变器的负载电路对电源呈现低阻抗，要求由电压源供电。因此，经整流和滤波的直流电源末端，必须并接大的滤波电容器。当逆变失败时，浪涌电流大，保护困难；并联逆变器的负载电路对电源呈现高阻抗，要求由电流源供电，需在直流电源末端串接大电抗器。但在逆变失败时，由于电流受大电抗限制，冲击不大，较易保护。

(2)串联逆变器的输入电压恒定，输出电压为矩形波，输出电流近似正弦波，换流是在功率MOSFET上电流过零之前进行，因而电压总是超前电流－φ角,工作在小感性准谐振状态；并联逆变器的输入电流恒定，输出电压近似正弦波，输出电流为矩形波，换流是在谐振电容器上电压过零之前进行，负载电流总是越前于电压－φ角,工作在小容性准谐振状态。

(3)串联逆变器是恒压源供电，为避免逆变器的上、下桥臂功率MOSFET同时导通，造成电源短路，换流时，必须保证先关断，后开通。即应有一段时间ta 使所有功率MOSFET都处于关断状态。此时的杂散电感，即从直流端到器件的引线电感上产生的感生电势，可能使器件损坏，因而需要选择合适的器件的浪涌电压吸收电路。并联逆变器是恒流源供电，为避免滤波电抗上产生大的感生电势，电流必须连续。也就是说，必须保证逆变器上、下桥臂功率MOSFET在换流时，是先开通后关断，也即在换流期间内所有的功率MOSFET都处于导通状态。

(4)串联逆变器的工作频率必须高于负载电路的固有振荡频率，应确保有合适的ta时间，否则会导致换流失败。并联逆变器的工作频率必须略高于负载电路的固有振荡频率，否则会导致功率MOSFET间换流时承受反向电压过高。

(5)串联逆变器的功率调节方式有二：改变直流电源电压Ud或改变功率MOSFET的触发频率。并联逆变器的功率调节方式，一般只能是改变直流电源

电压Ud。

(6)串联逆变器的功率MOSFET所需承受的电压较低，用380V电网供电时，采用1200V的功率MOSFET就行，但负载电路的全部电流，包括有功和无功分量，都需流过功率MOSFET。逆变功率MOSFET丢失脉冲，只会使振荡停止，不会造成逆变颠覆。并联逆变器的功率MOSFET所需承受的电压较高，其值随功率因数角φ增大而迅速增加。但负载本身构成振荡电流回路，工作较稳定。

(7)串联逆变器可以自激工作，也可以他激工作。而并联逆变器一般只能工作在自激状态。

(8)在串联逆变器中，功率MOSFET的触发脉冲不对称，不会引入直流成分电流而影响正常运行；而在并联逆变器中，逆变功率MOSFET的触发脉冲不对称，会引入直流成分电流而引起故障。

(9)串联逆变器起动容易，适用于频繁起动工作的场合；而并联逆变器需附加起动电路，起动较为困难。[科]