【摘 要】本文以固態(tài)高頻感應(yīng)加熱電源中的諧振型逆變器為主要研究對(duì)象，分析了經(jīng)典H橋型串聯(lián)諧振逆變電路和并聯(lián)逆變電路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作狀態(tài)。

【關(guān)鍵詞】功率MOSFET；串聯(lián)諧振；并聯(lián)諧振

所謂“逆變”是相對(duì)整流而言的，把直流電能轉(zhuǎn)變?yōu)樗桀l率的交流電能，就是逆變。逆變器的電路型式繁多，分類方法不一。如按照輸出相數(shù)，可分為單相、三相和多相；按電路結(jié)構(gòu)，可分為全橋、半橋和非橋式等。

下面將具體介紹串聯(lián)諧振式電壓型逆變器和并聯(lián)諧振式電流型逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、工作原理、諧振槽路等特征。

１．串聯(lián)諧振式電壓型逆變器結(jié)構(gòu)

1.1串聯(lián)諧振式電壓型逆變器的拓?fù)?/p>

串聯(lián)諧振式電壓型逆變器的基本電路如圖1－1所示，以負(fù)載線圈（L和R）和功率因數(shù)補(bǔ)償電容器C串聯(lián)后作為逆變橋的負(fù)載，這種利用負(fù)載電路串聯(lián)諧振的原理工作的逆變器，稱為串聯(lián)諧振式電壓型逆變器。此種逆變器負(fù)載電流波形為近似正弦波。

1.2串聯(lián)諧振式電壓型逆變器的工作原理

串聯(lián)諧振逆變器的負(fù)載為串聯(lián)諧振負(fù)載，通常需電壓源供電。交替開通和關(guān)斷逆變器上的全控器件就可以在逆變器的輸出端獲得交變的方波電壓，其電壓幅值取決于逆變器的輸入端電壓值，頻率取決于器件的開關(guān)頻率。

逆變橋包括由4個(gè)功率MOSFET和與其反并聯(lián)的快速二極管組成的四個(gè)橋臂，其工作時(shí)，輪流觸發(fā)V1，3和V2，4，使負(fù)載得到高頻電流。

1.3串聯(lián)諧振式電壓型逆變器的諧振槽路分析

串聯(lián)逆變器的負(fù)載電路即為串聯(lián)諧振電路，它由電容器C、電感L和電阻R串聯(lián)組成。諧振時(shí)，串聯(lián)電路各參數(shù)關(guān)系如下：

諧振頻率 f=

諧振時(shí)等效阻抗 R=Z=R

串聯(lián)電路電流 I=I=

電感L上電壓 U=jωLI=jωL=jQU

電容器C上電壓 U=×=-jQU

特征阻抗 X=X=X=ωL=L=或 X=QR

負(fù)載有效功率 P=I R=

電容器的無(wú)功功率 Q=IU=Q=QP

電感的無(wú)功功率 Q=IU=QP

1.4串聯(lián)諧振式電壓型逆變器的特征

串聯(lián)諧振式電壓型逆變器具有如下特征：

①容易投入負(fù)載電力。它的這一特性表明，采用低壓開關(guān)器件并聯(lián)，就可構(gòu)成這種系統(tǒng)，因而實(shí)用性強(qiáng)。

②負(fù)載匹配容易。在設(shè)計(jì)時(shí)，只要把匹配變壓器的漏感簡(jiǎn)單地加進(jìn)負(fù)載電感就可達(dá)到目的，設(shè)計(jì)的自由度大。

2.并聯(lián)諧振式電流型逆變器

2.1并聯(lián)諧振式電流型逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

并聯(lián)諧振式電流型逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下圖2－1所示，把功率因數(shù)補(bǔ)償電容器C與負(fù)載線圈（L和R）并聯(lián)，基于并聯(lián)諧振原理?yè)Q流的逆變器，稱為并聯(lián)逆變器。

2.2并聯(lián)諧振式電流型逆變器的工作原理

并聯(lián)諧振式電源采用的逆變器是并聯(lián)諧振逆變器，其負(fù)載為并聯(lián)諧振負(fù)載。通常需電流源供電，其電流幅值取決于逆變器的輸入端電流值，頻率取決于器件的開關(guān)頻率。

逆變器采用功率MOSFET作為功率開關(guān)器件，將輸入側(cè)直流電流或電壓轉(zhuǎn)化為負(fù)載側(cè)高頻的交流電流或電壓。逆變器的工作頻率和輸出功率決定了整個(gè)電源的頻率和功率。工作時(shí)，逆變器負(fù)載處于準(zhǔn)諧振狀態(tài)，功率開關(guān)器件V1， V3和V2， V4輪流開通和關(guān)斷，負(fù)載側(cè)得到近似為矩形波的交流電流，其幅值為直流側(cè)濾波電感輸出電流值Id。負(fù)載兩端的電壓波形接近為正弦波。

