毕业论文-双e类逆变器拓扑电路仿真研究

本科毕业设计（论文）（双E类逆变器拓扑电路仿真研究）燕山大学2012年6月摘要感应加热电源是利用电涡流对工件加热的一种装置，由于具有诸多优点而在工业中得到了广泛的应用。目前，国内中频电源已经非常成熟，高频电源在频率、容量等方面还有待提高。因此本文针对高频电源进行了理论分析和研究。文中首先介绍了感应加热电源的工作原理并讲述了国内外的研究现状。接下来分析了E类逆变器的工作原理和双E类逆变器的工作原理，以及工作在最佳状态下MOSFET的电流电压波形，为接下来设计双E类逆变器做了准备。然后分析了谐振电路、E类逆变器的谐振频率等，设计计算了双E逆变器电路的参数。根据双E类逆变器的原理，为使其工作在最佳状态，设计了闭环控制电路。最后用PSPICE仿真，验证设计方案的可行性。关键词感应加热；MOSFET；E类逆变器；PSPICEABSTRACTPOWERSUPPLYFORINDUCTIONHEATINGISANEQUIPMENTTOHEATTHEWORKPIECEBYWHIRLINGCURRENTANDITISAPPLIEDWIDELYININDUSTRYBECAUSEOFITSMANYVIRTUESNOW,INTERMEDIATEFREQUENCYPOWERSUPPLYISPERFECT,BUTHIGHFREQUENCYPOWERSUPPLYHASDEFECTSINTHEASPECTSOFFREQUENCYANDCAPACITYANDSOONSOHIGHFREQUENCYPOWERSUPPLYISDEVELOPEDINTHISTHESISFIRSTLY,OPERATIONPRINCIPLEOFINDUCTIONHEATINGISINTRODUCEDANDTHEACTUALITYOFTHEPOWERSUPPLYFORINDUCTIONHEATINGISSUMMARIZEDTHENANALYSISTHEOPERATIONPRINCIPLEOFCLASSEINVERTER,DOUBLECLASSEINVERTERANDTHEMOSFETCURRENTANDVOLTAGEWAVEFORMSINTHEBESTCONDITION,WHICHISPREPARATIONFORDESIGNDOUBLECLASSEINVERTERNEXTMOREOVERSERIESRESONANTINVERTERISSELECTEDASINVERTERCIRCUITANDEXPLAINTHERESONANTFREQUENCYOFCLASSEANDDOUBLECLASSEVIAANALYSISINORDERTOSIMULATIONTHECIRCUIT,THEINVERTERCIRCUITPARAMETERSAREDESIGNEDANDCALCULATEDACCORDINGTOTHEPRINCIPLEOFDOUBLECLASSEINVERTER,INORDERTOMAKEITWORKINTHEBESTCONDITION,DESIGNCLOSEDLOOPCONTROLCIRCUITFINALLYUSINGPSPICESIMULATIONTOVERIFYTHEFEASIBILITYOFTHEDESIGNKEYWORDSINDUCTIONHEATINGMOSFETCLASSEINVERTERPSPICE目录摘要IABSTRACTII第1章绪论111课题背景1111感应加热电源的基本原理11111电磁感应与感应加热11112透入深度与集肤效应212感应加热电源的发展现状3121国外感应加热电源的现状3122国内感应加热技术现状413电力电子器件的发展514论文选题意义及主要工作6第2章E类逆变器结构与原理分析821单E类逆变器原理分析922双E类逆变器原理分析11本章小结13第3章E类逆变器的设计和计算1431基本谐振电路1432E类逆变器的谐振频率15321单E类逆变器谐振频率15322双E类逆变器谐振频率1633E类逆变器的设计和参数计算16331品质因数16332MOSFET的选择17333主电路参数计算1834控制电路设计19本章小结21第4章实验仿真2241E类逆变器的调试2242仿真波形24本章小结27结论28参考文献29致谢31附录132附录237附录342附录450附录558第1章绪论11课题背景感应加热技术是一种先进的加热技术，它具有传统加热方法所不具备的优点，因而在国民经济和社会生活中获得了广泛的应用。此项技术的核心内容之一就是感应加热电源的研制。电源的性能价格比直接决定了其获得应用的速度与广度，随着电力电子器件制造成本正在迅速下降，不断提升其性能水平是这种新技术获得最大限度推广的重要条件。111感应加热电源的基本原理1111电磁感应与感应加热MICHAELFARADY于1831年建立的电磁感应定律说明，在一个电路围绕的区域内存在交变磁场时，电路两端就会产生感应电动势，当电路闭合时则产生电流。这个定律同时也就是今天感应加热的理论基础。1感应加热的原理图如图11所示图11感应加热的原理图如上图，当感应线圈上通以交变电流时，线圈内部会产生相同频I率的交变磁通，交变磁通又会在金属工件中产生感应电势。