一种负载串联谐振逆变器的逆变控制方法及应用

详解串联谐振单相全桥逆变器常用的控制方法华天电力专业生产串联谐振设备，下面为大家介绍串联谐振单相全桥逆变器常用的控制方法。

引言随着可自关断电力电子器件的发展，串联谐振逆变电路获得越来越多的应用，各种适合于串联谐振逆变电路的控制方法不断出现，本文对常用的调幅控制、脉冲频率调制、脉冲密度调制以及谐振脉冲宽度调制等控制方法进行了讨论和比较，特别对脉宽加频率调制的控制方法进行了较详细的分析。

串联谐振逆变器基本结构串联谐振逆变器的基本原理图包括直流电压源，和由开关S1～S4组成的逆变桥及由R、L、C组成的串联谐振负载，其中开关S1～S4可选用IGBT、SIT、MOSFET、SITH等具有自关断能力的电力半导体器件，逆变器为单相全桥电路，其控制方法是同一桥臂的两个开关管的驱动信号是互补的，斜对角的两个开关是同时开通与关断的。

串联谐振逆变器的控制方法1、调幅控制（PAM）方法调幅控制方法是通过调节直流电压源输出（逆变器输入）电压Ud（可以用移相调压电路，也可以用斩波调压电路加电感和电容组成的滤波电路，来实现调节输出功率的目的，即逆变器的输出功率通过输入电压调节，由锁相环（PLL）完成电流和电压之间的相位控制，以保证较大的功率因数输出。

这种方法的优点是控制简单易行，缺点是电路结构复杂，体积较大。

2、脉冲频率调制（PFM）方法脉冲频率调制方法是通过改变逆变器的工作频率，从而改变负载输出阻抗以达到调节输出功率的目的。

图2PDM控制原理图图3谐振脉冲宽度调制图3、图4及图5中为避免桥臂直通，S1、S4及S2、S3管应遵循先关断后开通的原则，S1、S4及S2、S3门极触发脉冲应有死区时间，因本文重点讨论控制方法，故图中没有画出。

从串联谐振负载的阻抗特性可知，串联谐振负载的阻抗随着逆变器的工作频率（f）的变化而变化，对于一个恒定的输出电压，当工作频率与负载谐振频率偏差越大时，输出阻抗就越高，因此输出功率就越小，反之亦然，脉冲频率调制方法的主要缺点是工作频率在功率调节过程中不断变化，导致集肤深度也随之而改变，在某些应用场合如表面淬火等，集肤深度的变化对热处理效果会产生较大的影响，这在要求严格的应用场合中是不允许的，但是由于脉冲频率调制方法实现起来非常简单，故在以下情况中可以考虑使用它：1）如果负载对工作频率范围没有严格限制，这时频率必须跟踪，但相位差可以存在而不处于谐振工作状态，2）如果负载的Q值较高，或者功率调节范围不是很大，则较小的频率偏差就可以达到调功的要求。

负载串联谐振逆变器的逆变控制策略负载串联谐振逆变器的逆变控制策略负载串联谐振逆变器是利用振荡电路调整交流电压，使负载电压平稳的功率变换设备。

有效控制逆变器的正确策略是实现可靠运行的关键，传统的逆变控制策略很多，但它们只能准确控制输出电压，不能避免发生周期性抖动。

而负载串联谐振逆变器采用闭环非线性控制，可以较好地抑制因此产生的抖动，利用它可以实现对输出电压的更准确控制，较好地解决因受到负载变化的影响而产生的偏差。

首先要想实现负载串联谐振逆变器的逆变控制，就要实现以下几个步骤：1、构建负载串联谐振逆变器原理图。

原理图中必须包含有开关功率模块、振荡电路和控制器，它们之间通过交叉耦合，相互协同作用实现完整的逆变效果。

2、确定逆变器输出电压的目标值。

根据实际应用需要，将输出电压的期望值设置为一定值，例如设置为220V，以此来实现负载的均衡调节。

3、设计控制算法。

利用PID算法或其他非线性控制策略，控制谐振振荡电路的输出以达到预设的标准值；4、构建逆变器系统模型。

构建系统模型时，根据逆变器的具体特点，将谐振电路、开关功率模块和控制器集成到一个整体系统模型中，实现完整的数学描述。

5、建立部署实验。

在实验中，先把上述所有组件部署到实体实验台上，找出对应的参数，并实现各个模块间的交叉耦合调整；6、仿真调试和实验验证。

在仿真时，可以用仿真软件对实验系统进行调试和模拟仿真，确保系统可以稳定工作，再进行实验验证。

最后，运行负载串联谐振逆变器，通过闭环非线性控制策略，对谐振振荡电路进行控制，使其输出电压可以精确地稳定在预设的期望值，达到负载平衡调节的目的。

负载串联谐振逆变器的逆变控制是实现可靠的运行的关键，正确的控制策略能够有效地抑制因受到负载变化的影响而产生的偏差，使负载电压精确地稳定在预设的期望值。

因此，在负载串联谐振逆变器的逆变控制中，需要充分利用它的优点，合理设计控制策略，实现高效、可靠的逆变控制。

串联谐振逆变器分析串联谐振逆变器如图2一1所示,补偿电感和负载等效参数和串联后作为逆变桥的负载,图中为补偿电感或变压器漏感,、为包含负载在内的负载等效电阻和电容。

