（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的新型pwm大功率感应加热电源的研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t f i r s t , t h i sp a p e rg i v e sab 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 a t i n ga n d o u t l i n e st 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 a t i n gt e c h n i q u e b a s e do nt h e a n a l a s y so fa l lk i n k so fp o w e rm o d u l a t i o ns t r a t e g i e so fs e r i e sr e s o n a n ti n v e r t e r s ，an e wp o w e r m o d u l a t i o ns t r a t e g yc a l l e dl i m i t e dd o u b l e p o l a r i t y 7 & p s p w mi sp r e s e n t e d ，w h i c hr e g u l a t e s o u t p u tp o w e ro fi n v e r t e r sb yr e g u l a t i n gb o t hp u l s e - w i d t ha n dp h a s e - s h i f ta n g l e w h e n c o m p a r e d w i n ll i m i t e d d o u b l e - p o l a r i t yo n l y s c h e m e d i n v e r t e r s ，t h e l i m i t e d d o u b l e p o l a r i t y & p s p w ms c h e m e di n v e r t e r sa c h i e v ec o n t i n u o u sp o w e rr e g u l a t i o na n dm o r e s t e a d yo u t p u tc u r r e n t ，c o n t i n u o u sp o w e rr e g u l a t i o n , a n do p e r a t i n gi nc o n t i n u o u sc u r r e n tm o d e ( c c m ) ；w h e nc o m p a r e dw i t hp s p w mo n l ys c h e m e di n v e r t e r s ，n e ws c h e m e di n v e r t e r sh a v e s m a l l e rp h a s e - s h i f ta sw e l la sh a r d l ya n yd i s t o r t i o ni no u t p u tc u r r e n t e v e nw o r k i n gu n d e r l i g h tl o a ds t a t u s ，t h ei n v e r t e rc a l lr e a l i z eq u a s i s i n u s o i do u t p u tc u r r e n tw a v e f o r mw i t hl e s s f l u c t u a t i o ni np e a kv a l u e o nt h eb a s i so fe l a b o r a t ea n a l y s i st o w o r k i n gp r o c e s so fl i m i t e dd o u b l e - p o l a r i t y & p s p w mc o n t r o l l e di n v e r t e r , s o f f - s w i c h i n go fa l lf o u rs w i c h e si sa c h i e v e d f o r m u l a si n c a l c u l a t i n go u t p u tv o l t a g e ，c u r r e n ta n dp o w e ri no n ep w mc y c l ea r ea q u i r e db ya n a l y z i n go n e p o w e ro u t p u t i n gc y c l e a ne x p e r i m e n t a li n d u c t i o nh e a t i n gs y s t e mi sd e