根据EMAXWELL电磁方程式，感应电动势的大小为11DTNE式中N是线圈匝数，假如是按正弦规律变化的，则有12MSIN那么可得到感应电动势为13TNEMCOS因此感应电动势的有效值为14MFFE42由此可见，感应加热是靠感应线圈把电能传递给要加热的，然后电能在金属内部转变为热能。感应线圈与被加热金属并不直接接触，能量是通过电磁感应传递的。另外需要指出的是，感应加热的原理与一般电气设备中产生涡流以及涡流引起发热的原理是相同的，不同的是在一般电气设备中涡流是有害的，而感应加热却是利用涡流进行加热的。这样，感应电势在工件中产生感应电流（涡流），使工件加热。I其焦耳热为15RTIQ240式中，电流通过电阻产生的热量（）；QJ电流有效值（）；IA工件的等效电阻（）；R工件通电的时间（）。TS由式（14）可以看出，感应加热和发热功率与频率高低和磁场强弱有关。感应线圈中流过的电流越大，其产生的磁通也就越大，因此提高感应线圈中的电流可以使工件中产生的涡流加大；同样提高工作频率也会使工件中的感应电流加大，从而增加发热效果，使工件升温更快。另外，涡流的大小还与金属的截面大小、截面形状、导电率、导磁率等有关。1112透入深度与集肤效应在导体中流过电流时，在它的周围便同时产生磁场、通过的电流为直流时，产生的磁场是固定的，不影响导体的导电性能；而通过交流电时，产生的磁场是交变的，会引起集肤效应，使大部分电流在导体的表面流通，即有效导电面积减小，电阻增加。交流电流的频率越高，集肤效应越严重。透入深度的规定是由电磁场的集肤效应而来的。电流密度在工件中的分布是从表面向里面衰减，其衰减大致是呈指数规律变化。工程上规定当导体电流密度由表面向里面衰减到数值等于表面电流密度的0368倍时，该处到表面的距离称为电流透入深度。因此可以认为交流电流在导体中产生的热量大部分集中在电流透入深度内。透入深度可用下式来表示16FR503式中，导体材料的电阻率（）；CM导体材料的相对磁导率；R电流频率（）。FHZ从（16）可知，当材料的电阻率，相对磁导率确定以后，透R入深度仅与频率的平方根成反比，因此它可以通过改变频率来控制。频率越高，工件的发热层越薄，这种特性在金属热处理中得到了广泛的应用，如猝火、热处理等。12感应加热电源的发展现状感应加热技术从诞生至今，经过近百年的发展，取得了令人瞩目的成果，尤其是六十年代以后，固态电力电子器件的出现于发展，使感应加热技术和现代化生产许多方面密切相关，发展了很大的生产力的作用，因此世界各国都十分关注感应加热技术的发展，并投入了相当的经济支持和技术力量。目前传统的感应加热电源与固态感应加热电源取长补短，互补共存。121国外感应加热电源的现状低频感应加热的特点是透热深度深、工件径向温差小，热应力小，热处理工件变形小，比较适合大型弓箭的整天透热、大容量炉的熔炼和保温。目前，在低频感应加热场合普遍采用传统的工频感应炉。国外的工频感应加热装置可达数百兆瓦，用于数十吨的大型工件的透热或数百吨的钢水保温。预计短期内，以固态器件构成的低频感应加热电源在功率容量、价格和可靠性方面还难以与简单的工频感应炉竞争，虽然其效率、体积和性能均优于工频炉。在中频（15010）范围内，晶闸管感应加热装置已完全取代了KHZ传统的中频发电机组和电磁倍频器，国外的装置容量已达数十兆瓦。在超音频（10100）范围内，早期基本是空白，晶闸管出现以后，一度曾采用晶闸管以时间分割电路和倍频器构成的超音频电源。八十年代开始，随着一系列新型功率器件的相继出现，以这些新型器件（主要有GTO、GTR、MCT、IGBT、BSIT、和SITH）构成的结构简单的全桥型超音频固态感应加热电源逐渐占据了主导地位，其中以IGBT应用最为普遍。这是因IGBT使用起来方便可靠，很受电路设计者的欢迎。1994年日本采用IGBT研制出了1200KW/50的电流型感应加热KHZ电源，逆变器工作于零电压开关状态，实现了微机控制。西班牙在1993年也已经报道了3600KW/100的IGBT电流型感应加热电源，欧、KHZ美地区的其它一些国家如英国、法国、瑞士等的系列化超音频感应加热电源也达数百千瓦。在高音频（100以上）领域，国外目前正处于从传统的电子管Z振荡器向固态电源的过渡阶段。以日本为例其系列化的电子管振荡器的水平为5100KW/100500，而其采用SIT的固态高频感应加热电源KH的水平可达400KW/400，并且在1987年就已开始研制Z1200KW/200的SIT电源。欧美各国采用MOSFET感应加热电源的Z容量已达480KW/50200，比利时的INDUCTOELPHIAC公司生产的电流型MOSFET感应加热电源的水平可达1/15600，美国英达MWKHZ公司的网页上最近可以看到他们已经推出2000KW/400的MOSFET高频感应加热电源。122国内感应加热技术现状我国感应加热技术从50年代开始就被广泛应用于工业生产中。60年代末开始研制晶闸管中频电源。到目前已经形成了一定范围的系列化产品，并开拓了较为广阔的应用市场。在中频领域，晶闸管中频电源装置基本上取代了旋转发电机，已经形成了5008000/100300KW的系列化产品。但国产中频电源大多HZ采用并联谐振逆变器结构，因此在开发更大容量的并联逆变中频感应加热电源的同时，尽快研制出结构简单，易于频繁启动的串联谐振中频电源也是中频领域有待解决的问题。在超音频领域的研究工作八十年代已经开始。