（电力电子与电力传动专业论文）单管超高频感应加热电源的研究.pdf

塑坚查兰堡主堂垡堡苎 a b s t r a c t b a s e do ne n g i n e e r i n gb a c k g r o u n do f t h es o l i ds t a t eh i g h f r e q u e n c y ( b f ) i n d u c t i o nh e a t i n g p o w e rs u p p l y ，o u t l i n e st h ed e v e l o p m e n t a n dt h es t a t u so f t h ei n d u c t i o nh e a t i n gt e c h n i q u e ，a n a l y z e a n dc o m p a r e st h et o p o l o g i e so f s e v e r a lk i n d so f i n d u c t i o nh e a t i n gp o w e rs u p p l y ，f o c u so n t h e c o n t r o lt h e o r ya n dd r i v i n gc i r c u i to f c l a s ses i n g l e s w i t c hi n d u c t i o nh e a t i n g i n v e r t e r a n dg i v e t h ef i n a ld e s i g n c h a p t e r1g i v e sa b r i e fi n t r o d u c t i o nt ot h eb a s i ct h e o r yo fi n d u c t i o nh e m i n g ，t h e no u t l i n e s t h ed e v e l o p m e n ta n dt h es t a t u so ft h ei n d u c t i o nh e m i n gt e c h n i q u e ，a n dp r e s e n t s t h em a i nc o n t e n t o f t h i sp a p e r c h a p t e r2c o m p a r e st h ed i f f e r e n c eo f t l l em l l b r i d g ec o n v e r t e r ，h a l f - b r i d g ec o n v e r t e ra n d t h es i n g l e s w i t c hc o n v e r t e ru s e di ni n d u c t i o nh e a t i n gp o w e r ，a n dg i v eas p e c i a lf o c u so ns e v e r a l k i n d so f s i n g l e s w i t c hc o n v e r t e r s t h e nt h em e t h o d s o f p o w e r m o d u l a t i o nu s e di ns i n g l es w i s h i n d u c t i o nh e a t i n gp o w e r i sd i s c u s s e d c h a p t e r3a n a l y z e s t h eh i g h f r e q u e n c yc h a r a c t e ro f p o w e r a n d p o w e r l e s sc o m p o n e n t s ， c h o o s e s 也es u i t a b l ec o m p o n e n t s u s e di nh i g h - f r e q u e n c yt b f ) i n d u c t i o nh e a t i n gp o w e rs u p p l y c h a p e r 4 a n a l y z e s t h ew o r k i n g t h e o r y o f c l a s se t o p o l o g y i nd e t a i l ，a n dr e s e a r c ho ns e v e r a l d a r 锄e t e r ，si n f l u e n c e st oc i r c u i t o nt h eb a s i so f a n a l y s i s ，p r o v i d e s t h ec l o s e dl o o pt h e o r yo f c l a s sea n dr e a s o n i n gi t sp o s s i b i l i t y c h a p t e r5g i v e s t h