s i g n e dt oi l l u s t r a t et h e f e a s i b i l i t yo ft h en e wp o w e rr e g u l a t i n gs t r a t e g y , o fw h i c he v e r yp a r ti nm a i nc i r c u i ta sw e l la s t h ec o n t r o ls y s t e mc o n s i s t so fd p l la n ds oo ni sd e s i g n e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si l l u s t r a t t h ef a v o r a b l ep e r f o r m a n c eo ft h en e wp o w e rr e g u l a t i n gs t r a t e g y p l l k e y w o r d s ：s e r i e sr e s o n a n t , i n d u c t i o nh e a t i n g ，l i m i t e dd o u b l e p o l a r i t y & p s p w m ，d s p , i l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是苓人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名：日 期： 汤、弓、么 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名： 导师签名： 巧。乡、名 第一章概述 第一章概述 感应加热以其加热效率高，速度快，非接触式加热，加热均匀，易控制，作业环境 好等特点广泛应用于金属熔炼、透热、热处理和焊接等工业过程，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热处理方式。此外，感 应加热己经或不断地进入到人们的家庭生活中，例如微波炉、电磁炉都是采用感应加热 方式来实现。 1 1 感应加热的基本原理及发展 1 1 1 感应加热的基本原理 导体的导电机构主要是自由电子。如在导体上加电压，这些自由电子便将按照同一 方向从一个原子移到另一个原子而形成电流。电子在移动过程中会遇到阻力，从而电子 必须消耗一部分能量做功即克服导体的电阻，使一部分电能转换成熟能，引起导体发热。 如图1 1 ，当感应线圈上通以交变的电流时，线圈内部会产生相同频率的交变磁通， 根据法拉第电磁感应定律：当通过导电回路所包围的面积的磁场发生变化时，此回路中 就会产生感应电势，当回路闭合时，则产生电流，电流的强度由表层向内层梯度减小。 由焦耳楞茨定律，电流作用于存在电阻的金属，产生热量 1 】 2 1 。 门 感应线圈 金属工件 图卜1 感应加热原理图 f i g 1 1t h e o r yo fi n d u c t i o nh e a t i n g 1 1 2 感应加热的发展 1 电力电子器件的发展 感应加热电源技术的发展与功率半导体器件的发展密切相关，自从第一台晶闸管感 应加热电源出现直到七十年代，感应加热电源中的整流、逆变全由晶闸管组成，工作频 率低，噪音高。七十年代后期，以大功率晶体管、门极可关断晶闸管和功率场效应晶体 管为代表的全控型功率半导体器件的商品化，使电力电子技术出现了一次飞跃。进入八 十年代以后，半导体工艺日渐成熟，并不断产生新技术，出现了大功率半导体器件模块， 使电力电子装置的体积大为减小，而且极大地提高了效率和可靠性。在八十年代后期， 不仅已有的g t r 、p o w e rm o s f e t 容量不断地提高，而且涌现出绝缘栅双极晶体管 ( i g b t ) 、静电感应晶体管( s i t ) 、静电感应晶闸管( s r r h ) ，m o s 控制晶闸管( m c t ) 等新 型自关断器件，它们为全固态中、高频感应加热电源的推广和普及提供了条件。 江南人学硕+ 学位论文 国外在中高频感应加热电源的全固态化方面己取得了重大进展。西班牙采用g t r 制成的感应加热电源的技术指标为5 0 k h z 2 5 k w ，i g b t 为5 0 k h z 2 0 0 k w ，m o s f e t 为2 0 0 k h z 2 0 0 k w ，日本采用s i t h 为6 0 k h z 1 0 0 k w ，s i t 为1 0 0 k h z 3 0 0 k w 。1 9 9 4 年同 本采用i g b t 研制出1 2 0 0 k w 5 0 k h z 的电流型感应加热电源。欧美地区的一些国家如英 国、法国、瑞士等国的系列化超音频感应加热电源目前最大容量也达数百千瓦。国内在 9 0 年代初，浙江大学开始i g b t 超音频电源的研制，目前的研制水平为2 0 0 k w 5 0 k h z ， 与国外的水平仍有相当大的距剖3 】1 4 】。 