詳解串聯諧振單相全橋逆變器常用的控制方法

討論了幾種常用的串聯諧振單相全橋逆變器的功率和頻率控制方法，比較了各種方法的優缺點，同時對脈寬加頻率調制的方法進行了較深入的討論。

引言

隨著可自關斷電力電子器件的發展，串聯諧振逆變電路獲得越來越多的應用，各種適合于串聯諧振逆變電路的控制方法不斷出現。本文對常用的調幅控制、脈沖頻率調制、脈沖密度調制以及諧振脈沖寬度調制等控制方法進行了討論和比較。特別對脈寬加頻率調制的控制方法進行了較詳細的分析。

串聯諧振逆變器基本結構

串聯諧振逆變器的基本原理圖包括直流電壓源，和由開關S1～S4組成的逆變橋及由R、L、C組成的串聯諧振負載。其中開關S1～S4可選用IGBT、SIT、MOSFET、SITH等具有自關斷能力的電力半導體器件。逆變器為單相全橋電路，其控制方法是同一橋臂的兩個開關管的驅動信號是互補的，斜對角的兩個開關是同時開通與關斷的。

串聯諧振逆變器的控制方法

1、調幅控制（PAM）方法

調幅控制方法是通過調節直流電壓源輸出（逆變器輸入）電壓Ud（可以用移相調壓電路，也可以用斬波調壓電路加電感和電容組成的濾波電路，來實現調節輸出功率的目的。即逆變器的輸出功率通過輸入電壓調節，由鎖相環（PLL）完成電流和電壓之間的相位控制，以保證較大的功率因數輸出。

這種方法的優點是控制簡單易行，缺點是電路結構復雜，體積較大。

2、脈沖頻率調制（PFM）方法

脈沖頻率調制方法是通過改變逆變器的工作頻率，從而改變負載輸出阻抗以達到調節輸出功率的目的。

圖2PDM控制原理圖

圖3諧振脈沖寬度調制

圖3、圖4及圖5中為避免橋臂直通，S1、S4及S2、S3管應遵循先關斷后開通的原則，S1、S4及S2、S3門極觸發脈沖應有死區時間。因本文重點討論控制方法，故圖中沒有畫出。

從串聯諧振負載的阻抗特性可知，串聯諧振負載的阻抗隨著逆變器的工作頻率（f）的變化而變化。對于一個恒定的輸出電壓，當工作頻率與負載諧振頻率偏差越大時，輸出阻抗就越高，因此輸出功率就越小，反之亦然。脈沖頻率調制方法的主要缺點是工作頻率在功率調節過程中不斷變化，導致集膚深度也隨之而改變，在某些應用場合如表面淬火等，集膚深度的變化對熱處理效果會產生較大的影響，這在要求嚴格的應用場合中是不允許的。但是由于脈沖頻率調制方法實現起來非常簡單，故在以下情況中可以考慮使用它：

1）如果負載對工作頻率范圍沒有嚴格限制，這時頻率必須跟蹤，但相位差可以存在而不處于諧振工作狀態。

2）如果負載的Q值較高，或者功率調節范圍不是很大，則較小的頻率偏差就可以達到調功的要求。

3、脈沖密度調制（PDM）方法

脈沖密度調制方法就是通過控制脈沖密度，實際上就是控制向負載饋送能量的時間來控制輸出功率。其控制原理如圖2所示。

這種控制方法的基本思路是：假設總共有N個調功單位，在其中M個調功單位里逆變器向負載輸出功率；而剩下的N-M個單位內逆變器停止工作，負載能量以自然振蕩形式逐漸衰減。輸出的脈沖密度為M/N，這樣輸出功率就跟脈沖密度聯系起來了。因此通過改變脈沖密度就可改變輸出功率。

脈沖密度調制方法的主要優點是：輸出頻率基本不變，開關損耗相對較小，易于實現數字化控制，比較適合于開環工作場合。

脈沖密度調制方法的主要缺點是：逆變器輸出功率的頻率不完全等于負載的自然諧振頻率，在需要功率閉環的場合中，工作穩定性較差。由于每次從自然衰減振蕩狀態恢復到輸出功率狀態時要重新鎖定工作頻率，這時系統可能會失控。因此在功率閉環或者溫度閉環的場合，工作的穩定性不好。其另一個缺點就是功率調節特性不理想，呈有級調功方式。

4、諧振脈沖寬度調制（PWM）方法

在圖3中，諧振脈沖寬度調制是通過改變兩對開關管的驅動信號之間的相位差來改變輸出電壓值以達到調節功率的目的。即在控制電路中使原來同相的兩個橋臂開關（S1，S2）、（S3，S4）的驅動信號之間錯開一個相位角，使得輸出的正負交替電壓之間插入一個零電壓值，這樣只要改變相位角就可以改變輸出電壓的有效值，最終達到調節輸出功率的目的。

這種控制方法的優點是電源始終工作在諧振狀態，功率因數高。但存在反并聯二極管的反向恢復問題、小負載問題、軟開關實現問題。