eo u t l i n eo ft h ew h o l ep r o j e c t ，a n a l y z e s t h ei m p o r t a n td r i v i n ga n d c o n t m l l i n gp a r to f t h i sp r o j e c t a n d g i v e st h e i rf i n a ld e s i g n a n dg i v e s t h er e s u l to f t h e e x p e r i m e n t a tt h ee n do f t h i sp a p e r ，ab r i e f s u m m a t i o n f o rt h ew h o l ed i s s e r t a t i o ni sg i v e n k e y w o r d s ：i n d u c t i o nh e a t i n g ，c l a s sei n v e r t e r , c l o s e dl o o p c o n t r o l 2 浙江大学硕士学位论文 第一章概述 1 1 感应加热的基本知识 1 1 1 感应加热的发展简史和用途 感应电热设备又通称感应电炉，主要包括感应熔炼设备和感应加热设备两大类。 人们早在1 9 世纪初就发现了电磁感应现象。知道处于交变磁场中的导体内会产生感应 电流而引起导体发热。但是，长期以来人们视这种发热为损耗，并为保护电气设备和 提高效率而千方百计的减少这种发热。直到1 9 世纪末起人们才开始开发和利用这种热 源进行有目的的加热一熔炼、热处理、压力加工前的透热和其他加热，随之出现了各 种形式的感应加热设备。 表1 1 感应加热电源的应用领域 应用部门主要用途 黑色、有色金属的冶炼和保( 升) 温：金属材料的热处理；冷 冶金坩埚熔炼、区域熔炼、悬浮熔炼等制取超纯材料；锻造、挤压、 轧制等型材生产的透热：焊管生产的焊缝。 黑色和有色金属零件的铸造和精密铸造金属的熔炼；机器零件 的淬火，特别是表面淬火以及淬火后的回火、退火和正火等热 机械制造处理的加热：化学热处理的感应加热：压力加工( 锻、挤、轧 等) 前的透热，特别是模锻、精锻等：钎焊；对焊；硬质合金 的熔焊；金属涂层及其他场合的加热烘干；热装配等。 轻工罐头封口加热、合成纤维生产中间接加热等。 化学反应釜等容器加热、输油管道焊接缝现场退火，输油管路 石油、化工 的保温等。 电子电子管生产中的真空除气时的加热等。 1 8 9 0 年瑞典人发明了第1 台感应熔炼炉一开槽式有芯炉，1 9 1 6 年美国人制造出闭 槽式有芯炉，用于有色金属的冶炼，1 9 2 1 年无芯炉在美国出现，采用火花式中频电源， 后来出现了中频机组电源和现在的晶闸管变频电源。工频炉产生于2 0 世纪3 0 年代， 浙江大学硕士学位论文 高频电源，倍频电源等也由于不同的工艺要求而相继出现。感应加热装置最早使用于 表面热处理，以后普及焊接领域和各种透热场合。现在感应加热技术已广泛应用于国 民经济的各个领域，如表1 1 。自工业上开始应用感应加热能源以来，已过去1 0 0 多年， 在这期间感应加热的理论和感应加热装置都有很大的发展，感应加热的应用领域亦随 之扩大，其应用范围越来越广。究其原因，主要是感应加热具有如下一些特点： 1 加热温度高，而且是非接触式加热： 2 加热效率高，可以节能； 3 加热速度快，被加热物的表面氧化少； 4 温度容易控制，产品质量稳定，省能； 5 可以局部加热，产品质量好，节能； 6 容易实现自动控制，省力； 7 作业环境好，几乎没有热，噪声和灰尘； 8 作业占地少，生产效率高； 9 能加热形状复杂的工件； 1 0 工作容易加热均匀，产品质量好。 在应用领域方面，感应加热可用于金属熔炼、透热、热处理和焊接等过程，已成 为冶金、国防、机械加工等部门及铸、锻和船舶、飞机汽车制造业等不可缺少的能源。 此外，感应加热已经或不断地进入到人们的家庭生活中，例如微波炉、电磁炉、热水 器等都可以用感应加热作为能源。 1 1 2 感应加热的原理 1 1 2 1 电磁感应与感应加热 m i c h a e lf a r a d y 于1 8 3 1 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。 感应加热的原理图如图1 1 所示： 浙江大学硕士学位论文 。f 图1 1 感应加热的原理图 如上图，当感应线圈上通以交变的电流z 时，线圈内部会产生相同频率的交变磁通 ，交变磁通又会在金属工件中产生感应电势p 。根据m a x w e l l 电磁方程式，感 应电动势的大小为： e ：韭( 卜1 ) 甜 式中n 是线圈匝数，假如庐是按正弦规律变化的，则有： 妒= m s i n e t 那么可得到感应电动势为： e = o c o s w 因此感应电动势的有效值为： e = 警- 4 4 4 胁 ( 1 2 ) ( 1 3 ) ( 1 4 ) 由此可见，感应加热是靠感应线圈把电能传递给要加热的金属，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) z ，使工件加热。