2 感应加热电源控制系统的发展 目前感应加热电源的控制电路大多仍为模拟控制电路，模拟控制电路难免存在着一 些缺点，比如：触点多，焊点多，可靠性降低；对一些元件的工艺性要求高，灵活性比 较差。数字系统在这些方面就显得很先进：首先是灵活，修改一个参数很方便；其次， 在能保证程序可靠的前提下，运行比起模拟系统要可靠的多；最后，使用起来比较简洁、 灵巧，而不要太多的元器件。 就控制功能而言，目前大量采用的是简单的限流限压单闭环控制方式，其动态响应 较慢，超调量大，稳定性较差，而且不能克服电网波动和负载扰动的影响，这样就大大 降低了电源的可靠性，影响了其运行性能，限制了它的应用和发展删。针对感应加热装 置中的感应器和负载这个复杂的时变参数的控制对象，可以考虑在闭环控制系统的控制 算法中实现智能控制，以求适应这类复杂多变的工业对象，达到一般控制所无法达到的 控制效果，控制精确度更高，加工的工艺更精细等。由微处理器( 如i p l c ，单片机，d s p ) 监控的闭环控制系统，能够采集现场的电压、电流、频率、温度等所需的实际物理信号， 并可以根据这些原始数据计算出现场的功率、相位角、功率因数、能耗等观察数据，在 这些数据的基础上，可以实现这些数据的数字显示，便于监视。在开环控制的基础上， 利用这些数据可以实现功能复杂的闭环控制，如电压闭环、电流闭环、功率闭环、温度 闭环等等，视用户的实际需要而定。而且在用户的事先设定下，这类闭环控制系统可以 利用微处理器的独特功能实现产品复杂加工工艺要求的加热过程。 可见【5 j ，感应加热电源的控制电路经历了由模拟控制，数字控制到计算机网络控制； 由定时( 定状态) 到实时在线控制；由硬件一对一台装置控制到软件一对一批装置控制。 大装置和复杂系统则用p l c ，d s p 或计算机网络构成的计算机网络控制。这样一种格 局能够将现代控制理论引入到电力电子装置中去，为控制方法提供了无限广阔的发展空 间，成为研究的一个重点。 1 2 软开关的发展【6 】 7 】【8 】 感应加热电源开关频率的高频化能使其体积更小、重量更轻，然而高频化相应地也 带来一些问题：一是频率的提高导致开关损耗的大大增加；二是高频开关过程的开关应 力大，同时高的d i d t 和d v d t 将引起器件周围寄生电感和电容之间的高频振荡，导致了 较大的电磁噪声。 软开关技术是通过辅助的谐振电路使开关管开通前电压先降为零，或关断前电流先 降为零，这样实现了在零电压情况下开通或者在零电流条件下关断，从而大大降低了开 2 第一章概述 关功率损耗，减少了噪声污染和电磁干扰。自从上世纪8 0 年代末美国威斯康星大学的 d i v a n 博士提出谐振直流环节逆变器后，软开关在逆变器中得到了长足的发展，出现了各 种软开关逆变器拓扑结构。根据谐振电路和辅助电路在逆变器主电路上的不同位置，逆 变器的软开关电路可分为谐振d c 环节方式、谐振极方式、负载谐振方式、辅助谐振缓 冲电路等方式。 串联谐振d c 环节逆变器是在逆变器d c 母线上设置l c 并联谐振或串联谐振电路，利 用谐振使d c 母线上产生零电压或零电流，在此期间逆变器的开关器件进行切换，实现 零电压或零电流动作。但有明显的缺点：母线上电压和电流的峰值是电源的2 倍以上，故 必须考虑器件的耐压；另外电压过零点与逆变器开关难以同步，使逆变器输出产生大量 的次谐波。针对以上缺点，改进型谐振d c 环节逆变器、有源箝位谐振d c 环节逆变器等 相继出现。 谐振极方式包括准谐振模式逆变器、辅助谐振变换极逆变器、辅助二极管变换极逆 变器。与d c 环节谐振型逆变器比较，谐振极逆变器的优点是：逆变器各相相互独立，且 不存在软开关操作与逆变器开关同步的问题，可方便地采用常规的p w m 调制策略进行 输出电压控制；不增加逆变器开关器件的电压应力。其缺点是：逆变器开关器件的电流 应力增加；多组辅助谐振电路，使用多个电感、电容，造成逆变器体积、重量增加，效 率降低。 负载侧谐振在负载支路上 j 口l c 谐振电路，利用该l c 谐振电路，负载电流罩加了谐 振电流，在电流瞬时过时，实现z c s 动作。缺点是谐振电感和开关器件导通损耗大。 辅助谐振缓冲式逆变器在各相输出线上接双向开关器件和谐振电感，组成谐振缓冲 电路。它与逆变器各开关上并联的电容一起产生部分谐振才动作，该电路仅在逆变器开 关模式切换时，辅助谐振动作。可利用并联电容的无损工作使逆变器的开关器件和辅助 谐振电路内所有开关器件都能实现软丌关。缺点是使用的无源器件和半导体器件比较 多。优点是缓冲电路半导体器件上承受的电压和电流峰值应力减小，可用于大功率逆变。 按是否使用辅助有源开关，软开关也可以分为有源软开关( a s s ) 和无源软开关( p s s ) 两类。a s s 软开关技术效果较好，但控制较复杂、成本较高、可靠性相对较低；p s s 技 术仅仅使用l 、c 、d 等无源器件，电路简单、应用方便、可靠性高、性价比高，不过具 有某一软开关技术只能适用于某一个特定电路拓扑等缺陷。 