零电压切换感应加热器的研制.doc

零电压切换感应加热器的研制 系 所：電機工程學系系 指導老師： 朱慶隆 教授 專題學生： 49528041 周哲緯 49528030 蔡奇謀 49528025 梁傳峻中 華 民 國 九 十 八 年 六 月具自動鎖頻之電壓換感應加熱器研製專題學生：周哲緯、蔡奇謀、梁傳峻指導老師：朱慶隆 博士南台科技大學 電機工程學系6摘要本文提出一具自動鎖頻之零電壓脈波寬度調變(pwm)切換之共振感應加熱器，輸入由市電經橋式整流得一直流電源，並利用電感與串聯電容產生共振而使功率開關操作於零電壓。為了達到任何電感與串聯電容的參數變化誤差，皆能使操作在脈波寬度調變之功率開關切換於零電壓。本文設計了自動鎖頻(afc)電路，藉由檢測電感兩端電壓訊號，控制三角波之重置時間，改變脈波寬度調變之頻率，使功率開關可以操作於零電壓導通。關鍵字：自動鎖頻、lc共振、脈波寬度調變(pwm)abstractin this paper, a zero-voltage-switching pulse-width- modulated (zvs-pwm) induction heater with automatic frequency control (afc) is proposed. a dc source is obtained from ac utility system through a full bridge rectifier. due to the resonant of the inductor and capacitor, the main switch can be operated under zvs. an afc circuit is designed for making sure the pwm main switch can be operated under zvs at every switching period no matter the variation of the parameters of the resonant of the inductor and capacitor. according to the voltage of the inductor, the reset time of the triangle wave is controlled and reset. the frequency of the pwm is changed and locked for getting the main switch under zvs at every switching period.keywords: automatic frequency control (afc), lc resonance, pulse width modulation (pwm)i. 前言 近年來國際社會吹起了節能減碳的風潮，節約能源是全球皆在努力的目標。節約能源，提高能源利用效率，在保護和環境改善，與促進經濟社會全面協調可持續發展要務。而許多人都在尋找以最少的能量可以產生最大的熱能，過去要使溫度快速提升多使用一些低效率的加熱線圈，而在加熱過程中浪費了不少能源1，能量利用率欠佳。感應加熱時間短、速度快、電力消耗少，且採用非接觸式的加熱方式，在電力電子產業的迅速發展，在體積、重量以及可靠性都有多方向的發展與空間2-6 。 本文所提出之具自動鎖頻之零電壓切換感應加熱器在功率元件上，採用mosfet作為主開關做切換，應用了共振原理使感應加熱，並且具有零電壓導通之特性波形以提升效率、減少切換損失。由於共振會產生零電壓之頻率無法與脈波寬度調變之頻率相對應造成切換損提高之缺點，因此於電路中設計了自動鎖頻之功能，藉由檢測電感兩端電壓訊號，控制鋸齒波之重置時間，改變脈波寬度調變之頻率使其同步，使mosfet主開關能切換於零電壓避免其損壞。ii. 主要內容一、 系統架構本文系統架構如圖1所示，輸入電源為交流市電ac110v，經過橋式整流器，獲得一穩定之直流電源，作為電路濾波之功用，用來穩定共振出來之波形與避免影響整流後之直流電源。控制電路以一個直流電壓（控制信號）與鋸齒波比較後產生脈波寬度調變（pwm），並利用功率開關晶體，使用光耦合隔離器pc-923做隔離保護，防止控制電路與主電路共地造成開關短路的影響，穩定脈波寬度調變（pwm）波形不會受主電路影響使功能正常。功率開關晶體接上mosfet當主開關切換，當脈波寬度調變（pwm）訊號導通時，主開關mosfet此時為導通，主電路的呈線性充電不導通，使主開關達到零電壓之切換，減少主開關mosfet的切換損失，達到高效率之功用；當脈波寬度調變訊號截止時，主開關mosfet此時為截止，呈現放電狀態對進行充電，直到經過零點，放電至功率開關之旁路二極體。本系統為了使主電路操作在一穩定的頻率上，故檢測電感兩端電壓訊號至控制電路比較後產生一脈衝波形控制鋸齒波之重置而產生自動鎖頻之功能。圖1 具零電壓切換之感應加熱器系統架構圖二、 脈波寬度調變說明 圖2所示為脈波寬度調變切換控制的方塊圖，主開關之切換信號由一控制信號與一週期為之鋸齒波比較而得。圖3所示為與比較所得之切換控制信號的圖形。當較大時，比較之結果為高準位使主開關導通，否則為低準位開關截止，故開關之切換週期亦為。以上原理可得知，開關之切換之責任週期(duty ratio)d為： (1)其中為鋸齒波之振幅7。