其焦耳热为： 浙江大学硕士学位论文 q 2 0 2 4 1 2 r t ( 1 5 ) 式中，q ：电流通过电阻产生的热量( j ) ； ：电流有效值( a ) ； r ：工件的等效电阻( n ) ； ，：工件通电的时间( s ) 。 由式( 1 - 4 ) 可以看出，感应电势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，涡流的大小与金属的截面大小、截面形状、导电率、 导磁率以及透入深度有关。 1 1 - 2 2 透入深度与集肤效应 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，其衰减大致呈指数规律变化。工程上通常是这样规定的，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0 3 6 8 倍时，该处到表面的距离d 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d 内。 透入深度j 可用下式来表示： 踮5 0 3 0 1 治 “。6 式中，p ：导体材料的电阻率( q c m ) ； r ：导体材料的相对磁导率； ：电流频率( h z ) 。 分析一下式( 1 - 6 ) ，当材料的电阻率p ，相对磁导率“r 确定以后，透入深度占仅 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，工作的透热厚 度就越薄，这种特性在金属热处理中得到了广泛的应用，如淬火、热处理等。 1 2 电力电子器件的发展概况 浙江大学硕士学位论文 整流管产生于本世纪4 0 年代，是电力电子器件中结构最简单、使用最广泛的一种 器件。目前已形成普通整流管、快恢复整流管和肖特基整流管等三种主要类型。普通 整流管多用于牵引、充电、电镀等对转换速度要求不高的装置中。快恢复整流管主要 用于斩波、逆变等电路中充当旁路二极管或阻塞二极管。肖特基整流管常用于高频低 压仪表和开关电源。目前的研制水平为：普通整流管( 8 0 0 0 v 5 0 0 0 a 4 0 0 h z ) ；快恢复 整流管( 6 0 0 0 v 1 2 0 0 a 1 0 0 0 h z ) ：肖特基整流管( 1 0 0 0 v 1 0 0 a 2 0 0 k h z ) 。目前，人们已 通过新颖结构的设计和大规模集成电路制作工艺的运用，研制出集p i n 整流管和肖特 基整流管的优点于一体的具有m p s 、s p e e d 和s s d 等结构的新型高压快恢复整流管。它 们的通态压降为1 v 左右，反向恢复峰值电流为p i n 整流管的i 3 ，反向恢复时间为p i n 整流管的1 2 ，因此具有良好的高频特性。 1 9 5 7 年，美国研制出世界上第一只普通的( 4 0 0 h z 以下) 反向阻断型可控硅，后 称晶闸管( s c r ) 。经过6 0 年代的工艺完善和应用开发，到了7 0 年代晶闸管已形成从 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( a s c r ) 、逆导晶闸管( r c t ) 、双向晶闸管( t r i a c ) 、门极辅 助关断晶闸管( g a t t ) 、光控晶闸管( l a s c r ) 以及8 0 年代迅速发展起来的可关断晶 闸管( g t o ) 。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 大地提高了，同时也使工业噪声得到一定程度的控制。目前高压大电流晶闸管有 p o w e r e x 推出的用于高压交流开关和静止无功发生器用的1 2 0 0 0 r 1 5 0 0 a 和 6 5 0 0 v 4 0 0 0 a 的晶闸管( b ! ! e ；z ! 旦! ：e ! e ! ：! ! 翌) a 7 0 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( p o w e rm o s f e t ) 开始进入实用阶段。进入8 0 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 ( v d m o s ) 。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( 几乎不存在二次击穿问题) 、漏极电流为负温度特性( 易并联) 、 浙江大学硕士学位论文 输入阻抗高等优点，是一种场控型自关断器件，是目前电力电子技术赖以发展的主要 器件之一。i o o a i o o o v 的v d m o s 已商品化，研制水平达2 5 0 a 1 0 0 0 v ，其电流的容量还 有继续增大的趋势。尽管v d m o s 器件的开关速度非常快，但其导通电阻与u “6 成正比， 导通损耗大。