由上述可知，虽然软开关逆变器有许多明显的优势，但还未成熟起来，将来主要从 以下几个方面发展：在不增加开关器件的电压、电流应力的同时，用比较简单的拓扑 结构实现逆变器的软开关；用比较优化的控制方式控制软开关工作；设计合理的高 频谐振电感和电容。减少谐振电路中元件的数量、简化谐振变换器的结构和合理的控制 方法是以后软开关逆变器发展的方向。p s s 技术无需附加有源开关器件，因此具有广阔 的工业应用前景。 1 3 本文课题的意义与任务 1 3 1 课题的意义 电力电子技术近年来迅猛发展，对逆变电源的性能及效率等要求也越来越高。移相 江南人学硕士学位论文 功率调节作为一种理想的控制方式已成为大功率、高频率的发展趋势，移相全桥软开关 拓扑亦成为首选的电路结构之一。然而，由于电容缓冲效果与移相臂软开关实现之间的 矛盾，目f j l 移相功率调节不能全范围地实现软开关【9 】。尤其在中大功率应用场合中，轻 载时滞后桥臂的软开关很难实现，输出电流甚至会出现三角波形，严重影响输出特性， 导致电源效率较低，难以适合负载变化大的场合。为使大范围功率调节过程中仍能满足 软开关条件，需要外加辅助缓冲支路或者在电路中串联电感，这样前者结构将会较复杂， 后者则易出现占空比丢失、输出能力降低【l0 1 。而完全采用有限双极性p w m 功率调节法， 会由于控制时序的变化不一，使其逻辑判断较复杂。 本文将有限双极性p w m 法引入逆变器轻载时的输出控制，通过d p l l 锁相，使滞 后桥臂的电压与电流始终保持一定的相位，同时结合非轻载时移相功率调节良好的特 性，提出了一种基于d s p 的新型功率控制策略，克服了传统移相全桥的缺点，使得高 频逆变电源在轻载条件下仍能实现软开关，大幅度的扩大了负载的适用范围，提高了电 源整机效率。 1 3 2 本文的任务 本课题研究的目的旨在设计1 0 0 k w 6 0 k h z 感应加热电源，研究其控制方法，并对 其进行实验和仿真分析，为以后研制大功率超音频感应加热电源打下一定的基础。本文 的主要研究内容如下： 1 针对串联谐振感应加热电源，介绍并分析串联谐振逆变器各种功率控制策略及其 原理，综合脉冲宽度调制( p w m ) 与移相凋制( p s p w m ) ，提出有限双极性p w m & p s p w m 新型控制策略。 2 对有限双极性p w m & p s p w m 串联谐振逆变器工作过程进行分析，解决所有开 关管的软开关问题；分析每个功率输出单元的输出电压电流功率等，获得一个脉冲宽度 周期的输出电压电流及功率的计算公式。 3 在理论分析的基础上，设计基于有限双极性p w m & p s p w m 复合控制策略的感 应加热电源实验系统，对主电路各元器件进行精确计算与设计，并以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为核心对控制电路与保护电路进行设计，对d s p 外围电路进行设计，并编写基于有限 双极性p w m & p s p w m 控制策略，以数字锁相坏及功率控制算法为核心的d s p 程序， 采用p s p i e e 仿真并使用相关试验系统验证有限双极性p w m & p s p w m 新型控制策略的 可行性。 4 第二章感应加热电源主电路设计 第二章感应加热电源主电路设计 2 1 感应加热电源的电路结构 感应加热电源的电路结构如图2 1 所示，主要有四个环节：整流及滤波环节；逆变 环节；负载；控制与保护环节。 图2 - 1感应加热电源的电路结构 f i g 2 - 1t h et o p l o g yo fi n d u c t i o r lh e a t e r 根据负载端电路结构的不同，逆变器可分为负载串联谐振逆变器与负载并联谐振逆 变器。 2 1 1 负载串联谐振逆变器与负载并联谐振逆变器的比较 由自关断器件构成的负载串联谐振逆变器和负载并联谐振逆变器的电路拓扑如图 2 2 和2 3 所示。 图2 - 2串联谐振负载逆变器 f i g 2 - 2 s e t i e sr e s o n a n ti n v e r t e r 厶 图2 - 3 并联谐振负载逆变器 f i g 2 - 3p a r a ll e lr e s o n a n ti n v e r t e r 江南大学硕十学何论文 从电路原理来看，电压型逆变器和电流型逆变器在电路拓扑，各电量的波形还有电 路参数方面都存在以下对偶关系【l1 1 ： 1 电路特性的对偶性：串联逆变器的负载电路对电源呈现低阻抗，要求由电压源 供电，因此，经整流和滤波的直流电源末端，必须并接大的滤波电容器。负载阻抗频率 特性为串联谐振特性，因此不宜空载。当逆变失败时，浪涌电流大，短路及直通保护困 难，逆变器及负载开路保护容易。 并联逆变器的负载电路对电源呈现高阻抗，要求由电流源供电，需在直流电源末端 串接大电抗器。负载阻抗频率特性为并联谐振特性，因此可以空载。但在逆变失败时， 由于电流受大电抗限制，冲击不大，逆变器及负载开路保护较难，短路及直通保护较易 保护。 2 电压电流波形的对偶性：串联逆变器的输入电压恒定，输出电压为矩形波，输 出电流近似正弦波，串联逆变器感应线圈上的电压和槽路电容器上的电压，都为逆变器 输出电压的q 倍，流过感应线圈上的电流，等于逆变器的输出电流。