浙江大学采用晶闸管倍频电路研制了50KW/50的超音频电源，采用时间分割电路研制了KHZ30的晶闸管超音频电源、从九十年代初开始，国内采用IGBT研制KHZ超音频电源。浙江大学研制开发的50KW/50IGBT超音频电源已经KHZ通过浙江省技术鉴定。总的来说，国内目前的超音频电源研制水平大致为500KW/50，与国外的水平相比还有一定的差距。Z13电力电子器件的发展1957年，美国研制出世界上第一只普通的（400一下）反向阻断Z型可控硅，后称晶闸管（SCR）。经过60年代的工艺完善和应用开发，到了70年代，晶闸管已经形成从低压小电流到高压大电流的系列产品。在这期间，世界各国还研制出一系列的派生器件，如不对称晶闸管（ASCR）、逆导晶闸管（RCT）、门极辅助关断晶闸管（GATT）、光控晶闸管（LTSCR）以及80年代迅速发展起来的可关断晶闸管（GTO）。由晶闸管及其派生器件所构成的各种电力电子装置在工业应用中主要解决了传统的电能变换装置中所存在的能耗大和装置笨重的问题，因此电能的利用率大大提高了，同时也使工业噪声得到一定程度。目前INTERNET上可以查到的高压大电流晶闸管有POWEREX推出的用于高压交流开关和静止无功发生器用的12000V/1500A的晶闸管。1948年美国贝尔实验室发明了第一只晶体管以来，经过20多年的努力，到了70年代，用于电力变化的晶体管（GTR）已进入工业应用领域，由于GTR具有自关断能力且开关速度可达20，在PWM技术KHZ中一度得到了广泛的应用，并促使装置性能进一步提高和传统直流电源装置的革新，出现了所谓的“20千周革命”，但因功率晶体管存在二次击穿、不易并联以及开关频率仍然偏低等问题，它的应用受到了限制。70年代后期，电力半导体器件在高频化进程中一个标志性器件，功率场效应晶体管（POWERMOSFET）开始进入实用阶段。进入80年代，人们又在降低器件的导通电阻、消除寄生效应、扩大电压和电流容量以及驱动电路集成化等方面进行了大量的研究，取得了很大的进展。功率场效应管中应用最广的是电流垂直流动结构的器件（VDMOS）。它具有工作频率高（几十千赫至数百千赫，低压管可达兆赫）、开关损耗小、安全工作区宽（不存在二次击穿问题）、漏极电流为负温度特性（易并联）、输入阻抗高等优点，是一种场控型自关断器件，为目前电力电子技术赖以发展的主要器件之一。100A/1000V的VDMOS已商品化，研制水平达250A/1000V，其电流的容量还有继续增大的趋势。尽管VDMOS器件的开关速度非常快，但其导通电阻与成正比，这就限制了它在高52U压大功率领域的应用。80年代电力电子器件较为引人注目的成就之一就是开发出双极型复合器件。研制复合器件的主要目的是实现器件的高压、大电流参数同动态参数之间的最合理的折中，使其兼有MOS器件和双极型器件的突出优点，从而产生出较为理想的高频、高压和大电流器件。目前最有发展前途的复合器件是绝缘栅双极型晶体管IGBT和MOS栅控晶闸管MCT，IGBT于1982年在美国率先研制出样品，1985年开始投产。目前最高电压已达4500V，最大电流可为1800A。MCT是80年代后期出现的另一种比较理想的器件，目前研制水平为300A/2000V，1000V/1000V，最高电压达3000V。80年代期间发展起来的静电感应晶体管SIT和静电感应晶闸管SITH是利用门极电场强度改变空间电荷区宽度来开闭电流通道的原理研制成的器件。214论文选题意义及主要工作由于E类逆变器可以在很高的频率下保持很高的效率，可以得到很好的正弦波，在工业生产中得到越来越多的应用。E类逆变器可以很好的应用在DCDC变换，DCAC变换中，可以应用在要求很高频率的正弦波输出场合。采用双E类逆变器，在开关管上承受同样大的电压应力的情况下，只需在原有的E类逆变器的基础上适当改变电路，即可使原有的输出功率提高4倍。这种拓扑结构在原有频率不变的情况下，极大提高了输出功率，对下一步开发研究高频大功率逆变电源提供了广阔的前景。本文主要对双E类软开关逆变器进行研究，在理论分析的基础上，对其进行仿真实验。本文具体工作如下（1）对功率MOSFET进行特性分析；（2）为使感应加热电源的容量扩大，研究功率MOSFET并联使用情况；（3）分析双E类逆变器拓扑电路的原理；（4）设计双E类逆变器各元件的参数，对其进行仿真；（5）设计闭环控制电路，进行参数计算，进行仿真，调试使其工作在最佳状态或准最佳状态。第2章E类逆变器结构与原理分析对于感应加热的逆变器，提高开关管的效率是非常重要的，如果能够将开关管的效率由80提高到90，我们就可以将开关管上的功率损耗降低一半，可以将输出功率加倍，可以将开关管的散热片的体积和重量减半，可以降低开关管的温升，减少开关管损坏的可能性，提高设备的可靠性。现在随着能源的不断增长，对能源的需求越来越大，提高逆变器的效率，就可以显著的降低能源消耗，从而降低生产成本。随着科学技术的发展，各种电气设备变得越来越小，这就要求给其提供电能的电源变得越来越小，具有更高的功率密度，如果我们能够提高开关管的效率，就可以使开关管在更高的频率下工作，就可以减少逆变器中电感和电容的容量，减少了感应加热电源的体积。所以提高开关管的效率是意义重大的。要提高开关管的效率，我们应主要从以下几方面努力1、减少开关管导通时的电压降和断开时的漏电流，这主要是由开关器件本身决定的，和负载并没有关系。