因此目前出现了一些新型的m o s f e t ( 1 k v 2 a 2 m h z 和6 0 v 2 0 0 a 2 m h z l ， 它具有导通电阻低，适宜在超高频情况下工作的特点。 8 0 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m o s 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。目前被认为最有发展前途的复合器件是绝缘栅双极型晶体管i g b t ( i n s u l a t e g a t eb i p o l a r t r a n s i s t o r ) 和i d 0 s 栅控晶闸管b l c t ( m o sc o n t r o l l e dt h y r i s t o r ) 。i g b t 于1 9 8 2 年在美国率先研制出样品，1 9 8 5 年开始投产。目前最高电压已达4 5 0 0 v ，最大电流可 为1 8 0 0 a 。m c t 是8 0 年代后期出现的另一种比较理想的器件，目前研制水平为 3 0 0 a 2 0 0 0 v ，i 0 0 0 a 1 0 0 0 v ，最高电压达3 0 0 0 v 。 8 0 年代期间发展起来的静电感应晶体管s i t ( s t a t i ci n d u c t i o nt r a n s i s t o r ) 和静电感应 晶闸管s i t h ( s t a t i ci n d u c t i o nt h y r i s t o r ) 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。 从电力电子器件的发展概况和近代的一些发展可以看出现代新型电力电子器件的 发展趋势为：一、集成化，高密度化。为了提高功率开关器件的性能，几乎所有的全 控型器件都由许多单元胞管子并联组成，也就是一个功率器件是由众多自器件集成： 如一只3 0 0 a 的静电感应晶闸管s i t h 含有5 万个器件，一只1 0 0 0 a 的g t o 则由近千单 元g t o 并联而成。二、高频化。提高主功率变换器件的开关速度，可明显减少磁性变 压器材料和大容量电解电容的体积，重量。从而出现了几千赫的低频高压大电流g t o ， g t r 以及数百千赫的m o s f e t ，数兆赫的s i t 。三、大容量化，模块化。如功率m o s f e t 已有6 0 0 a 1 8 0 0 v 和1 0 0 0 a 3 0 0 0 v ，1 0 0 0 a 3 0 0 0 v ，5 0 k h z 的i g b t 。四、模块扩容。如晶 闸管1 0 0 0 a 1 2 0 0 0 v ，8 0 0 0 a 8 0 0 0 v 。五、采用最新的半导体材料。碳化硅，砷化镓，金 刚石片等，使电力电子器件的性能更加优越，可靠性更高。如合成金刚石的电力m o s f e t 工作频率比硅器件高5 0 倍，功率容量大几百倍以上，导通压降低一个数量级，工作结 温可达6 0 0 摄氏度。 浙江大学硕士学位论文 1 3 国际国内感应加热技术现状 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与发展，使感应加热技术和现代化生产许多 方面密切相关，发挥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。 1 3 1 国外感应加热技术现状 低频感应加热的特点是透热深度深、工件径向温差小，因此热应力小，因此的工 件变形小，比较适合大型工件的整体透热、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( 1 5 0 1 0 k h z ) 范围内，晶闸管感应加热装置已完全取代了传统的中频发电 机组和电磁倍频器，国外的装置容量己达数十兆瓦。 在超音频( 1 0 1 0 0 k h z ) 范围内，早期基本是空白，晶闸管出现以后，度曾采用 晶闸管以时间分割电路和倍频电路构成的超音频电源。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g t o 、g t r 、m c t 、i g b t 、b s i t 和 s i t h ) 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 i g b t 应用最为普遍，这是因i g b t 使用起来方便可靠，很受电路设计者的欢迎。1 9 9 4 年日本采用i g b t 研制出了1 2 0 0 k w 5 0 k h z 的电流型感应加热电源，逆变器工作于零电 压开关状态，实现了微机控制。西班牙在1 9 9 3 年也已经报道了3 6 0 0 k w 1 0 0 k h z 的 i g b t 电流型感应加热电源，欧、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。 