串联逆变器中的开 关管由于承受矩形波电压，故d u d t 值较大，电压吸收回路起着关键作用，而对d i d t 要 求较低。 并联逆变器的输入电流恒定，输出电压近似j 下弦波，输出电流为矩形波，并联逆变 器的感应线圈和槽路电容器上的电压，都等于逆变器的输出电压，而流过它们的电流， 则都是逆变器输出电流的q 倍。并联逆变器中刚好相反，d i d t 值较大，而对d u d t 的 要求低一些。 3 电路拓扑的对偶性：串联逆变器中，逆变开夫- 芒 的向。射压，双向载流，有必 要把二极管与开关管反并联，起到续流作用，并使开关管不承受过高的反压，这种二极 管一般都做在大功率开关管模块内。并联逆变器的逆变开关为双向耐压，单向载流，每 一桥臂必须串入快速恢复二极管，以承受反压。 串联逆变和并联逆变所用的振荡线路不同，前者是用l 、r 和c 串联振荡，后者 是l 、r 和c 并联振荡，所以决定了二者之间存在着以下主要差别【心】： 1 串联逆变器的功率调节方式有二：改变直流母线电源电压u d 或改变开关管的触 发频率，即改变负载功率因数c o s 簟o ，并联逆变器的功率调节方式，一般只能是改变直 流母线电源电压，改变c 0 s p 虽然也能使逆变器输出电压和功率变化，但所允许调节范 围小。 2 串联逆变器中，当触发电路工作暂时处于不正常状态时，逆变电路立即停振： 而并联逆变器当触发电路工作暂时处于不正常状态时，逆变电路在自身构成的闭合回路 中继续维持振荡。 3 串联逆变器起动容易，适用于需要频繁起动的场合，既可以自激工作，也可以 他激工作；并联逆变器则需要采取较复杂的起动措施，一般只能工作在自激状态。 2 1 2 负载谐振逆变器的分析与选择 各种电路结构都有其个性特征，较其他电路均具有明显的优缺点。对感应加热电路 而言，由于并联型逆变器和串联型逆变器的对偶性，所以各自都有一定的局限性，或者 6 第二章感应加热电源土电路设计 说是实现起来的技术难点。在高频逆变器的电路选择中，我们要尽量的避免一种电路实 现的难点，充分利用它的优点。在超高频应用中，还要充分了解超高频开关器件的特性。 超高频感应加热的设计有三个要点：器件是前提，工艺上的可实现性是关键，满足工件 的加热要求是最终目的。 高频化的首要前提是器件( 其中包括快速二极管) 具有高速的丌关特性。我们知道大 容量的快速二极管的反向恢复特性较差，恢复时间较长，故逆变器通常工作于感性状态 以避免二极管的反向恢复问题。然而感性工作状态仅避免了二极管的反向恢复短路电 流，其开通延时仍会导致电压过冲和振荡。在电流型逆变器中，由于二极管和自关断器 件是相串联的，在任何状态下，其电流容量必须与自关断器件相当，而在电压型逆变器 中，二极管只在输出功率因数角对应时间内通有电流，当逆变器工作在负载谐振时，通 过二极管的电流为零。因此在同等容量的电源中，电流型逆变器对二极管的容量要求较 大，而容量越大的器件，其开关特性往往越差，从这一点来说，将电压型逆变器高频化 有利于选择高频二极管。 从结构工艺来看，高频电源对分布参数较为敏感，杂散电感和分布电容容易引起电 压过冲和开关过程的高频振荡。电流型逆变器的开关器件要求具有双向耐压的能力，因 此增加了结构设计和安装的工作量以及分布参数。另外由于电压型逆变器可以利用逆变 调功，不必象电流型逆变器那样必须采用可控整流或直流斩波。可见采用电压型逆变器 的感应加热电源在整体结构上更加简洁，有利于高频电源的结构设计。 高频化的主要目的是满足生产工艺的要求，例如t 件的表面淬火。将电压型逆变器 高频化，不仅满足生产应用的需要，同时提高了输出调节速度，减小了直流滤波环节的 无功元件( 滤波电感和储能电容) 的容量，相应地减小了元件的体积和重量。但在电流型 逆变器中，由于要借助于直流调功，因此调节速度受到直流调功方式的限制。当采用相 控整流桥来调节功率时，直流滤波电感必须按照逆变直通时的拉逆变保护过程来设计， 不受逆变工作频率的影响，因此滤波电感必须足够大。综上所述，本文选用电压型逆变 器，即串联谐振感应加热电源。 2 2 串联谐振逆变器的功率调节方案的选择 根据逆变器功率调节方式的不同，可以将串联谐振逆变器的功率调节方式分为两 种：直流调功和逆变调功。直流调功通常采用直流斩波或相控整流来改变逆变器直流母 线电压的大小来调节功率，逆变调功是通过调节输出电压的频率来调节负载功率因数， 或调节输出电压的有效值的大小( 调节占空比) 来实现功率调节。【1 2 ”7 】 2 2 1 直流母线调压调功删) 调整整流电路输出电压的方式大致有两种，一种采用晶闸管全控整流，另一种是经 不控整流后用斩波器进行调压。 1 晶闸管全控整流调功 调功原理：通过调整晶闸管的导通角，从而调整整流电路输出电压( 或电流) 的大 小来调整负载功率，负载就通过锁相措施让逆变器工作在谐振或者接近谐振的工作频率 处。 江南大学硕+ 学位论文 优点：负载部分通过锁相环节调整频率使其工作在谐振频率附近，这样逆变部分的 开关损耗就可以减少到很小，比起整流部分增加的开关损耗，在高频场合下仍然有优势。 