2.3并聯(lián)諧振式電流型逆變器的諧振槽路分析

并聯(lián)逆變器的負(fù)載電路就是并聯(lián)諧振電路，諧振時(shí)的主要電氣參數(shù)如下：

諧振頻率 f=

等效阻抗 R=Z==QR

逆變器輸出電流 I=U=×

負(fù)載支路電流 I=I=QI=QI

逆變器輸出功率 P=IU=×

感應(yīng)線圈的無(wú)功功率 Q=IX=IωL=(Q)QR=QP

電容器上的無(wú)功功率 Q=IX=(QI)=(Q)QR=QP

2.4串聯(lián)諧振式逆變器與并聯(lián)諧振式逆變器的比較

串聯(lián)逆變器和并聯(lián)逆變器的差別，源于它們所用的振蕩電路不同，前者是用L、R和C串聯(lián)，后者是L、R和C 并聯(lián)。

(1)串聯(lián)逆變器的負(fù)載電路對(duì)電源呈現(xiàn)低阻抗，要求由電壓源供電。因此，經(jīng)整流和濾波的直流電源末端，必須并接大的濾波電容器。當(dāng)逆變失敗時(shí)，浪涌電流大，保護(hù)困難；并聯(lián)逆變器的負(fù)載電路對(duì)電源呈現(xiàn)高阻抗，要求由電流源供電，需在直流電源末端串接大電抗器。但在逆變失敗時(shí)，由于電流受大電抗限制，沖擊不大，較易保護(hù)。

(2)串聯(lián)逆變器的輸入電壓恒定，輸出電壓為矩形波，輸出電流近似正弦波，換流是在功率MOSFET上電流過零之前進(jìn)行，因而電壓總是超前電流－φ角，工作在小感性準(zhǔn)諧振狀態(tài)；并聯(lián)逆變器的輸入電流恒定，輸出電壓近似正弦波，輸出電流為矩形波，換流是在諧振電容器上電壓過零之前進(jìn)行，負(fù)載電流總是越前于電壓－φ角，工作在小容性準(zhǔn)諧振狀態(tài)。

(3)串聯(lián)逆變器是恒壓源供電，為避免逆變器的上、下橋臂功率MOSFET同時(shí)導(dǎo)通，造成電源短路，換流時(shí)，必須保證先關(guān)斷，后開通。即應(yīng)有一段時(shí)間ta使所有功率MOSFET都處于關(guān)斷狀態(tài)。此時(shí)的雜散電感，即從直流端到器件的引線電感上產(chǎn)生的感生電勢(shì)，可能使器件損壞，因而需要選擇合適的器件的浪涌電壓吸收電路。并聯(lián)逆變器是恒流源供電，為避免濾波電抗上產(chǎn)生大的感生電勢(shì)，電流必須連續(xù)。也就是說(shuō)，必須保證逆變器上、下橋臂功率MOSFET在換流時(shí)，是先開通后關(guān)斷，也即在換流期間內(nèi)所有的功率MOSFET都處于導(dǎo)通狀態(tài)。

(4)串聯(lián)逆變器的工作頻率必須高于負(fù)載電路的固有振蕩頻率，應(yīng)確保有合適的ta時(shí)間，否則會(huì)導(dǎo)致?lián)Q流失敗。并聯(lián)逆變器的工作頻率必須略高于負(fù)載電路的固有振蕩頻率，否則會(huì)導(dǎo)致功率MOSFET間換流時(shí)承受反向電壓過高。

(5)串聯(lián)逆變器的功率調(diào)節(jié)方式有二：改變直流電源電壓Ud或改變功率MOSFET的觸發(fā)頻率。并聯(lián)逆變器的功率調(diào)節(jié)方式，一般只能是改變直流電源電壓Ud。

(6)串聯(lián)逆變器的功率MOSFET所需承受的電壓較低，用380V電網(wǎng)供電時(shí)，采用1200V的功率MOSFET就行，但負(fù)載電路的全部電流，包括有功和無(wú)功分量，都需流過功率MOSFET。逆變功率MOSFET丟失脈沖，只會(huì)使振蕩停止，不會(huì)造成逆變顛覆。并聯(lián)逆變器的功率MOSFET所需承受的電壓較高，其值隨功率因數(shù)角φ增大而迅速增加。但負(fù)載本身構(gòu)成振蕩電流回路，工作較穩(wěn)定。

(7)串聯(lián)逆變器可以自激工作，也可以他激工作。而并聯(lián)逆變器一般只能工作在自激狀態(tài)。

(8)在串聯(lián)逆變器中，功率MOSFET的觸發(fā)脈沖不對(duì)稱，不會(huì)引入直流成分電流而影響正常運(yùn)行；而在并聯(lián)逆變器中，逆變功率MOSFET的觸發(fā)脈沖不對(duì)稱，會(huì)引入直流成分電流而引起故障。

(9)串聯(lián)逆變器起動(dòng)容易，適用于頻繁起動(dòng)工作的場(chǎng)合；而并聯(lián)逆變器需附加起動(dòng)電路，起動(dòng)較為困難。 [科]