在高频( 1 0 0 k h z 以j 2 ) 领域，国外目前正处于从传统的电子管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5 1 2 0 0 k w 1 0 0 5 0 0 k h z ，而其采 用s i t 的固态高频感应加热电源的水平可达4 0 0 k w 4 0 0 k h z ，并且在1 9 8 7 年就已开始研制 浙江大学硕士学位论文 1 2 0 0 k w 2 0 0 k h z 的s i t 电源。欧美各国采用m o s f e t 的高频感应加热电源的容量正在突飞猛 进，例如西班牙采用m o s f e t 的电流型感应加热电源的制造水平可达6 0 0 k w 2 0 0 k h z ，德国 的电子管高频电源水平约为1 1 0 0 k w ，而其在1 9 8 9 年研制的电流型m o s f e t 感应加热电源的 容量已达4 8 0 k w 5 0 2 0 0 k h z ，比利时的i n d u c t oe l p h i a c 公司生产的电流型m o s f e t 感应加 热电源的水平可达1 m w 1 5 6 0 0 k h z ，美国应达公司的网页上最近可以看到他们已经推出 2 0 0 0 k w 4 0 0 k h z 的m o s f e t 高频感应加热电源。从相关文献看到国际上以m o s f e t 管为开 关元件的5 0 0 w 4 m h z 的单管逆变电源，1 0 0 w 7 m h z 的单管逆变电源。 1 3 2 国内感应加热技术现状 我国感应加热技术从5 0 年代开始就被广泛应用于工业生产当中。6 0 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5 0 0 8 0 0 0 h z l o o 3 0 0 0 k w 的系列化产品。但国产中频电源大多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逆变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5 0 k w 5 0 k h z 的超音频电源，采用时间分隔电路研制了3 0 k h z 的晶闸管超音频电源。 从九十年代开始，国内采用i g b t 研制超音频电源。浙江大学研制开发的5 0 k w 5 0 k h z 的i g b t 超音频电源已经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5 0 0 k w 5 0 k h z ，与国外的水平相比还有一定的差距。 国内高频领域的研究起步较晚，在国内文献中提到应用m o s f e t 管为开关元件的 2 m h z l k w 超高频感应加热电源。 今后的发展趋势主要有阻下几个方面：1 功率半导体器件的大容量化、高频化将带动 感应加热电源的大容量化和高频化。2 随着感应加热热处理生产线自动化程度及电源可靠 性要求的提高，感应加热电源向智能化发展。3 高频化后从电路拓扑和器件特性等方面考 虑的电源效率进一步提高。 1 4 本文的主要工作 浙江大学硕士学位论文 本文基于单管感应加热电源拓扑选择的标准，对桥式感应加热电源与半桥式感应加热 电源的电路拓扑结构及各种单管感应加热电源拓扑进行了比较，选择出适合高频小功率工 作的电路拓扑。针对e 类逆变电源提出了其闭环控制方式以适应感应加热的实际工况。在对 e 类逆变电源的工作状态的分析基础上，对高频工作情况下驱动方式进行了讨论，并给出了 最后的方案。 浙江大学硕士学位论文 第二章单管高频感应加热电源拓扑的选择 2 1 全桥、半桥与单管逆变器的分析比较 典型的感应加热电源以电磁炉为例，其系统框图如图2 1 。最为经常使用的逆变器 拓扑有全桥，半桥和两种单管逆变器拓扑z v s 和z c s 拓扑。逆变器的设计指标包括： 输入电压，输出的最大与最小功率，开关频率。逆变器的性能特点包括：器件的最大 耐压。耐流值，电路的工作效率，输出功率的频率控制和电磁干扰情况。 为比较不同的拓扑的性能特点，提供相同的设计指标如下： ( 1 ) 相同的输入电压1 0 0 v 和2 3 0 v 。 ( 2 ) 最大的输出功率3 k w 和l k w 。 ( 3 ) 要求最小的输出功率分别为最大输出功率的2 5 。 ( 4 ) 最大输出功率时开关频率为2 0 0 k h z ，并且开关频率随着功率的下降而降低。 ( 5 ) 假设负载的品质因数为q ，其定义式如下： 0 ：，2 , f l ：1 0( 2 1 ) 孙轴妒 图2 1 感应加热的系统框图 2 1 1 逆变器拓扑的分析 ( a ) 全桥逆变器 全桥逆变器的控制方式最为完善，在此讨论的是l r c 串联谐振全桥逆变器如图2 2 要输出功率最大即负载电压的有效值最高，此时输出的负载电压为方波，各次谐波的 分解值如式( 2 - 2 ) ；要满足负载品质因数要求则需开关频率与负载的谐振频率相同， 1 0 浙扛大学硕士学位论文 负载谐振频率的表达式如式( 2 - 3 ) 。