2、减少开关管的开关时间，这主要是由开关器件本身和开关管的驱动电路决定的，负载网络对开关管的开关时间有一定影响。3、减少开关管上同时存在的电压和电流的时间。图21最佳效率下的开关管的理想电压和电流波形我们以图21为例，来分析这种负载网络要达到的目标1、开关断开后，电压上升有一个延迟时间，这可以确保在开关管的电流还没有降到零之前，开关管上不会有太高的电压，这样就可以大大降低关断损耗。2、在开关开通时，开关管上的电压回到零，实现零电压开通，这可以避免了在开关管两端寄生电容放电造成的损耗，使开通损耗几乎为零。3、在开关管开通时，开关管上电压的变化坡度也恰好为零，这可以降低开关噪声，同时可以减少开通时间，进一步减少开通损耗。21单E类逆变器原理分析E类逆变器是70年代出现的一种谐振变换器，自从出现就引起了广泛的关注，得到了深入广泛的研究，每年都有不少关于E类逆变器这方面的文章发表，相关的产品也已有投入市场应用的。原因是E类逆变器采用软开关方式工作，能够在高频工作时保持不同寻常的高效，并能够输出很好的正弦波形。有资料显示，E类逆变器的效率可以高达97，实践证明，E类逆变器在提高开关电源的工作频率和工作效率有显著的效果，有广阔的应用前景。E类逆变器基本电路拓扑如图22所示，电感的阻抗足够大，因1L而使流过的电流为一个恒定的值。，为谐振元件，在负载上产生2LCR高频的正弦波输出。为外加电容，目的是使开关管工作在理想状态。1CS3L1L2C2C1VCCR图22E类逆变器原理图工作原理（1）开关管导通时，电感中的电流全部流过，由于，S1LS2L在开通之前已经储存了能量，这时，就形成一个闭合的谐2C2CR振回路。在负载上就得到一个正弦的输出。此时通过开关管的电流R为电感中的电流和，谐振回路中的电流之和。1L2C（2）当开关管关断时，由于开关管的两端并着一个电容，SS1C上的电压由零缓慢上升，从而使开关管在关断电流拖尾期间，两端1的电压上升的幅值有限。从而大大降低了关断损耗。关断期间，形成一个闭合的谐振回路继续谐振，2LR1电感对谐振回路充电，补充谐振能量。当电容上的电压到零时，使11C开关管导通，从而实现了开关管的零电压开通，也大大降低了开通损S耗。至此，电路完成了一个完整周期的工作，在负载上得到了一个完R整正弦输出。T1T2T6T5T4T3VDSISICIOISICS开通图23E类逆变器工作波形22双E类逆变器原理分析1975年，SOKAL提出的高频高效E类放大器，以其逆变工作频率高，效率理论值可达100的优异特点得到很大的发展。然而，由于这种逆变器工作时开关管要承受35倍直流母线的电压应力，其直流侧输入电压受到了限制，以至限制了整个逆变器的输出功率。相对于传统的E没逆变器，这种推挽式逆变器（以下简称双E类逆变器）开关管S1与S2共同承担输入电压的峰值，交替为负载提供高频电流，使其输出功率可提高到原来的4倍。4LRRS1S2RL1L2CRC1C2图24双E类逆变器拓扑电路结构图双E类逆变器基本电路拓扑如图24所示，电感的阻抗足够大，21,L因而使流过的电流为一个恒定的值。为谐振元件，在负载上产RCL,R生高频的正弦波输出。为外加电容，目的是使开关管工作在21,C21,S理想状态。为了便于分析，现将双E类逆变器中电流的流向在简化模型中给出，如图25所示，图26为主要波形图。1S1由关断转向开通，S2由开通转向关断T0T1，阶段电流I1开始流入开关管S1，开关管上的电流IS1开始上升，即IS1I1I0由于I1恒定，流向负载的电流I0开始减少。此时由于开关管S2由开通转向关断，流入S2的电流转入流向C2，即负载电流I0与I2向电容C2充电，充电电流IC2I0I2，电容C2上的电压开始升高。在这期间，负载电流I0逐渐减少，直到负载电流减少到零，进入下一阶段。T1T2阶段负载电流I0开始换向，电流I2一部分向电容C2充电，另一部分流向负载。此时负载电流I0开始反向上升规定负载电流从左向右为正向，由于电流I2恒定I2IC2I0，电容C2的充电电流不断减少，直到减少到零，此刻电流I2全部转向负载，即I0I2。LRL2L1I1IEVS1IS1C1I2RCRIC2IC1S2I0IS2C2图25电流流向图T2T3阶段由于此时电容C2的电压己被充至峰值，C2开始放电，流经CR，R，LR，S1，电容C2上的电压开始减少。此时I0I2IC2。由于负载电流I0不断上升，开关管S1上的电流也不断上升，此时IS1IEI02S1由开通转向关断，S2由关断转向开通T3T4阶段流向开关管S1的电流转移到旁路电容C1，开始在电容C1建立电压，即IC1IEI0，此时由于开关管S2开通，电流I2分别转向开关管S2以及负载。电容C2通过开关管S2放电，开关管S2的电流IS2逐渐增大，由于I2恒定，负载电流逐渐减少，直到减少到零，负载电流开始换向，进入下一阶段。此时I2IS2。T4T5阶段负载电流开始转向开关管S2，此时IS2I2I0，开关管S2的电流继续增大，由于此时开关管S1关断，IEI0IC1，I0不断增大，IC1不断减少，直到减少到零，电容C1的电压达到峰值。T5T6阶段电容C1开始放电，此时I0IEIC1，负载电流继续上升，开关管S2上的电流为负载电流I0与I2之和，即开关管S2上的电流随着负载电流的增大而增大。图26双E类逆变器工作波形本章小结本章主要介绍了E类逆变器最佳工作状态下的电压与电流工作波形。