全控整流技术已经比较成熟；工作在谐振频率附近负载工作的相位角接近为零，对于在 加热过程当中负载参数变化不大的工件来说，通过检测负载上的电压或者电流就可以完 全反映负载的功率，从而可以实现精确度较高的功率调节，这在某些有特殊要求的场合 是很可贵的。 l o _ 2 c 一f 、，t ，北 2 j 【 么么 一c l 呈机卜 a b = c 厂 叫p m n 1 zzz 图2 4 晶闸管全控整流调功 f i g 2 - 4f u l l 一c o n t r o l l e dr e c t i f y i n gw i t ht h y r is t o t 缺点：设备复杂，控制环节增多，引起系统产生故障的因素增多。采用晶闸管全控 整流，当控制角较大( 即深控) 时，电路的功率因数很低，换流的过程中电流出现畸变， 对于电网的污染较为严重，而且故障出现时动态响应比较慢。 2 斩波调压 调功原理：通过斩波环节，调整整流电路输出电压的大小来调整负载功率，负载就 通过锁相措施让逆变器工作在谐振或者接近谐振的工作频率处。 优点：负载部分通过锁相环节调整频率使其工作在谐振频率附近，这样逆变部分的 开关损耗就可以减少到很小，比起整流部分增加的开关损耗，在高频场合下仍然有优势。 工作在谐振频率附近负载工作的相位角接近为零，对于在加热过程当中负载参数变化不 大的工件来说，通过检测负载上的电压或者电流就可以完全反映负载的功率，从而可以 实现精确度较高的功率调节，这在某些有特殊要求的场合是很可贵的。 图2 - 5 斩波调压调功电路拓扑 f i g 2 - 5c ir c u i t o fc h o p p e rc o n t r o l 第二章感戍加热电源主电路设计 缺点：设备复杂，控制环节增多，引起系统产生故障的因素增多。由于直流变换环 节的加入，整机效率和可靠性都会降低。斩波器功率器件工作在大电流丌关状态，对器 件的要求高，损耗也大。 2 2 2 逆变调功 常见的逆变调功主要有脉冲频率调制方式( p f m ) 、脉冲密度调制方式( p d m ) 、脉 冲宽度调制( p w m ) 。逆变器主电路拓扑如图2 - 6 所示： 分1 脉冲频率调制方式( p f m ) 调功原理：保持t o n 厂r - 0 5 不变，而改变t ，即调频的方法而实现输出功率的调节。 供给负载使用的交流电压直接由逆变桥中的功率器件的触发脉冲所决定，脉冲的频率就 决定了输出电压的频率，在负载等效参数r 、l 和c 一定的情况下，负载阻抗随逆变 器频率变化而变化。在电压和电流之间的关系上就表现为电压和电流之间存在一个相位 差，这个相位差随频率的变化而变化，而这个相位差又是功率因数角的两倍，所以调节 脉冲频率就能改变输出电压的频率，就能改变功率因数角，从而达到调节逆变器输出功 率的目的。 ：；：! = 一目 ： 。n _ 一 众 融 昼 夸i 徭 ：；八 a 忿 y 。 ：1 ： 卜”。 ：1 。l ，l n 。j ： ；1 z。：且 融 1 王： - m媛 7 i 一一 ：瓣一裂 ! | 1 i t ： ；i 型vi o ：。 l ：= ：一 4v i c c 。l i i - 口i 0 图2 7p f i d 控制高频感应加热电源f c = f o 时的输出电流波形 f i g 2 7u 0 ，1 0o fp f i dc o n t r o lw h e nf c = f o 9 江南大学硕十学位论文 - - j a 玲擎。烈内狮呼厂、孵黔俘! ：刹 - ， 。玲 l 0 涝 v卜慊u沙一：bi ：0l 厂v 沙 ，鲫b ，5 0 ”i 埘j轴舭d即5 鲰5 掘f曲r ! c c j 口f z 3 ： 图2 8p f m 控制高频感应加热电源f c f o 优点：不需要调压环节，简化了设备，降低了成本，调频部分控制比较简单，技术 成熟。 缺点：负载适应性不够好。如果负载在加热过程中的参数变化比较大，那么系统工 作的频率可能会在一个相当大的频域内变化，导致集肤深度也随之而改变，在某些应用 场合如表面淬火等，集肤深度的变化对热处理效果会产生较大的影响，这在要求严格的 应用场合中是不允许的。不过如果负载的q 值较高( q 为负载的品质因数，表示负载电 抗与电阻的比值，或者功率调节范围不是很大，则较小的频率调整就可以达到稳定功率 的要求，可以采用这种方式；功率调节精度低，用扫频的办法并不是真正调节的负载功 率，而是通过调节负载电压或者电流来近似调节功率。功率的表达式p = u l c o s q ，式中 缈为负载电压与电流的相位角。实际控制时相位角的余弦较难实现，所以就采用了把相 位角限制在一定范围内，调节负载电压( 或电流) 保持恒定的方式来近似实现功率的恒 定，调功比较粗糙。 在高频的工作场合，由于没有对负载工作的相位角给出恒定的控制，在低负载时就 会出现负载功率角较大而电流又能满足电流恒定的情况，这样换流时开关器件的拖尾电 流或二极管的反向电流比较明显，开关损耗也十分可观。 1 0 第二章感应加热l 乜源土电路设计 2 脉冲密度调制方式( p d m ) 【1 8 】( 1 9 】【2 0 】 调功原理：p d m 调功方式是通过控制脉冲密度，实际上就是控制向负载馈送能量 的时间来控制输出功率。