串联谐振逆变器通常由电压源供电,电压源由整流器加一个大电容构成。

由于电容值较大,可以近似认为逆变器输入端电压固定不变。

交替开通和关断逆变器上的可控器件就可以在逆变器的输出端得到交变的方波电压,其电压幅值取决于逆变器的输入端电压值,频率取决于器件的开关频率。

根据负载电压和电流的相位关系,串联逆变器可以工作在三种工作状态感性、容性和串联谐振。

在串联逆变器中,为了避免开关器件因短路电流而损坏,在开关器件换流过程中,上下桥臂的开关管应留有死区时间,防止发生直通。

并联谐振逆变器分析并联谐振逆变器如图2一2所示,补偿电感和负载等效参数和并联作为逆变器的负载,电路中串联的大电感场保证负载电流是恒定的,不受负载阻抗变化的影响。

当负载功率因数不是时,负载的无功电压分量便会加在开关器件上,为了避免开关器件承受反向电压而损坏,必须串联快速二极管。

根据负载电压和电流的相位关系,并联逆变器可能工作在三种工作状态感性、容性和谐振状态。

串并联谐振逆变器比较串联谐振逆变器和并联谐振逆变器的差别源于它们所用的振荡电路的不同,前者使用、、串联,后者是、和并联,由两种逆变器拓扑、电路特性及波形上分析,两种电路具有对偶的性质,相比于并联谐振逆变器,串联谐振逆变器具有以下特点和优点。

串联谐振逆变器的特点直流侧为电压源,或并联大电容,相当于电压源。

直流侧电压基本无脉动。

由于直流电压源的钳位作用,交流侧输出电压为矩形波,并且与负载阻抗角无关而交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同。

对串联谐振负载而言,其输出电流波形为正弦波。

当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率,直流侧电容起缓冲无功能量的作用。

为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道,逆变桥各臂都并联了反馈二极管。

电压型逆变器与电流型逆变器比较,优点如下电路结构简单,启动容易电压型逆变器可以采用移相控制,通过调节移相角的大小来调节输出电压,就可以达到调节输出功率的目的。

串联谐振逆变器串联谐振逆变器是恒压源供电，为避免逆变器的上、下桥臂晶闸管同时导通，造成电源短路，换流时，必须保证先关断，后开通。

即应有一段时间(t)使所有晶闸管（其它电力电子器件）都处于关断状态。

此时的杂散电感，即从直流端到器件的引线电感上产生的感生电势，可能使器件损坏，因而需要选择合适的器件的浪涌电压吸收电路。

此外，在晶闸管关断期间，为确保负载电流连续，使晶闸管免受换流电容器上高电压的影响，必须在晶闸管两端反并联快速二极管。

为避免滤波电抗Ld上产生大的感生电势，电流必须连续。

也就是说，必须保证逆变器上、下桥臂晶闸管在换流时，是先开通后关断，也即在换流期间(tγ)内所有晶闸管都处于导通状态。

这时，虽然逆变桥臂直通，由于Ld足够大，也不会造成直流电源短路，但换流时间长，会使系统效率降低，因而需缩短tγ，即减小Lk值。

串联谐振逆变器的工作频率必须低于负载电路的固有振荡频率，即应确保有合适的t时间，否则会因逆变器上、下桥臂直通而导致换流的失败。

并联逆变器的工作频率必须略高于负载电路的固有振荡频率，以确保有合适的反压时间t，否则会导致晶闸管间换流失败；但若高得太多，则在换流时晶闸管承受的反向电压会太高，这是不允许的。

串联谐振逆变器的功率调节方式有二：改变直流电源电压Ud或改变晶闸管的触发频率，即改变负载功率因数cosφ。

并联逆变器的功率调节方式，一般只能是改变直流电源电压Ud。

改变cosφ虽然也能使逆变输出电压升高和功率增大，但所允许调节范围小。

串联谐振逆变器在换流时，晶闸管是自然关断的，关断前其电流已逐渐减小到零，因而关断时间短，损耗小。

在换流时，关断的晶闸管受反压的时间(t+tγ)较长。

逆变器的输入电压恒定，输出电压为矩形波，输出电流近似正弦波，换流是在晶闸管上电流过零以后进行，因而电流总是超前电压一φ角。

从负载谐振方式划分，可以为并联逆变器和串联谐振逆变器两大类型，下面列出串联谐振逆变器和并联逆变器的主要技术特点及其比较：串联谐振逆变器和并联逆变器的差别，源于它们所用的振荡电路不同，前者是用L、R和C串联，后者是L、R和C并联。

