新型Buck-Boost变换器在感应加热电源中的应用

为防止直通烧坏器件，上、下桥臂不能同时开通，必须要有一段死区时间。各阶段运行如下：
设C1～C4为IGBT的CE极间结电容。初始状态VD11，VD41导通，负载谐振电流io为负，并向Cd反充电，此时流过开关管VT11和VT41的电流为零，其两端电压也为零，可实现零电流零电压开通。
模态1[t0～t1] t0时刻，io反向，VT11，VT41在零电流零电压下导通，电流经VT11→负载→VT41形成正向电流。
模态2[t1～t2] t1时刻，io=0，下一时刻，io为正，VT11，VT41继续导通，电流逐渐增大。
模态3[t2～t3] t2时刻，VT11，VT41在零电压(ZVS)下关断。VD21，VD31在C1～C4的作用下零电压导通，io为正，并向Cd反充电。L，C与C1～C4共同谐振，C2，C3放电，C1，C4充电。
模态4[t3～t4] t3时刻，开通VT21，VT31，uab过零变正，VT11、VT31承受反向正弦电压，电流经VT21→负载→VT41形成反向电流。
模态5[t4～t5] t4时刻，io=0，由于VT21，VT31导通，下一个时刻，io为负，L，C与C2～C3共同谐振，C1，C4放电，C2，C3充电。
模态6[t5～t6] t5时刻，VD11，VD41在C1～C4的作用下零电压导通，此时换流结束。
在紧接着的后一个周期里VT12，VT42，VT22，VT32轮流导通，其导通过程和VT11，VT41，VT21，VT31相同。通过并联的IGBT分时导通，拓宽IGBT的使用范围，提高输出频率。

3 系统设计
图4为中频感应加热的硬件系统结构框图。

它主要有主电路、控制电路、故障检测及保护电路和频率跟踪电路。系统以TMS320F2812型DSP和EPM1270GT144C5型CPLD为控制核心，实现对电源的驱动信号控制、频率跟踪控制、功率闭环调节控制、逻辑保护等功能。DSP实现数据的采集处理、PI数字调功、设置、保护及软斩波器的驱动等功能控制。CPLD控制模块由自／他激切换电路、锁相模块、PWM及死区模块等组成，实现对感应加热逆变器的频率控制，经过脉冲分配模块产生8路驱动脉冲驱动逆变模块。

4 实验分析
基于上述分析，对新型Buck-Boost感应加热电源进行实验研究。参数为：输入电源为380 V／50 Hz三相交流电源，主、次开关管的开关频率均为20 kHz，额定输出功率30 kW，逆变器工作频率为180 kHz。开关管选用FM 50DY-9型MOSFET，二极管VD4直接采用MOSFET反并联二极管，VD1，VD2，VD3，VD0用快恢复二极管IXYS DSEI 60-10A，Cs=1 nF，Cd=1 000μF，Lf=970μH，Lr=27μH，Cr=0．47μF，R=30 Ω；负载中Ro=127 mΩ，Co=10μF，Lo=0．34μH。

根据功率要求，按整流输出电压为300 V计算，则输出电流为100 A。考虑到安全裕量，选取整流二极管模块DF200AA120-160。逆变器模块选1．2 kV／200 A的FF200R12KS4型IGBT模块作为功率开关器件。图5为实验波形，图5a(上)为主开关VS1的零电压开通零电流关断波形；图5a(下)为辅助开关VS2的零电流开通和零电流零电压关断波形，VS2两端电压有一个阶梯上升过程，这是因为VS1关断后，VS2两端电压由uCmax上升至uVS1。图5b为逆变器的输出电压和电流波形。

5 结论
基于DSP和CPLD的软斩波串联谐振高频感应加热电源，主要的功率器件基本上都能实现软开关。有源无损缓冲Buck斩波器的采用，减小了开关损耗和EMI，提高了电源效率。在闭环运行条件下软斩波调功具有大范围调功的能力。采用定角频率跟踪，实现了并联谐振逆变器的小容性运行状态和功率因数的保持。以DSP和CPLD为核心的控制电路，系统在跟踪速度、跟踪精度、综合保护能力、效率等性能上均有明显提高。