其基本思路是：假设在某时段内总共有n 个功率输出单位， 1r l l 占 iiii f - 1一 厂 厂厂 uuuuuuu 八八八八八八八八八八 vvvvvvvvvv 厂 厂厂 厂 厂 厂n 厂厂 厂厂 厂 厂 厂 厂厂 厂 f -厂 厂 厂 厂 厂 广 厂 厂 厂厂 | 二- 二土一 it 图2 - 1 0p d m 控制原理示意图 f i g 2 - 1 0t h e o r yo fp d mc o n tr o l 在其中m 个功率输出单位里逆变桥向负载输出功率；而剩下的( n m ) 个单位内逆变 桥停止工作，负载能量以自然振荡形式逐渐衰减。这样的话，输出的脉冲密度为m n ， 这样输出功率就跟脉冲密度联系起来了。即通过改变脉冲密度就可改变输出功率。 优点：输出频率基本不变，开关损耗相对较小，易于实现数字化控制，比较适合于 开环工作场合。 缺点：由于逆变桥输出功率的频率不完全等于负载的自然谐振频率，所以在需要功 率闭环的场合中，工作稳定性较差；功率调节特性不理想，呈有级调功方式；轻载时输 出电压脉冲间隔变大，电流出现波动甚至断续，增大谐波，电流断续时给锁相带来困难。 近几年还出现了一种基于p d m 的改进功率调节方式，即脉冲均匀调制p s m 1 7 】。( 脉 冲均匀调制) 调功原理：对逆变器的两个桥臂的各一个开关采用脉冲均匀式间断控制， 其他两个开关采用常规p w m 控制，在一个周期内对称地控制开通脉冲信号和关断脉冲 信号。p s m 功率控制逆变器的基本原理是在负载谐振的基础上根据所需的功率设定自动 调节控制脉冲发出的个数和相位，并通过频率跟踪的方法，当负载参数的变化使负载谐 振频率发生改变时，自动改变逆变器的控制频率和相位，使逆变器始终工作在谐振或准 谐振状态。 优点：比起常规p d m 方式，这种控制方式拓宽了电流连续工作的功率调节范围和 功率调节精度。 缺点：继承了上述常规p d m 方式的几个缺点。 n o n k n n n n v v v v 江南人学硕士学位论文 脉冲位置 12 345678 91 01 11 21 31 41 51 6 v t 3 ，4 w l ，2 一个开关周期t 图2 - 1 1 脉冲均匀调制工作原理 f i g 2 - 11t h e o r yo fp s mc o n t r o l 3 脉冲宽度调n ( p w m ) 全桥电路拓扑是目前国内外功率变换电路中最常用的电路拓扑形式之一，在中大功 率应用场合更是首选拓扑，其最常用的输出p w m 控制方式有3 种：常规的脉宽调制 ( p w m ) 控制方式；移相控制方式；有限双极性控制方式。 ( 1 ) 常规的p w m 控制方式：在工作频率恒定的前提下，通过中断功率流和控制 占空比的方法来控制输出功率【2 。 l ! 1 21 2 9 i ! i 图2 - 1 2p w m 控制原理 f i g 2 - 1 2t h e o r yo fp w mc o n t r o l 调功原理：保持开关管开关周期t 不变，改变开通时间t o n 时，则占空比t o n t 也 相应改变，就可以调节输出电压的脉冲宽度，来改变输出功率。在这种控制方式中，斜 对角的功率开关管q 1 、q 4 为一组，q 2 、q 3 为另一组，同时导通或截止。两对开关 管由驱动电路以p w m 方式交替开通和关断，开通时间均不超过半个周期，即开通角均 小于1 8 0 。因此功率开关管在电压不为零时导通，在电流不为零时关断，处于强迫硬 开关过程。 优点：开关频率恒定，利于滤波器的优化设计，控制电路简单，技术成熟。 缺点：开关损耗大、e m i 大、效率低、工作频率不能高、体积大，所以一般应用 于逆变频率不太高以及体积和重量不要求、效率要求不高且成本较低的逆变系统。随着 一些软开关技术的发展，桥臂开关的硬开关问题己得到了较好的解决，实现了开关管的 零电压开关，减小了开关损耗。虽然有关于p w m 的各种优化，可以提高输出功率，但 是其输出仍不是正弦波，开关损耗还是比较大。 1 2 第二章感戍加热电源主电路设计 ( 2 ) 移相控制方式( p s p w m ) 2 2 1 2 3 】【2 4 】 2 5 】 图2 - 13p s p w m 调功方式控制原理 f ig 2 1 3t h e o r yo fp s p w mc o n t r o l 调功原理：p s p w m 调功方式是传统p w m 调功方式发展出来的一种调功方式，逆 变器工作时，通过锁相回路使逆变器工作在负载谐振状态。移相p w m 控制方式的基 本工作原理为：保持每个开关管的导通时间不变，每个桥臂的两个开关管互补导通，两个 桥臂的导通时间之间相差一个相位。对全桥变换器来说，只有对角线上两只管子同时导 通时才输出功率，故可以通过调节对角线上的两只开关管导通重合角的大小来调节。输 出电压脉冲宽度，从而达到调节相应的输出电压，实现稳压控制目的。移相p w m 控制 实际上是谐振变换技术和常规p w m 变换技术的结合，是近年来在全桥变换电路中广 泛应用的一种软开关控制方式。