軟開關(guān)PFC電路的倍頻感應電源

　　0 引言

　　隨著功率開關(guān)器件的發(fā)展，電力電子裝置日益小型化和高頻化，電氣性能大幅提高，但是隨之產(chǎn)生的高次諧波卻對電網(wǎng)造成嚴重污染。在電力電子設備中，整流器(AC/DC變流器)占有較大的比例，是主要的污染源。由于固態(tài)感應加熱電源對于電網(wǎng)呈現(xiàn)非線性特性，從電網(wǎng)中輸出的電流就不是標準的正弦曲線。高頻諧波電流對電力設施產(chǎn)生過熱或其他危害。

　　Boost電路應用到功率因數(shù)校正方面已經(jīng)較為成熟，對于幾百瓦小功率的功率因數(shù)校正，常規(guī)的電路是可以實現(xiàn)的。但是對于大功率諸如感應加熱電源，還存在很多的實際問題。為了解決開關(guān)器件由于二極管反向恢復時產(chǎn)生的沖擊電流而易損壞的情況，減少開關(guān)器件在高頻下的開關(guān)損耗，本文采用一種無源無損緩沖電路取代傳統(tǒng)的LC濾波電路。在分析了軟開關(guān)電路的工作原理以及逆變模塊的分時-移相功率控制策略后，應用Matlab軟件進行了仿真，并通過實驗結(jié)果驗證了理論分析的正確性。

　　1 電源系統(tǒng)整體拓撲

　　如圖1所示，該主電路拓撲主要由整流、軟開關(guān)Boost功率因數(shù)校正、逆變、負載匹配幾個環(huán)節(jié)組成。

　　單相整流橋輸出的直流電壓接入無源緩沖軟開關(guān)Boost電路，本文采取Boost電路取代傳統(tǒng)的LC濾波電路。這里Boost電路主要有2個作用：一是提高整流輸入側(cè)的功率因數(shù);二是為逆變側(cè)提供一個穩(wěn)定的直流電壓。Boost校正電路輸出直流電壓加到逆變橋上，逆變橋是由8個IGBT模塊組成的單相全橋逆變器，每個IGBT都有一個反并聯(lián)二極管與其并聯(lián)，作為逆變器電壓反向時續(xù)流。逆變器中功率器件由控制電路控制脈沖信號驅(qū)動而周期性的開關(guān);隔離變壓器T的作用是電氣隔離和負載的阻抗匹配。一般T為降壓變壓器，適當改變變壓器的變比即可降低諧振槽路中電感、電容上的電壓值，并可進行不同的負載阻抗匹配。輸出方波電壓經(jīng)過變壓器的隔離降壓后加到由補償電容器和感應線圈及負載組成的諧振回路上。

　　1.1 軟開關(guān)APFC電路工作原理

　　圖2所示為無源軟開關(guān)Boost電路、串聯(lián)電感及無損SNUBBER電路。與普通的Boost電路相比，增加電感L1限制因VD0的反向恢復而產(chǎn)生的VT0開啟沖擊電流，C2→VD7作為VD0的SNUBBER電路，VD5→VD6→VD7的串聯(lián)結(jié)構(gòu)和L1→C1→C2之間的諧振與能量轉(zhuǎn)換也有利于抑制VT0的開啟沖擊電流。

　　主電路在一個周期內(nèi)的工作情況可以分為6個階段：

　　(1)模式1[t0，t1]：在t0時刻，C0通過電阻R放電，VT0在ZCS狀態(tài)下開啟，C1放電，電流流經(jīng)C1→C2→L1回路，由于L1的作用，VT0的開啟電流逐漸平穩(wěn)上升。

　　(2)模式2[t1，t2]：電感L1上的電流逐漸增大，C1放電結(jié)束后，電流經(jīng)過回路L0→L1→VD5→VD6→C2流動。

　　(3)模式3[t2，t3]：C2被緩慢充電，直至L1能量全部轉(zhuǎn)移過來。最后流經(jīng)VT0的電流和L0的大小相等，C2充電結(jié)束。

　　(4)模式4[t3，t4]：t4時刻VT0在ZVS下關(guān)斷，當經(jīng)過C2-VD6-C1的電壓和整流輸出電壓Vin相等時，C2通過VD7放電，L1的電流經(jīng)L0→L1→ VD5→C1給C1充電。

　　(5)模式5[t4，t5]：當C1的電壓和Vin相等后停止充電。L1電流經(jīng)VD5→VD6→VD7流向負載。

　　(6)模式6[t5，t6]：L1電流衰減到0母線電感電流L1通過VD7向C2充電，當C2電壓為0后，流過L0的電流經(jīng)VD0流向負載C0和R0接著回到模式1。

　　1.2 后級倍頻逆變電路

　　倍頻式高頻逆變電源電路如圖1右邊部分所示。在圖中，由VT11～VT41構(gòu)成第一組逆變橋，由VT12～VT42構(gòu)成第二組逆變橋，兩組逆變橋輪流導通1個諧振周期，每個IGBT器件都以額定負載電流工作。這樣，如果IGBT的允許開關(guān)頻率為f0，則電源的輸出頻率為2f0。

　　分時-移相的控制方法是通過調(diào)節(jié)對角橋臂導通的相位差來調(diào)節(jié)功率。如圖3所示，VT11與VT41之間有一個移相角，滿功率的時候，角度為0，分時-移相調(diào)功就是通過調(diào)節(jié)移相角φ的大小實現(xiàn)功率的改變。

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