CN103956931A - 一种用于全桥逆变电路的非对称频率调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电子电路技术，具体的说是涉及一种用于全桥逆变电路的非对称频率调制方法。本发明的电路采用逆导型IGBT开关管S1、S2、S3、S4构成全桥逆变电路，其中S1和S2相连构成左桥臂，S3和S4相连构成右桥臂，左桥臂依次通过电感L、电阻R和电容C与右桥臂连接；采用非对称频率调制方法的该全桥逆变电路用于输出25％以下功率。本发明的有益效果为，本发明的调制方法的右桥臂的开关频率是左桥臂的一半，主要用于调频调功输出25％以下的功率时采用，和传统的调频调功相结合可以提高设备的输出功率范围，且在输出25％以下的功率时的效率比传统的调频调功的效率高。本发明尤其适用于全桥逆变电路输出25％以下功率。

Description

一种用于全桥逆变电路的非对称频率调制方法

技术领域

本发明属于电子电路技术，具体的说是涉及一种用于全桥逆变电路的非对称频率调制方法。

背景技术

在感应加热电源的应用中，传统的电压型全桥逆变调功的做法是对称调频调功，当逆变的开关频率从设备固有谐振频率增加时，设备的输出功率会减小。调频调功具有简单易操作的优点，但是其缺点也很明显，当加在固定负载上的功率越低时，开关频率就需要越高，功率因数和效率也就越低。现有的解决方法如移相调功和脉冲密度调功等控制方法的操作相当复杂，移相调功在输出较低功率时滞后臂的效率较差，脉冲密度调功具有噪音大，加热不均匀的问题。斩波调功可以解决各负载下的功率输出问题，但是斩波调功需要增加很多额外的设备，使控制变得更为复杂，增加了成本的同时，也降低了系统的效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于全桥逆变电路的控制方法，这种方法改变了传统的全桥逆变左右桥臂对称控制的方式。目的是解决传统的对称控制方式在较低的输出功率时对开关频率要求较高的问题，使得系统工作于较低的输出功率的情况下，也能保持较高的效率。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种用于全桥逆变电路的非对称频率调制方法。用传统的对称控制方式控制全桥电路工作在谐振态时，电路输出最大功率。随着对称控制方式的开关频率不断增加，当输出功率低于25％的谐振态功率时，效率下降了很多，此时控制方式转为非对称频率调制方法来控制全桥逆变，可达到较高的效率，全桥电路具体组成如下：

采用逆导型IGBT开关管S1、S2、S3、S4构成全桥逆变电路，全桥逆变电路接电源电压V_d，其中S1和S2相连构成左桥臂，S3和S4相连构成右桥臂，左桥臂依次通过电感L、电阻R和电容C与右桥臂连接；具体为：S1和S3的集电极接电源电压V_d的正极；S1的发射极接S2的集电极；S1的发射极依次通过电感L、电阻R和电容C接S3的发射极；S3的发射极接S4的集电极；S2的发射极和S4的发射极接电源电压V_d的负极，其中每只逆导型IGBT由IGBT开关管S和集成在内部的反并联二极管D组成，开关管S1、S2、S3、S4的驱动信号分别为V_g1、V_g2、V_g3、V_g4。采用非对称频率调制方法的该全桥逆变电路用于输出低于25％的最大功率，所述非对称频率调制方法为：

假设该全桥逆变电路一个工作周期内工作模式切换点分别为时刻T0、T1、T2和T3，则每个工作周期内包括：

a.T0时刻，S2和S3关断，S1和S4打开；电路的工作状态如附图3所示，电源电压V_d施加在LRC串联电路上，RLC电路工作在有源衰减谐振状态。

b.T1时刻，S1关断，S2打开；电路的工作状态如附图4所示，电源电压V_d未施加在LRC串联电路上，LRC串联电路上工作在无源衰减谐振状态。

c.T2时刻，S2和S4关断，S1和S3打开；电路的工作状态如附图5所示，电源电压V_d未施加在LRC串联电路上，LRC串联电路上工作在无源衰减谐振状态,同b。

d.T3时刻，S1关断，S2打开，电路的工作状态如附图6所示，电源电压V_d反向施加在LRC串联电路上，LRC串联电路工作在有源衰减谐振状态。

本发明的有益效果为，右桥臂的开关频率是左桥臂的一半，可显著减小右桥臂的开关损耗，左桥臂的开关频率从固有频率逐渐增加时，设备的输出功率从最大功率的25％减小。在相同的输出功率下，非对称控制的效率比对称控制的效率高出很多。