其主要波形图如图2 3 。 ：一一一一v l o a di 一一 i ! v i r t 、 i i 夕八i o 。j 澎。 一 图2 2 全桥逆变器的主电路拓扑图2 3 全桥逆变器的主要波形图 圪- ：而4 v t h 为奇次谐波次数，巧为输入直流母线电压 l 一 因此，主要元器件的设计值与有源器件的耐压耐流值如下： 表2 1 ( 2 2 ) t ( 2 3 ) v i n ( v )( 叼 k ( u h )r 棚( q )c ( n f )。( v ) k 一( a ) 1 0 0 06 3 689 81 4 12 2 8 1 0 0 v 3 0 0 02 1 52 72 91 4 16 8 7 1 0 0 03 3 44 21 83 2 59 8 2 3 0 v 3 0 0 01 1 11 45 43 2 52 9 7 ( b ) 半桥逆变器 半桥逆变器以其简易可靠性多应用于大功率电磁炉的拓扑结构。同全桥逆变器一 样要输出最大功率即负载电压的有效值最高，输出负载电压必须为方波，但各次谐波 的分解值与全桥逆变器不同如式( 2 - 4 ) ；开关频率同全桥式逆变器的要求相同如式 ( 2 - 3 ) 。半桥逆变器的电路拓扑及主要波形如图2 4 ，图2 5 。 1 1 浙江大学硕士学位论文 圪一= 而2 - 忑v t h 为奇次谐波次数，巧为输入直流母线电压。 ( 2 4 ) 0 d 砥i 一一。一一 v 0 v 7 烈，| - 、v 一 图2 4 半桥逆变器的主电路拓扑图2 5 半桥逆变器的主要波形图 因此，主要元器件的设计值与有源器件的耐压耐流值如下： 表2 - 2 v i n ( v )( w )l , q ( u h )如( q )c ( n f ) 一( v ) o 。( a ) 1 0 0 01 5 923 9 21 4 14 5 6 1 0 0 v 3 0 0 05 4o 71 1 61 4 11 3 7 4 1 0 0 08 3 51 0 57 23 2 51 9 6 2 3 0 v 3 0 0 02 7 53 52 1 63 2 55 9 4 ( c ) z v s 单管逆变器 z v s 单管逆变器的拓扑如图2 6 。要保证电路一直工作在z v s 状态，要在输出功 率最小时设计开关的最优状态。即满足以下两个条件：主管开通时的两端电压为零如 式( 2 - 5 ) 及电压上升斜率为零如式( 2 - 6 ) ，从丽使主管中的电流从零开始升起。其理 想工作状态的波形如图2 7 。 一一 塑望查堂堕主堂垡堕奎 烩 ! ： t = t t v oj ，? ? ， 图2 6z v s 单管逆变器的拓扑图2 7z v s 单管逆变器的主要波形图 v o ( t = t ) = u ( 2 - 5 ) d v o ( y t = r ) ：0 或i o ( t = z ) ：0 ( 2 6 ) o i l 因此，主要元器件的设计值与有源器件的耐压耐流值如下： 表2 - 3 v i n ( v )( w )屯( u h )r , q ( q )c ( n f ) 一( v )o 一( a ) 1 0 0 03 2 64 14 88 8 53 1 2 1 0 0 v 3 0 0 01 l1 41 4 48 8 59 3 7 1 0 0 01 7 62 2 20 8 82 0 3 51 3 6 2 3 0 v 3 0 0 05 8 97 42 6 52 0 3 54 0 8 ( d ) z c s 单管逆变器 z c s 单管逆变电源的拓扑如图2 8 。要保证电路一直工作在z c s 状态，耍在输出 功率最大时设计开关的最优状态。即满足以下两个条件：主管关断时通过主管的电流 已经降为零如式( 2 - 7 ) ，且电流的下降率为零如式( 2 - 8 ) ，从而使主管两端电压从零开 始升起。其理想工作状态的波形如图2 9 。 l ( ，= d t ) = 气0 = d r ) ( 2 - 7 ) d l l ( t = d t ) ：堡垒坚望：旦( 2 - 8 ) 积出 塑垩奎芏堕主堂垡堡奎 ：多万 膨愁| ，u 。l i t = t d 一 图2 8z c s 单管逆变电源的拓扑图2 , 9z c s 单管逆变电源的主要波形图 因此，主要元器件的设计值与有源器件的耐压耐流值如下 表2 4 v i n ( v )圪。( w )厶( u h )l ( u h )屯( q )c ( n f ) 一( v )o 一( a ) 1 0 0 01 6 23 8 9 94 94 85 2 64 8 3 1 0 0 v 3 0 0 06 51 3 5 31 71 4 45 2 61 4 3 7 1 0 0 08 7 52 0 9 32 6 2o 8 81 2 0 72 0 ，8 2 3 0 v 3 0 0 02 9 16 9 78 72 6 41 2 0 76 2 6 2 1 2 逆变器拓扑的比较 下面要对以上的各种逆变器拓扑进行比较，首先确定在不同输入电压与输出功率 情况下各种电路参数的标么值如表2 5 。