切換頻率=(2)圖2 脈波寬度調變(pwm)之方塊圖圖3 脈波寬度調變之比較信號波形圖三、 零電壓與開關輸入電流分析圖4為零電壓共振電路圖8-9，利用開關並連共振，使主開關做零電壓切換，其中為開關旁並聯之寄生二極體。圖4 零電壓共振電路圖假設一開始時由開關導通，因此且。圖5及圖6所示分別為穩態下之波形與對應之電路狀態圖，其操作共可分成以下幾個區間：1. 狀態一之區間：圖5(a)中，當開關導通，線性上昇，不動作。 (3)經推導可得到與兩式(4)(5)將(4)(5)式作反拉普拉斯轉換(inverse laplace transform)可以得到：(6)(7)2. 狀態二之區間：圖5(b)中，當開關截止，放電至做充電動作；當時，下降放電，此時為與共振。 (8)將(8)式的時域轉到時域可得到： (9)經推導可得到與兩式(10)(11)將(10)(11)式作反拉普拉斯轉換(inverse laplace transform)可以得到： (12)(13)其中共振頻率= (14)特性阻抗= (15)3. 狀態三之區間：圖5(c)中，當開關尚未導通，由於導通負向之，倍箝制在0。線性上昇，由換向至由開關繼續流通，由於並聯電容之故，開關之截止為零電壓切換。圖5 (a) 狀態一；(b) 狀態二；(c) 狀態三圖6 共振產生之零電壓之理想波形圖四、 自動鎖頻電路分析 如圖7所示為自動鎖頻之方塊圖，當兩端迴授拉回自動鎖頻電路時，自動鎖頻電路接收到脈衝的訊號，經由電晶體放大與運算放大器(opa)比較電路把訊號與鋸齒波產生電路做箝制於固定頻率之功能，共振頻率將會與脈波寬度調變頻率同步。圖7 自動鎖頻電路方塊圖如圖8為動鎖頻對應時序之理想波形圖，抓迴授之波形，並與迴授比較，當電壓低於0時，產生迴授比較電壓波形接上pnp電晶體開關，當迴授電壓比較為導通時，pnp電晶體開關為截止，脈衝電壓為0，當迴授電壓為0時，pnp電晶體開關為導通，此時產生脈衝波形，影響重置鋸齒波之頻率，當脈衝波形產生，直接把鋸齒波強迫歸零重新啟動，箝制於脈衝波形頻率上使其控制電路與產生頻率同步。往後若改變之參數時只需有電感兩端電壓訊號迴授，使控制電路產生脈衝，即能重置鋸齒波之頻率，自動鎖頻之前提必須使頻率為。圖8 自動鎖頻對應時序之理想波形圖iii. 實驗結果一、 脈波寬度調變產生 脈波寬度調變切換控制，為開關之切換控制信號由一控制信號與一週期為之鋸齒波比較而得。與比較所得之切換控制信號如圖9中所示。當較大時，比較之結果為高準位使開關導通，否則為低準位開關截止。( , , , )圖9 與鋸齒波比較波形圖二、 共振之零電壓與開關輸入電流波形圖 圖10為所提出之具自動鎖頻之零電壓切換感應加熱器系統波形圖，控制電路產生之脈波寬度調變與電感兩端電壓訊號迴授至控制電路產生自動鎖頻，利用主開關mosfet，使共振產生出零電壓波形。當主開關mosfet為截止時，開始放電，電容持續上昇，與共振，當經過零點時，達到最高峰時，二極體開始導通，放電降至為零。當主開關mosfet為導通時，電感充電呈線性上昇，此時電壓呈現零電壓狀態。電感用線圈所圍繞，並且包覆金屬水管，利用共振原理，讓金屬導管產生熱能，使輸入的水感應加熱飲用。( , , , , )圖10 共振產生之零電壓之實驗波形圖三、 自動鎖頻電路波形圖圖11為自動鎖頻對應時序之實驗波形圖，兩端之跨壓，取迴授經比較電路後產生之方波波形，再經pnp接面電晶體作為開關產生一脈衝，將脈衝訊號與訊號經比較電路後之訊號傳回鋸齒波產生電路使其鋸齒波提前截止，將頻率控制在與頻率相同，達到共振頻率將會與脈波寬度調變頻率同步。( , , , , )圖11 自動鎖頻對應時序之實驗波形圖iv. 結論隨著工業快速的發展，對於各項金屬加工及半導體表面處理過程，期望能達到加熱迅速、精確，安全性高及高品質與低污染的要求，所以高頻感應加熱技術是在本世紀不可或缺的重要技術。因製作出零電壓使主開關mosfet於切換時的損失趨近於零，進而提升整體效率。因為電感的參數會隨溫度而改變，造成電路的共振頻率也會隨著改變，因此設計了自動鎖頻電路，使其驅動頻率自動追隨共振頻率，在取電感兩端電壓迴授訊號至比較器後產生脈衝波形，使鋸齒波被脈衝波重置而使鋸齒波與共振頻率同步。本文所運用的共振可以快速將想要加熱之物品比傳統的加熱系統有更快速到達需求溫度，經實驗結果也符合當初設定節能減碳之效果，此電路未來可將控制電路以微處理機取代類比電路，減少硬體體積，使在參數變動時更容易重置鋸齒波，或是其他應用如將更改成隔著鋁盤磁浮將水感應加熱或直接應用於水經過銅管與震盪產生感應加熱產生高溫使水沸騰。參考文獻1. 蘇卓盛，“應用於感應加熱的負載並聯共振電流型反流器設計與研製”，中原大學電機工程研究所碩士論文，民國91年。2. p. sergeant, u. adriano, l. dupre, o. bottauscio, m. de wulf, m. zucca, j. a. a. melkebeek, “passive and active electromagnetic shielding of induction heaters”, ieee transactions on magnetics, vol. 40, issue 2, part 2, pp. 6.3. peter sergeant, ugo adriano, luc dupr, oriano bottauscio, marc de wulf, mauro zucca, and jan a. a. melkebeek, “passive and 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