电流型并联谐振式逆变器技术分析

换相电容与负载电路并联，换相是基于并联谐振的原理，这类逆变电路称为并联谐振逆变电路，简称并联逆变电路，较多用于金属的熔炼、透热和淬火的中频加热电源。

图6-9a所示为并联逆变电路，由三相可控整流获得电压连续可调的直流电源U_d，经过大电感滤波，通过并联逆变电路将直流电逆变为中频交流电供给负载，属于电流型逆变电路。

图6-9 并联逆变电路与负载

逆变桥由四个绝缘栅双极管（IGBT）桥臂组成，因工作频率较高（通常为1000～2500Hz），故采用高频IGBT管。L₁～L₄为4只电感量很小的桥臂电感，用于限制电流上升率di/dt。感应线圈L、电阻R和电容C并联组成负载谐振电路。

当逆变桥对角IGBT以一定频率交替触发导通时，负载感应线圈通入中频电流，线圈中产生中频交变磁通。如将金属（钢铁、铜、铝）放入线圈中，在交变磁场的作用下，金属中产生涡流与磁滞（钢铁）效应，使金属发热熔化，如图6-9b所示。IGBT交替触发的频率与负载电路的谐振频率相接近，负载电路工作在谐振状态，这样不仅可得到较高的功率因数与效率，而且电路对外加矩形波电压的基波分量呈现高阻抗，对其他谐波电压可以看做短路，所以负载两端U_a是很好的中频正弦波。而负载电流I_a在大电感L_d的作用下近似为交变的矩形波。并联电容C除参加谐振外，还提供负载无功功率，使负载电路呈现容性，I_a超前U_a一定角度，达到自动换相关断IGBT的目的。

假设其负载固有谐振频率为f₀，而逆变器的工作频率为f。因此逆变器可以有以下三种工作状态：

1）f＞f₀，负载电压相位滞后电流相位，呈容性状态。

2）f=f₀，负载电压相位与电流相位相同，呈阻性状态。

3）f＜f₀，负载电压相位超前电流相位，呈感性状态。下面就三种工作状态分别进行讨论：

1）当逆变器工作频率高于负载谐振频率时，负载呈容性状态。负载电压、电流与逆变器直流侧各点波形如图6-10所示。

图6-10 f＞f₀时逆变器各点波形

当某一时刻，VT₁与VT₄开通，VT₂与VT₃截止，此时U_a由负向电压变为正向电压，I_a为正向电流，电流回路为VT₁、负载、VT₄。而VT₂、VT₃从承受反向压降转变为正向压降。当U_a还为正时，发出驱动脉冲使VT₂和VT₃开通，电流进行换相，流过VT₂的电流逐渐增大，而VT₁上的电流逐渐减小，直到VT₁上的电流降为零时，换相结束。换相过程中会在即将开通的VT₂和VT₃中引起电流尖峰，但由于直流侧大电感可以有效抑制电流的上升速度，从而保证了功率器件的安全，这也是并联型逆变器需要工作在小容性工作状态的原因。此时I_a为负向电流，流通的回路为VT₂、负载、VT₃，而U_a逐渐由正变为负，VT₁、VT₄亦从承受反向压降转变为正向压降。当U_a未过0时，开通VT₁、VT₄，则I_a逐渐从负向回路转为正向回路，换相结束后关断VT₂、VT₃，如此完成一个周期的工作。(www.xing528.com)

图6-11 f=f₀时逆变器各点波形

2）当逆变器工作频率等于负载谐振频率时，负载呈阻性状态。负载电压、电流与逆变器直流侧各点波形图如图6-11所示。

在t=0时刻触发导通VT₁、VT₄，此时I_a与U_a都为正向。在I_a与U_a变为0的时刻，开通VT₂、VT₃，并关断VT₁、VT₄，电流从VT₁支路转换到VT₂支路。此时I_a与U_a都变为负向。在I_a与U_a变为0的时刻，开通VT₁、VT₄并关断VT₂、VT₃，电流从VT₂支路转换到VT1支路，如此完成一个周期。但是，由于直流侧大电感的存在，I_a不会突变为零，只能逐渐减小或增加，所以这种状态只是理想状态，并不能实现。

3）当逆变器工作频率低于负载谐振频率时，负载呈容性状态。负载电压、电流与逆变器直流侧各点波形图如图6-12所示。

图6-12 f＜f₀时逆变器各点波形

当某一时刻，VT₁与VT₄开通，VT₂与VT₃截止，U_a逐渐由正向电压变为负向电压，I_a为正向电流，电流回路为VT₁、负载、VT₄。而VT₂、VT₃从承受正向压降转变为反向压降。当U_a为负一小段时间时，发出驱动脉冲使VT₂和VT₃开通，电流进行换相。此时由于VT₂和VT₃承受反压，所以并不能使I_a自然转移到此回路。经过重叠时间之后，对VT₁和VT₄施加负脉冲使其关断，由于VT₁和VT₄是在大电流的状态下强制关断的，所以过大的电流下降率会在VT₁和VT₄两端产生尖峰电压，有可能会造成VT₁和VT₄过电压而损坏。此时I_a为负向电流，流通的回路为VT₂、负载、VT₃。当U_a从负向电压变为正向电压一小段时间时，开通VT₁、VT₄。此时VT₁与VT₄承受反向电压。经过重叠时间后，用负脉冲强制关闭VT₂、VT₃。VT₂和VT₃两端也会产生尖峰脉冲，对器件造成损坏，由此重复一周。

根据以上对并联型逆变器工作方式的研究可知：

1）当逆变器工作在感性状态时，在换相过程中，功率开关器件两边会产生尖峰电压，这样可能会造成器件的损坏，所以这种状态是一种不安全的状态，应当尽量避免。

2）逆变器工作在阻性状态是一种理想状态，从实现的角度来说具有一定的困难性。

3）当逆变器工作在容性状态时，是一种安全状态。但是功率因数角的选取必须合适，过大则造成功率因数的降低，过小则可能造成不完全换相，对器件的安全性产生影响。根据经验，一般控制容性时的功率因数角在10°～20°之间较好。