分析了单E类逆变器的工作原理和双E类逆变器的工作原理。第3章E类逆变器的设计和计算31基本谐振电路基本谐振电路（由负载线圈及其补偿电容组成）主要分为串联谐振电路及并联谐振电路。并联谐振电路主要用于中、低频范围的逆变电源。而在高频范围内，主要为串联谐振电路。这种谐振电路将主要应用在逆变器拓扑结构中（E类放大器，推挽式双E类逆变器）。因此本节将以串联谐振电路为例，简单介绍串联谐振电路的几个重要参数。CRLU图31串联谐振电路如图31所示为串联谐振电路的等效电路图。感应加热用逆变电源负载的值（品质因数）很低，为了提高负载电路的功率因数，通常在Q负载上并联或者串联电容以提高其功率因数，电容与负载串联也就构成了串联谐振电路，感应线圈以电阻与电感串联的等效形式表示，由图31可见，负载的阻抗为（31）JXRXJRCLJRZCL1（32）2221在时产生串联谐振，设谐振角频率为，则0IMJ0,即（33）10CLLC0由于，故（34）2FF21谐振时电路各参数如下等效阻抗（35）RZ0谐振电流（36）UI电容、电感上的电压（37）CLQULC谐振电流的品质因数（3R018）可见，谐振时外电源电压全部加在电阻上，此时电感上的压降和电容上的压降大小相等，方向相反，它们的值是电源电压的倍，所以，串联谐振也称为电压谐振。32E类逆变器的谐振频率321单E类逆变器谐振频率如图22所示，当开关管导通时，谐振回路由组成，此时RCL,2的谐振频率和谐振回路的品质因数分别为011Q，（39）2CL20当开关管断开时，谐振回路由组成，此时的谐振频率L,21和谐振回路的品质因数分别为022，（310）2102CLRQ02可以看出，E类逆变器工作时存在两个不同的谐振回路和谐振过程，两个谐振回路的品质因数之间的关系为（311）21021CQ在这里引入一个在开关频率下的负载的品质因数LQ（312）RL2为了保证电路安全工作，E类逆变器的开关频率总是要满足，对应的有。从上面可以看出，当负载确定020121QLR后，也就确定了。我们将称为最小品质因数。LQ,211Q322双E类逆变器谐振频率如图24所示，当开关管导通（断开）时，谐振回路由1S2组成，此时的谐振频率和谐振回路的品质因数分别为RCR,201Q，（313）201CLRRLQR01当开关管断开（导通时），谐振回路由组成，此时1SCR,1的谐振频率和谐振回路的品质因数分别为022，（314）1CLRRLR02对于双E类逆变器，一般来说，所以，C21021，所以，虽然双E类逆变器工作在两个不同的谐振回路，但是由21Q于外加电容参数相同，所以谐振频率也相同，即。021033E类逆变器的设计和参数计算331品质因数品质因数以下简称Q值的大小直接影响槽路的工作波形。Q值越高，输出基波中谐波分量越少，槽路的选频特性越好，输出负载波形越接近于正弦波。但是，Q值太高，也会带来两点不利。首先，对于给定的负载，随着R值的增加，L高频扼流滤波电感值越大。随着L值的增大，在L上的功率扩散也将增加，整个逆变器的效率也将降低。另外，Q值大，可使开关管在开通前VDS降为零。但是，如果Q值太大的话，在开关管开通前VDS将为负值，也就是在MOSFET开通前先导通开关管反并的二极管，虽然这种开通过程电流的转换是从二极管到开关管，并不会带来什么损害。但是，如果在这期间，反向电流的时间或者值太高，二极管的导通将会增加开关损耗，降低逆变效率，并且增加开关应力，严重时还会导致开关管的损坏。但是如果Q值太小，在开关管开通前VDS没有降为零，也就是在开通前VDS0在开关管导通时旁路电容将通过开关管放电，其损耗为这样一也会降低了逆变效率，并且增力开关应力。在满足EFCDS21类放大器的基本工作的条件下，最小理论Q值为19。在实验中，考虑到非理想开关器件，也就是说工作过程中的开关损耗，电容、电感损耗，并且更好的抑制工作中高次谐波的干扰，在这里给出经验值Q47。332MOSFET的选择选择MOSFET主要考虑两个因数，额定电流和额定电压。因为MOSFET的过电压时间稍长就会被击穿，特别是对于E类放大器，在非理想状态时，MOSFET要承受44倍的直流侧电压，因此，在选择MOSFET时，选择电压额定值大于或等于4倍直流输入侧电压的MOSFET。而对于直流侧电压，如果输出功率一旦确定，主要是由负载阻抗来决定，也就是说，负载阻抗越大，因此，要求MOSFET的击穿电压越高。但是，我们不可能无限的寻求高击穿电压的MOSFET，特别是寻求一些低导通电阻（考虑到高效工作），低输入电容的MOSFET（这种MOSFET更加易于驱动）。因此，在这里，我们选择了高击穿电压而不考虑其导通电阻和输入电容的MOSFET。另一个不利的方面是对于一固定的频率和一定的输出功率，负载阻抗越大，工作电压就越高，旁路电容的值越小。特别是在高频情况下，旁路电容的值有可能小于MOSFET本身的寄生输出电容。因此，我们主要选择低电容值，高耐压的电容。槽路在谐振时，谐振电感、谐振电容所承受的电压峰值为直流侧输入电压的倍，因此选择其额定电压值大于或等于直流侧输入电压Q的倍。1而额定电流应该考虑流过该器件电流的额定值。对于MOSFET，在非理想状态下，流过MOSFET的电流峰值为直流侧的286倍，因此，我们选择其额定电流为直流侧3倍的MOSFET。