以便从以下四个方面进行比较：有源功率器件 的应力；电路效率；功率控制：电磁干扰情况。 表2 - 5 标 l 栅( v ) 1 0 02 3 0 么 参数值k 1 0 0 03 0 0 01 0 0 03 0 0 0 定 ( w ) 义 电压 ( v ) 1 0 01 0 02 3 02 3 0 1 4 浙江大学硕士学位论文 功率( w )1 0 0 03 0 0 0 1 0 0 03 0 0 0 频率l ( h z )2 0 0 k2 0 0 k2 0 0 k2 0 0 k 周期1 厶( u s )5555 电流 圪。k 。( a ) 1 0 o3 0 04 3 1 3 0 电感 v 纛| p 。- 。 5 01 6 6 82 6 4 8 8 ( u h ) 电容 p l v k f 。 5 0 01 5 0 09 4 5 2 8 3 ( n f ) 电阻 吃；( q ) 1 0 03 35 2 91 7 6 ( a ) 有源功率器件的应力 有源功率器件的应力是指器件所承受的最大电压电流值。器件的应力可以通过表 达式( 2 - 9 ) ，式( 2 - 1 0 ) 进行计算。其中一与k 一是只同拓扑有关的衡量指标。 表2 - 6 是各拓扑中该两项衡量指标的比较可见z v s 单管逆变电源比较全桥与半桥逆 变电源需要承受更高的电压应力，全桥式逆变器中开关管所受的电流应力最小。 k 。= k 。l 。 ( 2 9 ) p l 。= 瓦。笋 ( 2 - 1 0 ) 表2 - 6 k 。一i ，一 全桥逆变器 1 4 l2 2 8 半桥逆变器1 4 l4 5 6 z v s 单管逆变器8 8 53 1 2 z c s 单管逆变器5 2 5 4 8 3 ( b ) 电路的效率 逆变器的效率是指被负载有效吸收的功率占总输入功率的百分比。通过有源器件 一一一 塑兰茎羔堡主堂丝垒奎 的平均电流和有效值电流造成的导通损耗是功率损耗的主要途径。开关器件中电流有 效值与电流平均值的表达式如式( 2 1 1 ) ，式( 2 1 2 ) a 。，k 也是只同拓扑的类 型有关，则开关器件中的导通损耗如式( 2 1 3 ) 。器件的损耗与电路效率的关系如表2 7 ， 2 8 。 表2 7 l = k 一争 ，：k 生 1 ”“1 p 。= i 。l y 。七i 乙。- r 。 k 。k ”g 全桥逆变器】1 2o 7 l 半桥逆变器 2 2 51 4 2 z v s 单管逆变器 1 9 91 5 8 z c s 单管逆变器 2 2 81 4 2 表2 8 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) f 已( w )圪，( w )叩( ) 全桥逆变器9 5 4 03 8 1 6 29 8 4 l 半桥逆变器 2 4 8 3 84 9 6 7 69 7 5 i z v s 单管逆变器 7 1 0 8 17 i 0 8 l9 5 2 6 z c s 单管逆变器 5 7 4 2 15 7 4 2 19 6 1 7 ( c ) 功率控制 随着用户要求的改变，逆变器可以通过开关频率的改变进行功率控制。开关频率 的变化我们可以通过式( 2 - 1 4 ) 定义。其中m 是工作频率相对输出最大功率是的开关 频率的调制因数。输出功率随着开关频率变化关系如图2 1 0 ，可见，z c s 单管逆变电 源是输出最小功率时频率变化范围变化最小的一个。 l - - m - 厶。 ( 2 一1 4 ) 一一一 塑望奎兰婴圭堂竺兰壅 09 08 0 7 p o p m a x 0 6 05 04 o3 o2 八 i、 |i 1ew 一 ! v | ：u l jbr i日杂 、 i 卅训1- brd g q 、 u - 5u #1 u1z1 。41 ，61 8 2 。0222 42 8 m 图2 1 0 不同拓扑输出功率随开关频率变化关系 ( d ) 电磁干扰 感应加热电源产生的最大的电磁干扰是传导性的电磁干扰。主要包括共模干扰和 差模干扰。前者主要取决于负载上的输出电压z 0 和大的感应线圈上的分布电容，后者 主要取决于逆变器的输入端电流。分析二者的谐波干扰情况如下表2 - 9 ，表2 - 1 0 ，z c s 单管逆变器由于输入电感的作用有较好的差模特性。半桥逆变器由于电感电压上的谐 波幅值较小，因此具有较好的共模特性。 表2 - 9 基波 ih f t p f v 。3 州2 厶3 厶豫( ) 频率 全桥逆变器10 0 0 7 90 6 9 2 90 0 0 2 47 0 7 3 半桥逆变器 l0 0 2 3 60 6 9 2 90 0 0 4 77 0 7 6 z v s 单管逆变器 11 2 8 4 60 5 6 9 20 2 4 6 21 4 2 7 8 z c s 单管逆变器 l0 3 7 2 l0 0 8 5 30 2 7 9 15 1 1 i 表2 一1 0 厶2 厶3 厶4 州5 l6 l1 呻 全桥逆变器 2 4 6 50 0 2 40 4 7 00 0 2 00 2 6 00 0 1 9o 1 8 l 半桥逆变器 1 2 2 60 0 2 80 2 3 50 0 2 3o 1 2 90 0 2 20 0 8 8 z v s 单管逆变器 】1 3 01 0 8 71 0 0 40 9 0 00 7 7 40 6 3 90 5 0 4 浙江大学硕士学位论文 2 2 几种典型单管逆变器的拓扑分析 2 2 。