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910122675.6(22)申请日 2019.02.15(71)申请人 矽力杰半导体技术（杭州）有限公司地址 310012 浙江省杭州市西湖区文三路90号71幢A1501-A1505、A1509-A1511室(72)发明人 邓建　赵晨　(51)Int.Cl.H02M 3/335(2006.01)(54)发明名称串联谐振变换器及其原边反馈控制电路和控制方法(57)摘要公开了一种串联谐振变换器及其原边反馈控制电路和控制方法，通过精确地模拟出变压器励磁电流信息，并根据原边谐振电流与励磁电流的差值以控制功率管的开关状态。

本发明在任何频率范围内均可准确计算出串联谐振变换器的输出电流，实现精确的原边电流控制，且无需副边控制所需的复杂电路，控制电路简单，成本低。

权利要求书2页 说明书7页 附图5页CN 109842302 A 2019.06.04C N 109842302A权　利　要　求　书1/2页CN 109842302 A1.一种串联谐振变换器的原边反馈控制电路，所述串联谐振变换器包括变压器，其特征在于，所述控制电路包括：励磁电流模拟电路，被配置为采样所述变压器的励磁电压以获取表征所述变压器的励磁电流的第一电压；反馈控制电路，被配置为根据所述第一电压和表征所述串联谐振变换器的谐振电流的第二电压，控制所述串联谐振变换器的功率管的开关状态，其中，所述第一电压在所述变压器的副边电流为零时被设置为等于所述第二电压。

2.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述励磁电流模拟电路包括：检测控制电路，被配置为检测表征所述励磁电压的励磁电压采样信号的变化，并输出检测信号以判断所述副边电流为零的时刻，其中所述检测信号在所述副边电流过零时为有效电平，控制所述第一电压等于所述第二电压。

3.根据权利要求2所述的控制电路，其特征在于，所述检测信号的有效电平在所述串联谐振变换器的功率管切换期间仅产生一次。

[rlc串联谐振电路]负载串联谐振逆变器的逆变控制策略1 概述逆变电路根据直流侧储能元件形式的不同，可划分为电压型逆变电路和电流型逆变电路。

电流型逆变器给并联负载供电，故又称并联谐振逆变器。

电压型逆变器给串联负载供电，故又称串联谐振逆变器。

(范文先生网收集整理)串联谐振逆变器在感应加热领域应用非常广泛，图1是它的基本原理图。

它包括直流电压源，开关S1～S4和RLC串联谐振负载。

由于设计的是电压型负载高频逆变器，而达到高频，则要减小开关损耗。

减小开关损耗的方法之一就是采用零电流开关。

对于串联RLC电路，只有在LC串联谐振时，使得流过电阻R的电流iR和加在RLC两端的电压URLC同步，才能达到零电流开关要求。

为此在全桥电路控制方式中，我们选取双极性控制方式。

即开关管Sl和S3，S2和S4同时开通和关断，其开通时间不超过半个开关周期，即它们的开通角小于180°。

2 逆变控制电路的设计控制电路原理框图如图2所示。

从图2可以看出，逆变电路可以工作在他激和自激两种状态。

当逆变电路工作在他激状态时，控制信号从他激信号发生器发出，电路工作频率固定，由他激信号发生器控制。

当逆变电路工作在自激状态时，电路的输出电流信号经过电流互感器采样，通过波形变换把正弦波变成方波，然后方波信号经单稳态电路防止干扰，接着送到频率跟踪电路，使得开关管的工作频率能够跟踪电流反馈信号。

工作在自激状态时，逆变电路的工作频率由负载本身的固有频率决定。

本电路中逆变电路的工作频率由放电负载和变压器漏感组成的串联谐振电路的自然频率决定。

2.1 限幅、整形和单稳态电路如图3所示，从电流互感器CT取出的反馈信号，通过电阻R6引入控制电路。

引入控制电路的信号跟负载电流的大小，电流互感器的变比以及取样电阻R6的大小有关。

在实际应用中，这个引入控制电路的信号可能会超过CMOS的最大工作电压而导致器件的损坏，因而有必要在这个信号后面加一个限幅电路。

串联谐振单相全桥逆变器常用控制方法⏹1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，各種適合於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、脈衝頻率調製、脈衝密度調製以及諧振脈衝寬度調製等控制方法進行了討論和比較。

特別對脈寬加頻率調製的控制方法進行了較詳細的分析。

●2串聯諧振逆變器基本結構串聯諧振逆變器的基本原理圖如圖1所示。

它包括直流電壓源，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。

●3串聯諧振逆變器的控制方法 3.1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，缺點是電路結構複雜，體積較大。

