（电力电子与电力传动专业论文）固态高频感应加热电源控制技术的研究.pdf

a b s t r a c t i n d u c t i o nh e a t i n gp o w e rs u p p l yi sw i d e l yu s e di ni n d u s t r i a la p p l i c a t i o n sf o ri t sh i g h e f f i c i e n c y , h i g hh e a t i n gs p e e d ，f l e x i b l ec o n t r o la n d c l e a rh e a t i n gc o n d i t i o n s f o c u s i n go n t h ee x i s t i n gp r o b l e m sa n dt h eh o tr e s e a r c h i n ge m p h a s i s ，t h i sp a p e rd e e p l ys t u d i e st h e r e c t i f i e r , r e s o n a n t i n v e r t e r ，r e s o n a n tt a n ka n dc o n t r o lc i r c u i to fh i g h f r e q u e n c y s o l i d s t a t ei n d u c t i o nh e a t i n gp o w e rs u p p l yr e s p e c t i v e l y t h em a i np r o d u c t i o n sa n d c o n c l u s i o n sa r ea st h ef o l l o w i n g ： 1 t h et o p o l o g ys t r u c t u r ea n dc o n t r o lt e c h n i q u eo ft h r e e - p h a s ec u r r e n ts o u r c er e c t i f i e r ( c s r ) a r cr e s e a r c h e d an e ws v p w mt e c h n i q u ef o rm u l t i l e v e lt h r e e p h a s ec s r b a s e d o nt h ec o n c e p to fs p a c ev e c t o ri n t e g r a t i o ni sp r e s e n t e d ，w h i c hh a st h em e r i t so fc l e a r c o n c e p t ，s i m p l e r e a l i z a t i o na n du n i v e r s a la d a p t a b i l i t y t h r o u g ht h en e ws v p w m t e c h n i q u e ，t h em u l t i l e v e lt h r e e p h a s e c o n v e r t e rr e a l i z e sh i g hp o w e rc a p a b i l i t y , l o w s w i t c h i n gf r e q u e n c ya n dl o wg r i dc u r r e n th a r m o n i c ；an e w o v e r m o d u l a t i o nm e t h o df o r t h r e e p h a s e c s ri sp r e s e n t e dt oe x p a n di t sd co u t p u tr a n g e ，w h i c hi ss u i t a b l ef o r a p p l i c a t i o nf i e l d sw h e r et h ep o w e rs o u r c ef l u c t u a t e ss e v e r e l y ；an e ws c r m u l t i l e v e l t h r e e p h a s ec s rt o p o l o g ya n di t ss v p w mt e c h n i q u ea r ep r e s e n t e d t or e a l i z eh i g hp o w e r c a p a b i l i t y , l o wc o s t s 2 t h es w i t c h i n gp r o c e s s e sa n dp h a s e l o c k i n gc o n t r o ls c h e m eo fv o l t a g e 。s o u r c e r e s o n a n ti n v e r t e ri sr e s e a r c h e d t h ez e r o - v o l t a g e - s w i t c h i n g ( z v s ) s t r a t e g yt om i n i m i z e t h ep o w e rl o s s ，a sw e l la st h er e a l i z a t i o no fz v sp h a s e - l o c k i n gc o n t r o lm e t h o di s p r e s e n t e d ；t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ea l l d i g i t a lp h a s e l o c k e d l o o p ( a d p l l ) i s e s t a b l i s h e d ，a n dt h es t a b i l i t ya n dd y n a m i cp e r f o r m a n c e s u n d e rd i f f e r e n tc o n t r o l p a r a m e t e r sa r ea n a l y z e dd e e p l y ；t h ea d p l l r e a l i z e db yf i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ( f p g a ) i ss o f t w a r ep r o g r a m m e da n do p e r a t e sa sh a r d w a r em o d e c o n t r a s t e dw i t ht h e t r a d i t i o n a lp l l ，t h ea d p l lc a ni n c r e a s et h es t a b i l i t ya n da c c u r a c yo ft h ei n v e r t e r c o n t r o lc i r c u i t 3 t h et o p o l o g ya n dc o n t r o ls t r a t e g yo fv o