从工作原理中可以看出，在MOSFET关断时，流过MOSFET的电流转移到旁路电容，在非理想状态下，其电流峰值也会为直流侧的286倍，因此，也要选择近3倍直流侧输入电流。而对于谐振电感、谐振电容的电流也为直流侧的3倍。510假定，是电路的工作频率，直流输入电流。通过F2DCIMOSFET的额定电流俄日（315）21021TIIDRMSD方程的解为（316）DCDSRMDII41762因此，在功率MOSFET上的功耗为（317）203ONDSCRIP其中，为MOSFET的通态电阻。ONDSR计算出来的额定电流值可以通过厂家提供的最大额定连续电流来选取MOSFET。333主电路参数计算谐振负载电路在前面已经说明。品质因数（这里一般为），Q74工作频率以及负载一旦确定，可参阅式（33）、（38）。设计时只需FR注意两个参数高频扼流滤波电感（RFC）与旁路电容的选择。如下所示高频扼流滤波电感（RFC）（318）120CFLD在这里，需要特别指出的是旁路电容C、选取，它的大小直接影响整个逆变器的工作状态最优状态与非最优状态。如果逆变器工作在最优状态，其输出功率为最大值。理论的分析推导方法文献14较为详细。在文献14中建议选取的旁路电容最小值为晶体管的寄生输出电容。但在实验中发现，此值只适合在超高频情况下的应用，如果频率不是太高，其寄生输出电容太小。应用此值会使开关管承受较大的电压应力，对管子的电压冲击比较大。不过，在这里文献14提供了一个最小电容值的计算公式。利用此公式，可以估算所需旁路电容最小值。也就是说，如果选取的旁路电容值比此值小的话，放大器的输入输出功率都会减少，因此，在这里给出了估算最小旁路电容值的计算公式34。此公式的具体推导方法可以从文献31查阅。319COSFVPC2MAXIN7419其中，为最大输出功率。F为逆变器工作频率。VCC直流侧输入MAXOP电压。另外，在这里给出了E类放大器旁路电容的经典计算公式35。其中旁路电容的计算值包括开关管的寄生输出电容，在实际应用中应该减去MOSFET本身的寄生输出电容。其经典计算公式如353204810213602QFRCS双E类逆变器旁路电容值为E类逆变器的两倍，其旁路电容值为（321）1221F34控制电路设计设计控制电路，使双E类逆变器输出为正弦波，输出电压与输出电流达到谐振状态。具体原理为从输出采样信号，因为输出信号是交流信号，所以采样信号经过不控整流并滤波，得到一个直流信号。它分别给了两个比较器的同相输入端和反相输入端，与给定的幅值为10V，频率为1MHZ的三角波进行比较，得到两路相反的脉冲，对两个MOSFET进行控制。根据输出电压的变化，通过反馈改变两个MOSFET的驱动脉冲，从而改变MOSFET开通与关断，进一步控制输出，使逆变器工作在谐振状态。VVVSSVCCVOCR1R2R3R4图32比较器电路图比较器电路图如图32所示。型号为LM339其传输特性如图33所示VOHVOL0VREFVI/VVO/V图33比较器传输特性双E类逆变器电路总体设计电路图如图34所示图34双E类逆变器设计电路图本章小结本章主要是对双E类逆变器进行设计，分析了基本谐振电路，E类逆变器的谐振频率。对E类逆变器电路参数进行了设计，并给出了双E类逆变器的闭环控制电路。第4章实验仿真本文所设计的双E类放大器是一种基于E类放大器的新型逆变器。相对于传统的E类放大器，这种逆变器是一种推挽式E类放大器7这里简称双E类变器。逆变器的开关管共同承担输入电压的峰峰值，交替为负载提供高频电流，使其输出功率可提高4倍。为减小流过开关管的电流并提高输出功率，采用两只MOSFET并联实现。各元件参数为直流输入电压40V，高频扼流滤波电感，谐振电容HL521，谐振电感，槽路中的负载为。考虑到两个NFCR57LR57MOSFET并联后其输出电容会增大，故选取的旁路电容比单个MOSFET时的要小，这里。仿真实验电路如图41所示。NFC21图41双管并联双E类逆变器41E类逆变器的调试由于实际电路中，电路元件的实际参数往往和设计参数不是完全一致，有可能使E类逆变器不是工作在最佳状态，往往还需要经过一定的调试过程才能使电路工作在最佳状态，下面介绍E类逆变器的调试过程。图42是E类逆变器典型的失调波形，由上图可以看出，开关管SV不是在零电压下开通，因而会对开关管造成很大的电流冲击，严重时有可能损坏开关管，开关管是不能在这种状态下工作的。图42E类逆变器失调波形SV由上图可以看出，要想开关管在零电压条件下开通，关键是调节拐点的位置，主要从两方面调节，一方面是调节拐点的水平位置，使拐点恰好发生在开关管导通时；另一方面是调节拐点的垂直位置，使发生拐点时，恰好为零。6SV图43是调节E类逆变器负载的各元件对E类逆变器的工作状态的影响效果图。图43各元件对工作状态的影响从上图可以看出，E类逆变器能否零电压开通与开关管关断时的谐振网络密切相关，从上面的分析我们可以知道，开关管关断时，谐振网络由组成，下面我们具体分析它们对电路的影响。RCL,211、当增大时，拐点的水平位置会向右移，垂直位置向下移。2反之则向相反的方向移动。2、当增加时，拐点的水平位置将会向右移，垂直位置向上移。1反之则向相反方向移动。3、当增加电阻时，拐点的垂直位置会向上移，反之则向相反方向R移动。下面简单介绍E类逆变器的调试过程中的注意事项1、工作频率的调节。