大功率(15KW以上)感應(yīng)加熱產(chǎn)品通常會(huì)采用全橋逆變技術(shù)。在其工作時(shí)，由于負(fù)載變化、環(huán)境溫度變化及調(diào)功要求等原因會(huì)引起的工作頻率的變化。為了使逆變器始終工作在適合的頻率上從而得到相應(yīng)恒定的功率，控制電路就必須能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)負(fù)載頻率的跟蹤。頻率跟蹤電路不僅要對(duì)負(fù)載頻率進(jìn)行跟蹤、采集，更要通過(guò)鎖相技術(shù)將負(fù)載工作頻率鎖定在與控制信號(hào)頻率同頻，從而得到相應(yīng)恒定的功率。更進(jìn)一步可以對(duì)采集到的負(fù)載工作頻率信號(hào)進(jìn)行處理用于實(shí)現(xiàn)其他功能，如移相PWM(脈寬調(diào)制Pulse Width Modulation)中的移相調(diào)功。從這個(gè)意義上講，頻率跟蹤在全橋逆變應(yīng)用中是十分重要的。
串聯(lián)諧振逆變器基本結(jié)構(gòu)
串聯(lián)諧振逆變器基本結(jié)構(gòu)
它包括直流電壓源Ud，和由開(kāi)關(guān)S1~S4組成的逆變橋及由R、L、C組成的串聯(lián)諧振負(fù)載。其中開(kāi)關(guān)S1~S4可選用IGBT、SIT(靜態(tài)感應(yīng)晶體管Static Induction Transistor)、MOSFET(金氧半場(chǎng)效晶體管Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)、SITH(靜電感應(yīng)晶閘管Static Induction Thyristor)等具有自關(guān)斷能力的電力半導(dǎo)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(gè)開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)是互補(bǔ)的，斜對(duì)角的兩個(gè)開(kāi)關(guān)是同時(shí)開(kāi)通與關(guān)斷的。
控制方式
1)調(diào)幅控制(PAM，Pulse Amplitude Modulation)是通過(guò)調(diào)節(jié)直流電壓源輸出(逆變器輸入)電壓Ud(可以用移相調(diào)壓電路，也可用斬波調(diào)壓電路加電感和電容組成的濾波電路，來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出功率的目的。)即逆變器的輸出功率通過(guò)輸入電壓調(diào)節(jié)，由鎖相環(huán)(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(shù)輸出。
這種方法的優(yōu)點(diǎn)是控制簡(jiǎn)單易行，缺點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積較大。
2) 脈沖頻率調(diào)節(jié)(PFM，Pulse Frequence Modulation)是通過(guò)改變逆變器的工作頻率，從而改變負(fù)載輸出阻抗以達(dá)到調(diào)節(jié)輸出功率的目的。
從串聯(lián)諧振負(fù)載的阻抗特性：
可知，串聯(lián)諧振負(fù)載的阻抗隨著逆變器的工作頻率(f)的變化而變化。對(duì)于一個(gè)恒定的輸出電壓，當(dāng)工作頻率與負(fù)載諧振頻率偏差越大時(shí)，輸出阻抗就越高，因此輸出功率就小，反之亦然。
脈沖頻率調(diào)制方法的主要缺點(diǎn)是工作頻率在功率調(diào)節(jié)過(guò)程中不斷變化，導(dǎo)致集膚深度也隨之而改變，在某些應(yīng)用場(chǎng)合如表面淬火等，集膚深度的變化對(duì)熱處理效果會(huì)產(chǎn)生較大的影響，這在要求嚴(yán)格的應(yīng)用場(chǎng)合中是不允許的。
3) 脈沖密度調(diào)制(PDM，Pulse Density Modulation)就是通過(guò)控制脈沖密度，實(shí)際上就是控制向負(fù)載饋送能量的時(shí)間來(lái)控制輸出功率。其控制原理如圖：
PDM控制原理圖
這種控制方法的基本思路是：假設(shè)總共有N個(gè)調(diào)功單位，在其中M個(gè)調(diào)功單位逆變器向負(fù)載輸出功率;而剩下的N-M個(gè)單位內(nèi)逆變器停止工作，負(fù)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(lián)系起來(lái)了。因此通過(guò)改變脈沖密度就可改變輸出。
脈沖密度調(diào)制方法的主要缺點(diǎn)是：逆變器輸出細(xì)度的頻率不完全等于負(fù)載的自然諧振頻率，在需要功率閉環(huán)的場(chǎng)合中，工作穩(wěn)定性較差。由于每次從自然誤差振蕩狀態(tài)恢復(fù)到輸出功率狀態(tài)時(shí)要重新鎖定工作頻率，這時(shí)系統(tǒng)可能失控。因此在功率閉環(huán)或者溫度閉環(huán)的場(chǎng)合，工作的穩(wěn)定性不好。其另一個(gè)缺點(diǎn)就是功率調(diào)節(jié)特性不理想，呈有級(jí)調(diào)功方式。
4) 諧振脈沖寬度調(diào)制(PWM)：
PWM中各信號(hào)波形
