一種新型感應(yīng)加熱電源雙機并聯(lián)拓撲的研究

現(xiàn)代感應(yīng)加熱電源正朝著大功率,高頻化方向發(fā)展。這對現(xiàn)代電力電子器件來說是一個相當大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的方法是采用器件串并聯(lián)的方式,但這存在器件之間均流均壓閑難的問題,特別是當器件串并聯(lián)很多時,則需要保證精確的同步信號,以避免器件之間的環(huán)流損壞電力電子器件。但在很多情況下這很難精確保證。特別是當串并聯(lián)器件較多功率等級很大,信號線上延時將對器件之間的環(huán)流產(chǎn)生惡劣的影響,所以采用器件申并聯(lián)的方式時,器件數(shù)量、最大功率都將受到限制?；诖?一種新型的LLC拓撲被提出,它的優(yōu)良特性可有效地減少逆變橋并聯(lián)之間的環(huán)流,通過參數(shù)設(shè)計可以均衡各橋的功率分配,降低器件的損耗,從而有效地解決了逆變橋并聯(lián)中出現(xiàn)的一些問題,有利于感應(yīng)加熱電源多橋并聯(lián),提高輸出功率和可靠性。

l 單機LLC分析
電壓型LLC負載拓撲如圖1所示。由圖1可知,不同之處是在以往LC并聯(lián)負載基礎(chǔ)上再串聯(lián)一個電感L1,L2和R為感應(yīng)圈的等效電路,通常L1比L2大很多,L1參與諧振并起到隔離負載和電源,調(diào)節(jié)功率分配的作用?？梢娝c傳統(tǒng)感應(yīng)加熱電源中的負載匹配變壓器作用很相似,因而可以消除造價昂貴,效率不高的高頻變壓器,使得整個裝置的體積縮小、重量減輕。LLC諧振電路阻抗表達式為

由基本的電路分析可得它有兩個諧振頻率, 一個是并聯(lián)諧振頻率f0和一個串聯(lián)諧振頻率f1

式中：Leq=L1//L2。
定義k=L1/L2,一般來說k值較大以滿足負載匹配的要求,因此f0與f1很接近。為了獲得較大功率以及控制系統(tǒng)設(shè)計方便,系統(tǒng)的理想工作點在f1。Q=L2ωo/R≈L2ω1/R為了負載的品質(zhì)因數(shù){Q》]),將k》1,Q代入式(1),則在諧振點有

由式(3)可知在ω1、點電源工仵在感性狀態(tài)以保證開關(guān)管可靠換流,且電容上電壓滯后逆變器輸出電壓90°?？梢宰C明在ω1點為輸出功率最大值。

由式(4)可看出電感L1起到阻抗變換,功率調(diào)節(jié)作用。系統(tǒng)功率曲線以及阻抗特性曲線如圖2所示。

從圖2中可以看出φ(ω)在整個頻域內(nèi)是非單調(diào)函數(shù),這種特性不利于用鎖相環(huán)控制．相反θ(ω)=arg(vc/v1)卻呈單調(diào)變化特性,且在ω1點有θ(ω1)≈—90°,所以．θ(ω)可作為控制變量引入到PLL中,從而鎖定在A振點。電容上電壓最大值出現(xiàn)在諧振點ω1。 vc ≈v1Q/k (5)

2 感應(yīng)加熱并聯(lián)模塊環(huán)流分析
LLC諧振負載最大的優(yōu)點是有利于感應(yīng)加熱中的多機并聯(lián),它小需要在逆變器之間附加任何元件,即使各橋的信弓延時角度很大也能保證系統(tǒng)止常工作,抑制各橋之間的環(huán)流,調(diào)節(jié)各逆變器的輸出功率,多機并聯(lián)圖如圖3所示。

假設(shè)各逆變器INV1至INVn工作在理想狀態(tài),即INV1至INVn對應(yīng)相同的驅(qū)動信號,有相同的直流電壓vdc,則多機并聯(lián)可以等效為單機的情況,轉(zhuǎn)換等式如式(6)。

實際控制中各個模塊的驅(qū)動信號統(tǒng)一由控制板產(chǎn)生,但在傳輸信號的過程中,由于傳輸路線上的邏輯器件延遲,驅(qū)動變壓器的延遲以及工藝方面的原因可能造成模塊之間驅(qū)動信號的差異。這種延遲造成逆變器輸出電壓存在相位差,因此,研究它所產(chǎn)生的環(huán)流有實際意義,首先做出雙機并聯(lián)的等效電路如圖4所示。

根據(jù)式(6)選取L11=L12=2L1,由于感應(yīng)加熱負載的高Q值,假定感應(yīng)圈中的電量均用正弦量,則有

式中：zp為電容與感應(yīng)圈并聯(lián)等效阻抗。