大功率(15KW以上)感應加熱產(chǎn)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(diào)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?qū)崿F(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(diào)制Pulse Width Modulation)中的移相調(diào)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(qū)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(diào)幅控制(PAM，Pulse Amplitude Modulation)是通過調(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，來實現(xiàn)調(diào)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(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(diào)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(diào)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(diào)制方法的主要缺點是工作頻率在功率調(diào)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(chǎn)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(diào)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(diào)功單位，在其中M個調(diào)功單位逆變器向負載輸出功率;而剩下的N-M個單位內(nèi)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(diào)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(diào)節(jié)特性不理想，呈有級調(diào)功方式。
4) 諧振脈沖寬度調(diào)制(PWM)：
PWM中各信號波形
如圖2-3，諧振脈沖寬度調(diào)制是通過改變兩對開關管的驅(qū)動信號之間的相位差來改變輸出電壓值以達到調(diào)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(qū)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(diào)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(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，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(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(qū)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(qū)動脈沖信號與輸出電流的相位則可以調(diào)節(jié)。S1和S4驅(qū)動信號互補，S2和S3驅(qū)動脈沖信號互補，S1驅(qū)動信號相位與負載電流的相位保持相同，而S3的驅(qū)動俯沖與S1的驅(qū)動脈沖信號之間的相位差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(chǎn)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(diào)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。