如圖2-3，諧振脈沖寬度調(diào)制是通過(guò)改變兩對(duì)開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間的相位差來(lái)改變輸出電壓值以達(dá)到調(diào)節(jié)功率的目的。即在控制電路中使原來(lái)同相的兩個(gè)橋臂開(kāi)關(guān)(S1,S3)、(S2,S4)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間錯(cuò)開(kāi)一個(gè)相位角，使得輸出的正負(fù)交替電壓之間插入一個(gè)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(dá)到調(diào)節(jié)輸出功率的目的。
這種控制方法的優(yōu)點(diǎn)是電源始終工作在諧振狀態(tài)，功率因數(shù)高。但存在反并聯(lián)二極管的反向恢復(fù)問(wèn)題、小負(fù)載問(wèn)題、軟開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)問(wèn)題。
調(diào)功控制方式選擇與頻率跟蹤
上述各種調(diào)功控制方式都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，因此一些復(fù)合型控制方法的研究日益引起重視，脈寬加頻率調(diào)制方法就是一種較好的控制方法。
一般的全橋逆變器中，常用的移相PWM方法的工作頻率是固定的，不需考慮負(fù)載在不同工作頻率下的特性。而在串聯(lián)諧振感應(yīng)加熱電源中使用移相PWM方法時(shí)，則要求其工作頻率必須的始終跟蹤負(fù)載的諧振頻率，通常使某一橋臂的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)與輸出電流的相位保持一致，而另外一個(gè)橋臂的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)與輸出電流的相位則可以調(diào)節(jié)。S1和S4驅(qū)動(dòng)信號(hào)互補(bǔ)，S2和S3驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)互補(bǔ)，S1驅(qū)動(dòng)信號(hào)相位與負(fù)載電流的相位保持相同，而S3的驅(qū)動(dòng)俯沖與S1的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)之間的相位差β在0゜~180゜范圍內(nèi)可調(diào)，調(diào)節(jié)β就可以調(diào)節(jié)輸出電壓的占空比，即調(diào)節(jié)輸出功率。根據(jù)輸出電壓和輸出電流的不同相位關(guān)系，有2種PWM調(diào)節(jié)方式：升頻式PWM和降頻式PWM。
由于本論文重點(diǎn)在于頻率跟蹤，所以在這里就不對(duì)升頻式PWM和降頻式PWM作進(jìn)一步分析。移相PWM控制方式要求工作頻率始終跟蹤負(fù)載諧振頻率，這是本論文重點(diǎn)研究課題。
全橋逆變器中頻率跟蹤的任務(wù)
結(jié)合全橋逆變器實(shí)際工作情況及移相PWM控制方式的要求，頻率跟蹤在全橋逆變器中的主要任務(wù)如圖：
頻率跟蹤電路基本框圖
此電路采集負(fù)載電流信號(hào)，并生成與之同頻同相的方波信號(hào)用于作相位比較，最終使負(fù)載電流頻率與控制信號(hào)頻率一致并處于準(zhǔn)諧振狀態(tài)提高效率。用移相電路對(duì)生成的與負(fù)載電流信號(hào)同頻的控制信號(hào)進(jìn)行移相，得到另一個(gè)控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)移相控制功。對(duì)這兩路信號(hào)分別取反即可得到與其反相的另兩路控制信號(hào)。最終得到滿(mǎn)足全橋逆變稱(chēng)相PWM控制的四路控制信號(hào)。圖2-4中，還加入了對(duì)線(xiàn)路延時(shí)補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償電路。
鎖相技術(shù)與頻率跟蹤
鎖相的基本概念是相位同步的自動(dòng)控制，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)能夠完成兩個(gè)電信號(hào)相位同步的自動(dòng)控制閉環(huán)系統(tǒng)也叫做鎖相環(huán)，工程上簡(jiǎn)稱(chēng)PLL(Phase Locked Loop)。鎖相環(huán)的主要任務(wù)：是保證本機(jī)的振蕩器產(chǎn)生的頻率和相位與接收來(lái)的基準(zhǔn)信號(hào)頻率和相位完全相同，稱(chēng)為同步。我們可以通過(guò)鎖相環(huán)對(duì)電磁爐工作負(fù)載電流頻率進(jìn)行跟蹤鎖定并將其與控制信號(hào)同步，使系統(tǒng)工作在設(shè)定的頻率上，從而得到相應(yīng)固定的輸出功率。
鎖相技術(shù)是實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤的重要手段之一。
小結(jié)
本文主要分析了大功率全橋逆變器的各種調(diào)功方式，闡述各種方式的優(yōu)缺點(diǎn)，并得出較好的控制方式--移相PWM控制。提出頻率跟蹤對(duì)于移相PWM控制的重要性。確定頻率跟蹤電路的工作要求及實(shí)現(xiàn)思路。