100KHZ高频逆变电源的设计与仿真

     摘 要:本文在分析100KHZ 高频逆变电源电路拓扑的基础上,对100KHZ 的高频逆变电源进行了参数设计,并在SIMULINK 环境下对100KHZ 高频逆变电源系统及数字锁相进行了仿真,给出了逆变器输出电压与输出电流的仿真波形,验证了ZCS 软开关工作模式。

　　1 引言

　　随着电力电子技术及软开关技术的发展, 高频逆变技术已被广泛地用于感应加热电源、开关电源、弧焊逆变电源等诸多领域。但由于当电源频率较高时,会有较大的开关损耗, 同时在开关过程中还会激起电路分布电感和寄生电容的振荡, 带来附加损耗并产生电磁干扰。

　　鉴于以上原因, 本文首先提出了100KHZ 高频逆变电源的电路拓扑, 即采用全桥串联谐振逆变器, 并采用数字锁相控制逆变器的工作频率始终与负载的谐振频率保持同步,确保功率器件的零电流开关(ZCS)模式,接着对100KHZ 高频逆变电源的进行了参数设计, 在SIMULINK 环境下对100KHZ 高频逆变电源系统及数字锁相进行了仿真, 给出了逆变器输出电压与输出电流的仿真波形, 验证了ZCS 软开关工作模式。

图1 100KHZ 高频逆变电源的电路拓扑

　　为了改善电源质量, 通常采用负载谐振式逆变电源。负载谐振式逆变电源根据负载谐振方式可以分为串联谐振式和并联谐振式,研究表明,中小功率时,串联谐振式以其独特的优点成为主要形式。本课题研究的逆变电源的额定输出功率: P N =5kW; 逆变工作频率: f=100kHz。所以本课题逆变电源的工作方式选择串联谐振式。其电路拓扑如图1 所示,图中DC/AC 部分采用由MOSFET(VT1～VT4)及反并续流器件(VD1 ～VD4)构成的H 型全桥逆变器, 高频匹配变压器T 、串联谐振电容CS 和电感LS 组成输出回路。而调功方式选择直流斩波调功,频率跟踪电路采用基于TMS320F2812 的数字锁相环的实现方法,以实现对100KHZ 高频逆变电源的频率跟踪。

　　3 100KHZ 高频逆变电源主电路的参数设计及仿真

　　图1 中逆变器由MOSFET(VT1-VT4)及反并续流器件( V D 1- V D 4) 构成H 型全桥逆变器, 负载等效电阻R 、串联谐振电容C 和电感L 0 组成输出回路。

　　(1) 逆变电源的主要设计参数:

　　额定输出功率: PN =5kW;

　　逆变工作频率:f =100kHz;

　　输入电源:三相,380V/50Hz;

　　负载等效电感:L= 80 uH;

　　负载等效电阻:R= 32 Ω;

　　(2) 谐振电容C 的选择:

　　谐振电容电容C 的值满足：

　　由于f =100kHz,L=80uH,所以C=0.0317uF。取C=0.022+0.022/2=0.033 uF。

　　谐振回路的品质因数：

　　则串联谐振电容的耐压值可取谐振电容的耐压为2200V。

　　(3) 整流桥的选择:

　　选择40A/1200V 的二极管整流桥,通过查阅器件手册,选择了APT2X60D120J,该器件为快速恢复软开关整流二极管,其响应时间达到ns 级。

　　(4) MOSFET 的选择:

　　选择2 0 A / 1 2 0 0 V , 通过查阅器件手册, 选择了APT12060B2VFR。该器件为高电压、大功率、低损耗N 型MOSFET 管,其VDSS=1200V,ID=20A,响应时间达到ns 级。

　　基于前面对1 0 0 K H Z 高频逆变电源主电路的分析与计算, 在S I M U L I N K 中构建了主电路仿真模型。如图2 示。

图2 100KHZ 高频逆变电源主电路的仿真模型

　　根据图2 的仿真模型和上述参数的选择, 得到100HKZ 高频逆变电源主电路的仿真波形如图3 所示,图中, 方波为逆变器输出电压的仿真波形, 正弦波为逆变器输出电流的仿真波形。

图3 100KHZ 高频逆变电源主电路的仿真波形。

　　仿真结果表明由于电流谐振的作用, 使得串联谐振逆变电源开关管在导通和关断的瞬间电流几乎为零, 实现了零电流开通及关断, 这样就减少了开关损耗。这是软开关技术的典型应用。同时也证明了本文对100KHZ高频逆变电源主电路所建模型的正确性。

　　4 100KHZ 高频逆变电源数字锁相的参数设计及仿真

　　通过对锁相环的特性分析,在SIMULINK 中构造了锁相环的仿真模型，如图4所示。其中鉴相器由过零比较器和异或门(XOR)组成, 环路滤波器选用采用一阶有源比例积分滤波器。

图4 锁相环SIMULINK 仿真模型。

　　锁相环设计过程中, 具体的参数主要包括V K 、1 R 、2 R 、C 等。在该电路中选用的一阶有源比例积分滤波器的数学模型表达式如(1)式所示：

　　其中t1 = R1C 、 t2= R2C 。在对参数的选择上,本文依据如下规则进行选择:

　　(1) 压控振荡器压控灵敏度KV

　　KV 一般选取在2π×10⁴rad / s /V - 2π×10⁶rad / s /V之间。

　　(2) 环路自然振荡频率Wn

　　其中 I m为鉴相器输出电流。

　　而环路稳定的极限条件:

　　其中wr  为输入信号的参考频率。

　　(3) 环路阻尼比ζ：

　　而要保证环路的瞬态响应快及稳定裕量足够的大,一般在ζ的选择上,我们选取ζ =0.5～1。

　　（4）R1=Vm/Im

　　其中Vm 为鉴相器输出电压。

　　在此,选择锁相环的输入频率为100KHz,即:

　　选取根据式（3）选取。

　　则由(2)、(4)、(5)式可得:

　　根据图4 的仿真模型和上述参数的选择, 得到100KHZ 高频逆变电源数字锁相环的仿真波形如图5 所示, 通过对锁相环的仿真, 可以清楚地反映频率跟踪的过程。图中正弦波为压控振荡器输出电压的仿真波形,方波为输入电压的波形。仿真结果表面该锁相环能实现频率的自动跟踪。

图5 锁相环仿真波形

　　5 结束语

　　仿真结果证明了本文对100KHZ 高频逆变电源设计的合理性, 同时表明由于电流谐振的作用, 使得该高频逆变电源开关管在导通和关断的瞬间电流几乎为零, 实现了零电流开通及关断, 减少了开关损耗。