一种新型感应加热电源双机并联拓扑的研究

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摘要:现代感应加热电源正朝着大功率,高频化方向发展。这对现代电力电子器件来说是一个相当大的挑战。传统的方法是采用器件串并联的方式,但这存在器件之间均流均压闲难的问题,特别是当器件串并联很多时,则需要保证精确的同步信号,以避免器件之间的环流损坏电力电子器件。但在很多情况下这很难精确保证。特别是当串并联器件较多功率等级很大吋,信号线上延时将对器件之间的环流产生恶劣的影响,所以采用器件申并联的方式时,器件数量、最大功率都将受到限制。基于此,一种新型的LLC拓扑被提出,它的优良特性可有效地减少逆变桥并联之间的环流,通过参数设计可以均衡各桥的功率分配,降低器件的损耗,从而有效地解决了逆变桥并联中出现的一些问题,有利于感应加热电源多桥并联,提高输出功率和可靠性。


l 单机LLC分析
    电压型LLC负载拓扑如图1所示。由图1可知,不同之处是在以往LC并联负载基础上再串联一个电感L1,L2和R为感应圈的等效电路,通常L1比L2大很多,L1参与谐振并起到隔离负载和电源,调节功率分配的作用。可见它与传统感应加热电源中的负载匹配变压器作用很相似,因而可以消除造价昂贵,效率不高的高频变压器,使得整个装置的体积缩小、重量减轻。LLC谐振电路阻抗表达式为
   
由基本的电路分析可得它有两个谐振频率, 一个是并联谐振频率f0和一个串联谐振频率f1

   

式中:Leq=L1//L2。
    定义k=L1/L2,一般来说k值较大以满足负载匹配的要求,因此f0与f1很接近。为了获得较大功率以及控制系统设计方便,系统的理想工作点在f1。Q=L2ωo/R≈L2ω1/R为了负载的品质因数{Q》]),将k》1,Q代入式(1),则在谐振点有

   

由式(3)可知在ω1、点电源工仵在感性状态以保证开关管可靠换流,且电容上电压滞后逆变器输出电压90°。可以证明在ω1点为输出功率最大值。

   

由式(4)可看出电感L1起到阻抗变换,功率调节作用。系统功率曲线以及阻抗特性曲线如图2所示。

    从图2中可以看出φ(ω)在整个频域内是非单调函数,这种特性不利于用锁相环控制.相反θ(ω)=arg(vc/v1)却呈单调变化特性,且在ω1点有θ(ω1)≈—90°,所以.θ(ω)可作为控制变量引入到PLL中,从而锁定在階振点。电容上电压最大值出现在谐振点ω1。 vc ≈v1Q/k (5)


2 感应加热并联模块环流分析
    LLC谐振负载最大的优点是有利于感应加热中的多机并联,它小需要在逆变器之间附加任何元件,即使各桥的信弓延时角度很大也能保证系统止常工作,抑制各桥之间的环流,调节各逆变器的输出功率,多机并联图如图3所示。

    假设各逆变器INV1至INVn工作在理想状态,即INV1至INVn对应相同的驱动信号,有相同的直流电压vdc,则多机并联可以等效为单机的情况,转换等式如式(6)。

   
实际控制中各个模块的驱动信号统一由控制板产生,但在传输信号的过程中,由于传输路线上的逻辑器件延迟,驱动变压器的延迟以及工艺方面的原因可能造成模块之间驱动信号的差异。这种延迟造成逆变器输出电压存在相位差,因此,研究它所产生的环流有实际意义,首先做出双机并联的等效电路如图4所示。

    根据式(6)选取L11=L12=2L1,由于感应加热负载的高Q值,假定感应圈中的电量均用正弦量,则有

   

式中:zp为电容与感应圈并联等效阻抗。