我们可以在一定范围内通过调节开关频率调节输出电压，频率降低，输出电压增加，频率增高，输出电压减少，频率调节的范围和谐振网络的品质因数有关，品质因数越高，调节一定的Q输出电压所需的频率范围就越小，但品质因数不能太高，否则E逆变器的效率就会降低。2、开关占空比的调节。一般定05，这时的输出功率最大，输出的谐波也较少，但也可以根据实际情况在一定范围内调节占空比，占空比不能过大，占空比越大，开关管上的峰值电压就越高，尤其在空载的时候。占空比也不能过小，占空比过小，开关管的峰值电流就越大。一般占空比的调节范围在04到06之间。3、元件参数的调节。在实际电路的调试中，往往需要同时调节多个电路元件参数才能将电路调整到最佳状态，并达到设计要求。42仿真波形1、驱动脉冲和开关管M3两端的电压、电流波形图44驱动脉冲和开关管M3两端的电压、电流波形当开关管M3由关断到开通时，流过开关管M3的电流为零。当开关管M3由开通到关断时，其两端的电压值为零，实现了软开关功能，减小了开关损耗。2、驱动脉冲和流过M1的电流、C1电流图45驱动脉冲和M1的电流、C1的电流3、输出电压、电流波形图46输出电压、电流波形图46是负载电压与电流波形，通过控制开关管的开关频率，使输出的电压与电流达到谐振状态。4、整流波形图47输出电压和整流后的电压图47是输出电压波形和经过不控整流桥整流后的电压波形。输出的正弦交流电压，在经过不控整流桥整流以后，得到直流电压。5、驱动脉冲波形图48驱动脉冲经不控整流得到的直流信号与给定的幅值为10V，频率为1MHZ的三角波信号进行比较，得到方波信号，用来驱动MOS管。本章小结本章主要说明的是闭环电路的仿真。根据电路原理对设计的闭环控制电路利用PSPICE进行仿真。观察仿出的波形，调整电路中元件的参数，使电路工作在最佳状态或准最佳状态。结论感应加热电源以其环保、节能等优点在工业生产中得到了广泛的应用，由于E类逆变器可以在很高的频率下保持很高的效率，可以得到很好的正弦波，在工业生产中得到越来越多的应用。由于E类逆变器的一些缺点，用双E类逆变器可以在开关管上承受同样大的电压应力的情况下，只需在原有的E类逆变器的基础上适当改变电路，即可使原有的输出功率提高4倍。这种拓扑结构在原有频率不变的情况下，极大提高了输出功率。本论文主要进行双E类逆变器的研究工作，分析双E类逆变器的工作状态，解决双E类逆变器工作频率对负载谐振频率的跟踪、逆变工作状态的控制设计，对控制策略进行了分析和设计，得出仿真结果。本论文的主要工作如下1、说明了感应加热的原理，分析了国内外发展现状。2、分析了E类逆变器电路的工作原理和双E类逆变器电路的工作原理。3、分析了串联谐振电路的情况以及双E类逆变器的负载谐振频率。并给出了双E类逆变器的参数计算方法。4、设计了双E类逆变器的闭环控制电路，并对其进行了仿真。在基于以上工作的基础上，今后还需对如下几个方面的问题进一步研究1、为使输出功率提高，需进一步研究多个MOS管并联时的情况。2、在失调状态下，开关管两端的电压没有谐振到零就开通，所以不是零电压开通，而且由于并联在开关管两端的电容容量较大，这时在电容上还存在的正向电压直接对导通的开关管放电，会对开关管造成很大的电流冲击，不仅这时的开通损耗很大，而且严重的时候还有可能损坏开关管。这就要求我们要彻底的研究双E类逆变电路，并给出准确快速的控制电路，避免这种情况的发生。参考文献1沈旭，吴兆麟，等，20KW/300KHZ高频感应加热电源，电力电子技术，30（2）1996，10132余岳辉，大功率电力电子器件的线发展，电源技术应用，1999（3）3沈锦飞，惠晶，吴雷，E类高频谐振DC/AC变换器J，电力电子技术，2002,36（6）4刘锋，王华民，刘庆丰，孔令枝，一种新型逆变器的分析与设计J电力电子技术，2004,38（4）5苏娟高频功率MOSFET驱动电路及并联特性研究西安理工大学硕士论文6李永平,董欣，PSPICE电路设计与实现，国防工业出版社，20057张长法，刘锋，一种适应于感应加热用新型逆变器，制造业自动化，2004，2616198毛鸿、王翔，CD4046集成所相环在感应加热电源中的应用。电子技术应用，19971051529王华民，李朝阳，锁相技术在感应加热电源中的应用，西安理工大学学报，1999，15525510何广敏，赵万生，王致良影响MOSFET开关速度的因素分析机械与电子2000（1）11SHINCHLIFFEANDHOBSON,HIGHPOWERCLASSEAMPLIFIERFORHIGHFREQUENCYINDUCTIONHEATINGAPPLICATIONS,IEEEPROCEEDINGSOFELECTRONICPOWERAPPLICATIONS,1988,241488688812LEED,HYUNHYBRIDCONTROLSCHEMEOFACTIVECLAMPEDCLASSEINVERTERWITHINDUCTIONHEATINGJARFORHIGHPOWERAPPLICATION,ELECTRONICPOWERAPPLICATIONJ,IEEEPROCEEDINGS,2004,151670471013SOKAL,NO,ANDSOKAL,ADCLASSEANEWCLASSOFHIGHEFFICIENCYTUNEDSINGLEENDEDSWITCHINGPOWERAMPLIFIERS,IEEEJSOLIDSTATECIRCUITS,1975,SC10,PP16817614YAMYO,ANDLICH”OPTIMUNPERFORMANCEOFCLASSEAMPLIFIERWITHINDUCTIVECOMPENSATION”PROC1993ASIAPACIFICMICROWAVECONFAPMC92,1993,TAIWANPP75375615李爱文，张承慧现代逆变技术及其应用北京；科学技术出版社，200016陶永华，一种新型功率MOSFET逆变器的研究电力电子技术1997（5）；2528致谢本论文的工作是在我的导师老师的悉心指导下完成的，王老师严谨的治学态度和科学的工作方法给了我很大的帮助和影响。