谐振型变换技术就是在传统的p w m 开关电源主电路拓 扑结构的适当位置加入谐振元件，利用这些元件和分布元件谐振作用，使功率开关的电 流或电压波形成为准正弦波，这样就能使功率开关在电压或电流波形为接近零时进行开 关工作。当电流过零时，使器件关断；当电压过零时，使器件开通，实现开关损耗为零， 实现软开关过程。相比于硬开关过程，可以大大减少开关损耗和开关噪声，提高变换器 的可靠性，并允许开关频率达到m h z 数量级，极大地减小变换器的体积。因此，谐振 型软开关变换器成为新一代变换器的最佳选择方案。 优点：开关频率恒定，利于滤波器的优化设计；随着一些软开关技术的发展，桥臂 开关的硬开关问题己得到了较好的解决，实现了开关管的零电压开关，减小了开关损耗， 一 _ - - 刀 ， 厂 _ r厂|。7 八。 z 厂 uf l j 厂l 一l 一 e | _ 。 o_ _ ：l b i 口。l 图2 - 1 41 0 功率输出时的电压电流波形 f i g 2 1 4u o i oo f1 0 o u t p u tp o w e r 江南大学硕+ 学位论文 从而可以提高开关频率；元器件的电压和电流应力小，电压应力为电源电压，电流应力 与传统的全桥电路一样，等于折算到初级的负载电流。 缺点：轻负载时移相角增大，输出电压脉冲宽度减小，电流波形变成近似三角波。 ( 3 ) 有限双极性控制法【2 6 】( 2 7 1 【2 8 1 ： 有限双极性控制方式是由一对互补领先的p w m 脉冲和一对互补滞后的p w m 脉冲 组成，驱动波形见图2 。1 5 。 v t l 。4 图2 1 5 有限双极性驱动波形 f i g 2 - 1 5 d r i v ew a v eo fl i m i t e dd o u b l e - p o l a r i t yc o n t r 0 1 采用有限双极性控制方式，传统的移相调功的超前臂和滞后臂同时导通，轻载时有 限双极性控制的超前臂死区时间相应增大，从而客服了传统移相调功死区不可调整的缺 点。 优缺点：有限双极性控制方式丁使一对开关管工作于状态，另一对开关管工作于状 态：或可使一对开关管实现无损耗关断，另一对开关管能得到改善。从而大大降低了开 关损耗。解决了传统移相中调功范围与软开关的矛盾轻载时滞后桥臂的软开关很难实 现，降低了功率管的损耗，而完全采用有限双极性p w m 功率调节法，会由于控制时序 的变化不一，使其逻辑判断较复杂。 上述第一种控制方式开关器件通常工作在硬开关状态下，开关损耗和开关噪声均很 大。后两种控制方式，开关器件可以在零电压或零电流条件下以软开关方式完成状态转 移，近年来得到广泛关注。其中第二种控制方式是国内外电源界研究的热门课题，但移 相控制本身有一个难于克服的缺点，即死区时间不好调整。负载较轻时，超前桥臂功 率管上并联电容放电很慢，超前桥臂开关管必须延长很长的时间后才能实现z v s 开通。 专用的移相控制芯片一般很难调整这个死区时间，使超前臂开关管的零电压开通失败。 第三种控制方式有限双极性控制，目f j 的研究者不多。 4 混合调功法 较单纯的调功方式具有优势，可以取长补短，优势互补，拼弃弊端： ( 1 ) p w m & p f m 调制方式 2 9 】【3 0 】 调功原理：用移相p w m 作为主要调功方式，通过调节定相臂与移相臂触发脉冲角 1 3 的大小调节输出电压的占空比；用锁相环电路跟踪负载电流相位的变化，是一种既调 节占空比又调节输出电压频率的调节方式。 1 4 第二章感应加热电源主电路设计 优点：逆变桥的四个开关管均买现了z c s ，这对i g b t 这种存在很大拖尾电流的器 件是很有利的，可显著减小关断损耗；与单纯用p f m 调功方式相比，其在获得较大的 功率调节范围同时频率变化小。 v t l 口口l v t 3 li 口l 口 v t 4 口；口i 2 l 口；臣 图2 - 1 6p w m & p f m 控制原理 f ig 2 - 1 6t h e o r yo fp w m & p f mc o n t r o l 缺点：调功主要依靠移相p w m ，从而不可避免继承了p s p w m 在轻载情况下波形 畸变严重的缺点；移相臂的换流在上下桥臂之间进行，限于丌关管反并二极管的反向恢 复特性，反并二极管出现反向恢复电流，此反向恢复电流截止时，会产生电压尖刺，对 相应开关管是不利的，故这种方式不适合内部反并二极管反向恢复速度慢的m o s f e t 器件，在i g b t 器件逆变器中，对移相臂开关管的反并二极管要求高，要选用超快且软 恢复特性的器件，而且要加缓冲电路【、l 减小电压尖峰。 ( 2 ) p d m & p w m 调制方式【3 l j 吲 调功原理：p d m 和p w m 共同承担功率的调节，其相关波形如图2 1 7 。 图2 - 1 7p d m & p w m 开关管驱动信号 f i g 2 - 17 d r i v ew a v eo fp d m & p w mc o i l t ! r 0 1 优点：在相同的功率调节量情况下，脉冲密度和移相角大小同时减小，在一定