大功率(15KW以上)感應加熱產品通常會采用全橋逆變技術,。在其工作時,，由于負載變化,、環(huán)境溫度變化及調功要求等原因會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恒定的功率，控制電路就必須能夠實現(xiàn)對負載頻率的跟蹤,。頻率跟蹤電路不僅要對負載頻率進行跟蹤,、采集，更要通過鎖相技術將負載工作頻率鎖定在與控制信號頻率同頻,，從而得到相應恒定的功率,。更進一步可以對采集到的負載工作頻率信號進行處理用于實現(xiàn)其他功能，如移相PWM(脈寬調制Pulse Width Modulation)中的移相調功,。從這個意義上講,，頻率跟蹤在全橋逆變應用中是十分重要的。
串聯(lián)諧振逆變器基本結構
串聯(lián)諧振逆變器基本結構
它包括直流電壓源Ud，和由開關S1~S4組成的逆變橋及由R,、L,、C組成的串聯(lián)諧振負載。其中開關S1~S4可選用IGBT,、SIT(靜態(tài)感應晶體管Static Induction Transistor),、MOSFET(金氧半場效晶體管Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)、SITH(靜電感應晶閘管Static Induction Thyristor)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,。
控制方式
1)調幅控制(PAM,，Pulse Amplitude Modulation)是通過調節(jié)直流電壓源輸出(逆變器輸入)電壓Ud(可以用移相調壓電路，也可用斬波調壓電路加電感和電容組成的濾波電路,，來實現(xiàn)調節(jié)輸出功率的目的。)即逆變器的輸出功率通過輸入電壓調節(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)點是控制簡單易行,，缺點是電路結構復雜,，體積較大。
2) 脈沖頻率調節(jié)(PFM,，Pulse Frequence Modulation)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(jié)輸出功率的目的。
從串聯(lián)諧振負載的阻抗特性：
可知,，串聯(lián)諧振負載的阻抗隨著逆變器的工作頻率(f)的變化而變化,。對于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,，因此輸出功率就小，反之亦然,。
脈沖頻率調制方法的主要缺點是工作頻率在功率調節(jié)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。
3) 脈沖密度調制(PDM,，Pulse Density Modulation)就是通過控制脈沖密度,，實際上就是控制向負載饋送能量的時間來控制輸出功率。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：假設總共有N個調功單位,，在其中M個調功單位逆變器向負載輸出功率;而剩下的N-M個單位內逆變器停止工作,，負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)系起來了,。因此通過改變脈沖密度就可改變輸出,。
脈沖密度調制方法的主要缺點是：逆變器輸出細度的頻率不完全等于負載的自然諧振頻率，在需要功率閉環(huán)的場合中,，工作穩(wěn)定性較差,。由于每次從自然誤差振蕩狀態(tài)恢復到輸出功率狀態(tài)時要重新鎖定工作頻率，這時系統(tǒng)可能失控,。因此在功率閉環(huán)或者溫度閉環(huán)的場合,，工作的穩(wěn)定性不好。其另一個缺點就是功率調節(jié)特性不理想,，呈有級調功方式,。
4) 諧振脈沖寬度調制(PWM)：
PWM中各信號波形
如圖2-3，諧振脈沖寬度調制是通過改變兩對開關管的驅動信號之間的相位差來改變輸出電壓值以達到調節(jié)功率的目的,。即在控制電路中使原來同相的兩個橋臂開關(S1,S3),、(S2,S4)的驅動信號之間錯開一個相位角，使得輸出的正負交替電壓之間插入一個零電壓值,，這樣只要改變相位角就可以改變輸出電壓的有效值,，最終達到調節(jié)輸出功率的目的。
這種控制方法的優(yōu)點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)二極管的反向恢復問題、小負載問題,、軟開關實現(xiàn)問題,。
調功控制方式選擇與頻率跟蹤
上述各種調功控制方式都有各自的優(yōu)缺點，因此一些復合型控制方法的研究日益引起重視,，脈寬加頻率調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,，不需考慮負載在不同工作頻率下的特性,。而在串聯(lián)諧振感應加熱電源中使用移相PWM方法時，則要求其工作頻率必須的始終跟蹤負載的諧振頻率,，通常使某一橋臂的驅動脈沖信號與輸出電流的相位保持一致,，而另外一個橋臂的驅動脈沖信號與輸出電流的相位則可以調節(jié)。S1和S4驅動信號互補,，S2和S3驅動脈沖信號互補,，S1驅動信號相位與負載電流的相位保持相同，而S3的驅動俯沖與S1的驅動脈沖信號之間的相位差β在0゜~180゜范圍內可調，調節(jié)β就可以調節(jié)輸出電壓的占空比,，即調節(jié)輸出功率,。根據(jù)輸出電壓和輸出電流的不同相位關系，有2種PWM調節(jié)方式：升頻式PWM和降頻式PWM,。
由于本論文重點在于頻率跟蹤,，所以在這里就不對升頻式PWM和降頻式PWM作進一步分析。移相PWM控制方式要求工作頻率始終跟蹤負載諧振頻率,，這是本論文重點研究課題,。
全橋逆變器中頻率跟蹤的任務
結合全橋逆變器實際工作情況及移相PWM控制方式的要求，頻率跟蹤在全橋逆變器中的主要任務如圖：
頻率跟蹤電路基本框圖
此電路采集負載電流信號,，并生成與之同頻同相的方波信號用于作相位比較,，最終使負載電流頻率與控制信號頻率一致并處于準諧振狀態(tài)提高效率。用移相電路對生成的與負載電流信號同頻的控制信號進行移相,，得到另一個控制信號,，實現(xiàn)移相控制功。對這兩路信號分別取反即可得到與其反相的另兩路控制信號,。最終得到滿足全橋逆變稱相PWM控制的四路控制信號,。圖2-4中，還加入了對線路延時補償?shù)难a償電路,。
鎖相技術與頻率跟蹤
鎖相的基本概念是相位同步的自動控制，簡單來說能夠完成兩個電信號相位同步的自動控制閉環(huán)系統(tǒng)也叫做鎖相環(huán),，工程上簡稱PLL(Phase Locked Loop),。鎖相環(huán)的主要任務：是保證本機的振蕩器產生的頻率和相位與接收來的基準信號頻率和相位完全相同，稱為同步,。我們可以通過鎖相環(huán)對電磁爐工作負載電流頻率進行跟蹤鎖定并將其與控制信號同步,，使系統(tǒng)工作在設定的頻率上，從而得到相應固定的輸出功率,。
鎖相技術是實現(xiàn)頻率跟蹤的重要手段之一,。
小結
本文主要分析了大功率全橋逆變器的各種調功方式，闡述各種方式的優(yōu)缺點,，并得出較好的控制方式--移相PWM控制,。提出頻率跟蹤對于移相PWM控制的重要性。確定頻率跟蹤電路的工作要求及實現(xiàn)思路,。