在此衷心感谢这一学期王老师对我的关心和指导。王老师悉心指导我完成了本次毕业设计的工作，在学习和生活上都给予了我很大的关心和帮助，在此向王老师表示衷心的谢意。在此次完成毕业设计期间，我的同学对我顺利完成毕业设计也给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。附录1燕山大学本科毕业设计（论文）开题报告课题名称双E类逆变器拓扑电路仿真研究学院（系）年级专业08应用电子2班学生姓名指导教师完成日期2012年3月19日一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义感应加热技术是20世纪初才开始应用于工业部门的，它是通过电磁感应原理及利用涡流对工件进行加热。由于感应加热具有加热速度快、物料内部发热和热效率高、加热均匀且具有选择性、产品质量好、几乎无污染、可控性好及易于实现生产自动化等一系列优点，因而近年来得到了迅速发展。目前，感应加热已广泛应用于铸造熔炼、锻造毛坯加热、钢管弯曲、金属表面热处理、焊接、粉末冶金等行业中。众所周知，以上这些行业中的传统加热方法大多是以煤、油、气为能源或箱式电炉加热，存在能耗高、劳动条件差、环境污染严重、工艺质量难以控制等缺陷，严重制约了我国机械工业的发展。因此，全面推广感应加热技术，是改造我国传统产业的必然趋势，而此技术的发展与感应加热电源水平密切相关。目前，感应加热电源DC/AC逆变器一般采用桥式谐振电路。其优点是便于采用软开关技术，大大减少半导体功率器件开通和关断损耗。其缺点是电路中为防止上下桥臂直通而设置的死区时间使开关频率的增加收到限制，同时高频工作时由于功率器件数目多而造成开关损耗急剧上升。所以近年来，E类逆变电源在高频和超高频感应加热中的应用比较广泛。1975年，SOKAL提出的高频高效E类放大器，由于采用软开关工作方式，固其逆变工作频率高，效率理论值可达100，这个优异特点让它得到很大的发展。E类逆变器工作时，开关管承受35倍直流母线的电压应力，其直流侧输入电压收到了限制，以至限制了整个逆变器的输出功率。采用双E类逆变器，在开关管上承受同样大的电压应力的情况下，只需在原有的E类逆变器的基础上改变控制电路，两个开关管共同承担输入电压的峰值，交替为负载提供高频电流，即可使输出功率提高到原来的4倍。这种拓扑结构在原有频率不变的情况下，极大提高了输出功率，对下一步研究大功率逆变电源提供了广阔的前景。二、研究的基本内容，拟解决的主要问题对于感应加热的逆变器，提高开关管的效率是非常重要的，如果能够将开关管的效率由80提高到90，我们就可以将开关管上的功率损耗降低一半，这就允许我们可以将输出功率加倍，可以将开关管的散热片的体积和重量减半，可以降低开关管的温升，减少开关管损坏的可能性，提高设备的可靠性。现在随着能源消耗的不断增长，对能源的需求越来越大，提高功率变换器的效率，就可以显著的降低能源消耗，从而降低生产成本。感应加热电源由于其诸多优点，在工业上已得到越来越广泛的应用。MOSFET等新型快速自关断器件的出现，为高频感应加热电源的实现提供了元件基础。本文主要针对频率为MHZ情况下采用功率MOSFET为主器件的双E类逆变器拓扑电路进行研究，并设计驱动控制电路对开关管进行控制，然后利用仿真软件PSPICE进行仿真。本次毕业设计拟解决的主要问题是1、如何提高MOSFET的开关频率；2、为了提高整机的输出容量，MOSFET可以并联运行。在并联运行时需要考虑电流的均衡问题；3、设计合理的驱动控制电路；4、利用PSPICE进行仿真，验证可行性。三、研究步骤、方法及措施首先查阅资料以及相关文献，了解双E类逆变器的应用范围，发展情况，以及基本工作原理等，对设计有初步了解，然后设计总体方案。接下来具体设计与研究。掌握E类逆变器的工作原理，弄清其优缺点，采用双E类逆变器解决其不足之处。并掌握双E类逆变器的工作原理，了解MOSFET的开关特性，研究如何提高MOSFET的开关频率，如何降低MOSFET的高频开关损耗，解决双管并联时电流的均衡问题；根据要求计算各参数，选择合理的器件。根据所选的MOSFET，设计合理的驱动电路，对开关管进行驱动控制，并计算各参数数值，选择器件。最后根据所计算的参数，利用PSPICE软件进行仿真，验证所设计方案是否可行。四、研究工作进度第一、二周查阅资料，阅读文献；第三、四周总体方案设计，完成开题报告；第五、六周设计主电路，计算电路参数；第七、八周设计控制及驱动电路，计算电路参数；第九十一周进行仿真，验证可行性；第十二十五周画A0图纸，撰写