●3．2脈衝頻率調製(PFM)方法脈衝頻率調製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。

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。

對於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。

脈衝頻率調製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。

但是由於脈衝頻率調製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範圍沒有嚴格限制，這時頻率必須跟蹤，但相位差可以存在而不處於諧振工作狀態。

2007年 4 月电工技术学报Vol.22 No.4 第22卷第4期TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Apr. 2007串联谐振电流源高频链正弦波逆变器的工作原理和控制方法金晓毅邬伟扬孙孝峰（燕山大学电气工程学院秦皇岛 066004）摘要提出一种新型的串联谐振电流源模式隔离的高频链正弦波逆变器拓扑结构，详细介绍了其工作原理。

结合该逆变器的控制难点，采用适于该逆变器拓扑运行特色的控制策略及四象限逻辑组合方式，并给出了谐振槽的参数确定方法。

在48V直流输入、220V/50Hz交流输出的1kW 实验样机上进行实验，实验结果验证了该逆变器控制方案及实施方法的正确性。

同时通过周波变换器结构的变形，构成了各具特色的拓扑簇。

关键词：串联谐振高频链逆变器电流源单级逆变中图分类号：TM462Operational Principle and Control of Series-Resonant Current-Source Mode High Frequency Link Sine-Wave InverterJin Xiaoyi Wu Weiyang Sun Xiaofeng（Yanshan University Qinhuangdao 066004 China）Abstract An original series-resonant current-mode high frequency link（HFL）sine-wave inverter is presented in the paper. It is constructed of full-bridge high frequency inverter, series-resonant tank, current-source mode isolated transformer, cycloconverter and capacitor filter. A design method for the resonant tank is given in the paper. It is the critical part which influences the performance of inverter.The validity of operational principle and control scheme are confirmed by testing on the fabricated prototype which has specifications as 48V DC input, 220V/50Hz output and 1kW power capability.Furthermore, via the configuration transmutation of cycloconverter, the inverter has a family suitable for some application locations.Keywords：Series-resonant, high frequency link inverter, current-source, single-stage invert1引言高频链逆变电源以其高功率密度、高效率、小型轻量等特点在不间断电源（UPS）、新能源开发利用及车载电源等中小功率逆变场合有着广泛的应用。

2010年7 月电工技术学报Vol.25 No. 7 第25卷第7期TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Jul. 2010 一种全桥负载串联谐振逆变器谐振频率跟踪和输出功率控制方法李宏贺昱曜王崇武西北工业大学航海学院西安710072 摘要针对全桥负载串联谐振逆变器的谐振频率跟踪和输出功率调节问题分析了全桥负载串联谐振逆变器6种工作状态下负载阻抗角、移相角和直流母线电流的关系给出了直流母线电流极性平均值与逆变器工作频率、移相角、电路参数的关系式和逆变器输出功率表达式提出了基于直流母线电流极性平均值u的频率跟踪及功率控制方法。

由于移相角等于零时u最大值U对应于谐振频率用U作为参考信号u作为反馈信号得到逆变器谐振工作频率周期性使移相角为零实现了谐振频率跟踪由于逆变器工作于谐振频率时输出功率只与移相角有关所以用给定功率P作为参考信号输出平均功率P作为反馈信号得到逆变器的移相角实现逆变器的输出功率控制。

仿真和实验结果表明了该方法的可行性和有效性。

关键词负载串联谐振频率跟踪功率控制直流母线电流极性平均值中图分类号TM46 A New Method of Frequency Tracking and Output Power Control for Full Bridge Series Load Resonant Inverter Li Hong He Yuyao Wang Chongwu Northwestern Polytechnical University Xi’an 710072 China Abstract Tracking the resonant f requency and adjusting output power are the key in full-bridge series load-resonant-inverter. In this paper a new method of frequency tracking and output power control based on the mean-value of DC bus current polarity is proposed. The relationships between the DC bus current load parameters phase-shifted angle and the operation frequency are analyzed in detail under six modes of inverter. The expression of the mean-value of DC bus current polarity on load parameters phase-shifted angle operation frequency and formula of output power are given also. Because the maximum mean-value of DC bus current polarity corresponded to resonant frequency when the phase-shifted angle of the inverter is equal to zero the inverter resonant frequency can be obtained by setting the phase-shift angle to zero periodically. The inverter output power varies with phase-shifted angle at the point of resonant frequency so the inverter phase-shifted angle could be regulated using PI controller by the error between the reference value and the output power mean-value. The simulation and experimental results reveal that proposed method can well achieves tracking the resonant frequency and output power control of the full-bridge seriesload-resonant-inverter. KeywordsSeries load resonant frequency tracking power control mean-value of DC bus current polarity 国家自然科学基金资助项目60871080。