1 逆变器拓扑选择的标准 由感应加热的相关知识如式( 2 - 1 5 ) 式( 2 - 1 6 ) 可知工作频率提高使工件中的感 应电流加大，增加发热效果，工件升温更快。并且根据加热时的透热深度与频率的平 方根成反比的关系，使工作频率提高后工件的透热厚度变薄。因此，在金属热处理 如淬火、热处理等应用场合提出进一步提高工作频率的要求。如对直径较小的金属丝 或刚带进行热处理时，感应加热的电源的频率须在上兆赫兹以上，否则功率不集中且 加热密度低，甚至达不到要求的热处理温度。目前感应加热电源一般采用桥式串联谐 振电路，其优点是开关管工作在零电压或零电流软开关状态，大大减少了导通和关断 损耗。但是当逆变电源频率增加时受功率m o s f e t 开关时间的限制，且为了防止桥式 变换器桥臂直通设置了死区时间，所以难于迸一步提高开关频率。因此对于小功率超 高频的逆变电源，我们主要考虑单管逆变电源。 e ：獗- z 肿n - m - ：4 ，,44nfap 也= 。 = 4 -埘 蹦唧历 ( 2 一1 5 ) ( 2 1 6 ) 在前文对全桥，半桥逆变器和z v s 、z c s 单管逆变器电源进行比较时我们已经采 用了一些拓扑比较的原则，如：a 开关器件的应力。b 电路的工作效率。c 电磁干扰 的情况d 适宜负载变化范围。这里我们再补充一个原则：功率器件的传输有效性。电 容的传输有效性定义为式( 2 - 1 7 ) ，电感的传输有效性定义为式( 2 - 1 8 ) 。 呸= ( 嗑干嗑) 薏( 2 - 1 7 ) 吼= ( 巳千匕) 是 ( 2 1 8 ) 浙江大学硕士学位论文 ，是电容c 两端电压的最大值与最小值，k ，k 是电感l 中通过电 流的最大值与最小值，当电感电容器件中的能量流动方向不发生变化时式中取“”， 否则取“+ ”。不同拓扑在输出负载功率相同时以上各参数指标越小，有源器件的体积 越小，这在电路设计中是非常有益的。 2 2 2 几种常见的单管逆变器的比较 早期的单管谐振电路是通过负载网络同开关频率的合理搭配使开关管工作于谐振状 态实现零电流开关或零电压开关，减少开关损耗。这样对开关频率跟踪负载频率变化提 出了较为严格的要求。在1 9 7 5 年提出的e 类逆变电源改善了这一缺陷，更加适合高频工 作。e 类逆变负载网络避免了开关时暂态电压、电流同时达到最大值，使器件两端电压 只有在电流为零后才开始上升，通过器件的电流在电压降为零后，并且在开关瞬问电压 波形斜率近似为零后才开始上升使工作频率有了一定的裕度。该电路同传统的线性放大 电路如b 类c 类放大电路比较对有源器件开关器件不敏感，更适合高频工作情况，且易 于设计参数。利用p s p i c e 仿真软件对以下列出的e 类传统电路及几种e 类电路的变形同 普通的z v s 和z c s 电路进行仿真比较，如图2 1 l ( a ) ( b ) ( c ) ( d ) ( e ) 。首先定些共 同的指标：输入电压都为1 5 0 v ，在1 i i - i z 时输出最高功率i k w 。由此确定一些标称值为： f = 厶= 1 m h z v = = 1 5 0 vp = 圪。= l k w ：生：6 6 7 a 凸孝表。4 4 4 村 工：嗑：2 2 5 埘 工= 二2 鳖一= 2 2 5 “ 厶 r 。盗：2 2 5 q 浙江大学硕士学位论文 ( a ) 传统e 类逆变电路 ( c ) 第三种e 类逆变电路 ( b ) 第二种e 类逆变电路 ( e ) z c s 谐振电路 ( d ) z v s 谐振电路 图2 1 1 几种常用单管逆变电源的主电路拓扑 a 开关器件应力的比较： 表2 - 1 1 一= k 一 k = 丧 ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 浙江大学硕士学位论文 j k 。 3 _ 3 34 8 3 2 34 8 7 _ 3 3 l k “一 4 0 53 _ 3 0 4 ，1 73 3 4 5 7 可见，拓扑三开关器件的电压应力最小，拓扑五的电压应力与电流应力都为最大， 拓扑二、四的电流应力都较小。 b 效率的比较 k s 鼍( 2 - 2 1 ) 匕= l 。吒十毫。屯( 2 2 3 ) k = k 。笋 ( 2 - 2 2 ) 这里仿真用的管子选用的是i r f 4 6 。，其相关参数为麓：三泛7 q 表2 1 2 t a b l e 2 ( 1 )( 2 )( 3 )( 4 )( 5 ) 巳( w ) 8 8 8 87 2 5 99 1 4 27 2 3 31 5 1 9 3 玎( ) 9 1 99 2 79 0 99 2 88 4 8