附图说明

图1为全桥逆变电路的电路结构图；

图2为本发明的非对称频率调制法全桥谐振电路的开关序列图；

图3为时刻T0-T1时间段内电路的工作状态；

图4为时刻T1-T2时间段内电路的工作状态；

图5为时刻T2-T3时间段内电路的工作状态；

图6为时刻T3-T4时间段内电路的工作状态；

图7为非对称频率调制法调功和传统的调频调功的效率对比示意图；

具体实施方式

下面结合附图，详细描述本发明的技术方案

如图1所示，本发明采用逆导型IGBT开关管S1、S2、S3、S4构成全桥逆变电路，全桥逆变电路接电源电压V_d，其中S1和S2相连构成左桥臂，S3和S4相连构成右桥臂，左桥臂依次通过电感L、电阻R和电容C与右桥臂连接；具体为：S1和S3的漏极接电源电压V_d的正极；S1的源极接S2的漏极；S1的源极依次通过电感L、电阻R和电容C接S3的源极；S3的源极接S4的漏极；S2的源极和S4的源极接电源电压V_d的负极。如图2所示的开关序列图，主要控制流程为：

a.T0时刻，S2和S3关断，S1和S4打开；电路的工作状态如附图3所示，电源电压V_d施加在LRC串联电路上，电源电压V_d从正极依次通过S1、电感L、电阻R、电容C、S4到电源电压负极，RLC电路工作在有源衰减谐振状态。其微分方程可表示为： $\mathrm{RC}\frac{{\mathrm{du}}_C\left(t\right)}{\mathrm{dt}}+u_C\left(t\right)=V_d,$ 初始条件为：u_C(t₀)＝U₁， $C\frac{{\mathrm{du}}_C\left(t_0\right)}{\mathrm{dt}}=0.$ 其中代表谐振电感L两端的电压，代表电阻R两端的电压，u_C(t)代表谐振电容C两端电压。U₁是T0时刻谐振电容两端的电压。

b.T1时刻，S1关断，S2打开；电路的工作状态如附图4所示，电源电压V_d未施加在LRC串联电路上，LRC串联电路上工作在无源衰减谐振状态。其微分方程可表示为： 初始条件为：u_C(t₁)＝U₂，U₂是T1时刻谐振电容两端的电压。

c.T2时刻，S2和S4关断，S1和S3打开；电路的工作状态如附图5所示，电源电压V_d未施加在LRC串联电路上，LRC串联电路上工作在无源衰减谐振状态,其微分方式与步骤b相同。

d.T3时刻，S1关断，S2打开，电路的工作状态如附图6所示，电源电压V_d反向施加在LRC串联电路上，电源电压V_d从正极依次通过S3、电容C、电阻R、电感L、S2到电源电压负极，LRC串联电路上工作在有源衰减谐振状态。其微分方程可表示为： 初始条件为：u_C(t₃)＝U₃，U₃是T3时刻谐振电容两端的电压。

可得左桥臂的IGBT按照开关频率f_s进行开关操作，右桥臂的IGBT按照开关频率f_s/2进行开关操作，且V_g4的上升沿与V_g1同时到来。在功率调节的环节上只需增加或减少开关管的开关频率即可减小或增大输出功率。

综合上述四个模式，电路中RLC在一个周期中处于有源衰减谐振和无源衰减谐振交替变化的过程。当电路左桥臂的开关频率等于RLC的固有谐振频率时，非对称频率调制法的输出功率(P_r)达到最大，表示为如下数学表达式：

$P_r=\frac{{\mathrm{CV}}_d^2{\mathrm{\ω}}_d(2\coth \frac{\mathrm{\π\α}}{{2\mathrm{\ω}}_d}+\tanh \frac{\mathrm{\π\α}}{{\mathrm{\ω}}_d})}{4\mathrm{\π}}$

其中称为衰减系数，称为谐振角频率，称为衰减谐振角频率，C是谐振电容值，V_d是电源电压。

传统的对称全桥的最大输出功率为现有的设备的品质因数Q都大于2，因此P_r≈0.25P_max。即非对称频率调制法的最大输出功率为对称调制法的25％。

图7为非对称频率调制法调功和传统的调频调功的效率对比示意图，其中带实心圆点的线条为传统的调频调功的输出功率与效率的关系图，带有实心菱形的线条为本发明的非对称频率调制法调功的输出功率与效率的关系图。由图可得在输出功率低于25％时，本发明的非对称频率调制法明显具有更高的效率。

Claims (1)

1.一种用于全桥逆变电路的非对称频率调制方法，其具体方法如下：

采用逆导型IGBT开关管S1、S2、S3、S4构成全桥逆变电路，全桥逆变电路接电源电压V_d；其中S1和S2相连构成左桥臂，S3和S4相连构成右桥臂，左桥臂依次通过电感L、电阻R和电容C与右桥臂连接；具体为：S1和S3的漏极接电源电压V_d的正极；S1的源极接S2的漏极；S1的源极依次通过电感L、电阻R和电容C接S3的源极；S3的源极接S4的漏极；S2的源极和S4的源极接电源电压V_d的负极；非对称频率调制方法用于该全桥逆变电路输出25％以下功率时，所述非对称频率调制方法为：

假设该全桥逆变电路一个工作周期内工作模式切换点分别为时刻T0、T1、T2和T3，则每个工作周期内包括：

a.T0时刻，S2和S3关断，S1和S4打开，由电感L、电阻R和电容C组成的LRC电路与电源电压V_d接通，LRC电路工作在有源衰减谐振状态；

b.T1时刻，S1关断，S2打开，LRC电路与电源电压V_d断开，LRC电路工作在无源衰减谐振状态；

c.T2时刻，S2和S4关断，S1和S3打开，LRC电路与电源电压V_d断开，LRC电路工作在无源衰减谐振状态；

d.T3时刻，S1关断，S2打开，电源电压V_d反向施加在LRC串联电路上，LRC串联电路工作在有源衰减谐振状态。