l t a g e - s o u r c el l cr e s o n a n tc i r c u i ta r e r e s e a r c h e d a n ds o m ei m p o r t a n tc o n c l u s i o n sa r ea st h ef o l l o w i n g ：a ) t h el l c r e s o n a n t c i r c u i ti se a s yt or e a l i z ei m p e d a n c e m a t c hb e t w e e ni n d u c t i o nh e a t i n gp o w e rs u p p l ya n d h e a t e dl o a d ，b ) c o m p a r i n gw i t ht h el cr e s o n a n tc i r c u i t ，t h el l cr e s o n a n tc i r c u i ti s i m m u n et ol o a df a u l t s s u c ha si n d u c t o rc o i lo p e n ，s h o r ta n ds t r i k e ，c ) w h e nt h el l c i n v e r t e ru n i t sa r ep a r a l l e l e dt oi n c r e a s ep o w e rc a p a b i l i t y , t h el l ci n v e r t e ru n i t sa r e r o b u s tt oo u t p u tv o l t a g ep h a s ee r r o r , a m p l i t u d e e r r o ra n dt r i g g e ra s y n c h r o n y ；a 华北电力大学博士学位论文摘要 d o u b l e c l o s e d 1 0 0 pa d p l lc o n t r o lc i r c u i tb a s e do nt h ef e e d b a c k so fi n v e r t e ro u t p u t c u r r e n ta n dr e s o n a n tc a p a c i t o rv o l t a g ea r ed e s i g n e d a n d ，t h es w i t c h i n gs t a t eo fp o w e r d e v i c e si so p t i m i z e d ，w h i c hc a nm a k et h ep o w e rs u p p l yo p e r m i n gs a f e l ya n de f f i c i e n t l y 4 a na 1 1 d i g i t a lc o n t r o l l e dh i g hf r e q u e n c ys o l i d s t a t ei n d u c t i o nh e a t i n gp o w e rs u p p l y t o p o l o g yi sd e s i g n e d a n d ，t h ec o n t r o ls y s t e mi n c l u d i n gt h r e e p h a s e cs r ，r e s o n a n t i n v e r t e ra n dp r o t e c t i o nc i r c u i ti sr e a l i z e do no n ec h i pf p g a ，w h i c hi sc a l l e ds y s t e mo n c h i p ( s o c ) t h ec o n t r o lm e t h o d sa n d c o n c l u s i o n sp r o p o s e di nt h i sp a p e ra r cv e r i f i e db y t h et o p o l o g yt e s t s k e yw o r d s ：i n d u c t i o nh e a t i n g ，t h r e e - p h a s ec u r r e n ts o u r c er e c t i f i e r ( c s r ) ，r e s o n a n t i n v e a e r ，a l l - d i g i t a lp h a s e l o c k e d l o o p ( a d p l l ) ，l l cr e s o n a n tc i r c u i t i i 士p = i明明 本人郑重声明：此处所提交的博士学位论文固态高频感应加热电源控制技术的研 究，是本人在华北电力大学攻读博士学位期间，在导师指导下，独立进行研究工作所 取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含 任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。 签名：盔必e l 期：至垒2 星： ：三 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文：同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：奎至邀 日期： 2 堡里室： ：五 导师签 华北电力大学博士学位论文 第一章引言弟一早jii 1 1 课题研究的背景和意义 1 1 1 课题研究的背景 感应加热是通过电磁感应原理来传递能量、利用工件中产生的涡流对工件进 行加热的一种加热技术。与传统的加热方式不同，感应加热是一种非接触式加热， 可以将能量精确地集中到工件的被加热部位，因此具有加热均匀、速度快、可控性 好、易于实现自动化、产品质量稳定、现场劳动环境好、作业占地少等优点心3 3 。近 年来，感应加热技术不仅在熔炼、铸造、弯管、热锻、焊接、表面热处理、粉末冶 金等传统工业加热行业得到了广泛应用，而且在电子器件和构件的精密焊接、航天 航空工业中特殊材料及零件的改性处理、材料表面的涂层复合处理等加工工艺领域 都有着越来越重要的应用口吲。 固态感应加热电源是感应加热装置的关键设备之一，它的作用是利用电力电子 器件将工频交流电能转换为加热工件所需的高频交流电能心，3 1 。固态感应加热电源一 般由整流器、直流滤波电路、谐振逆变器、负载谐振槽路和控制电路等部分组成， 各部分相对独立但又紧密联系，其电路拓扑结构如图1 - 1 所示。 除仁毗b 刚协舢协鼢p矗胁怖 图卜1 固态感应加热电源拓扑结构 固态感应加热电源的发展与电力半导体器件和控制技术的发展密切相关。2 0 世 纪5 0 年代末晶闸管的出现标志着以固态半导体器件为核心的现代电力电子学的开 始，晶闸管器件的出现引起了感应加热电源技术以及整个电力电子学的二场革命， 固态感应加热电源及其应用从此得到了飞速发展盯1 。 至今，在1 5 0 h z - - 一3 k h z 频率范围内，晶闸管中频感应加热电源已完全取代了传 统的中频发电机组和电磁倍频器，成为中低频感应加热电源的主要品种，其电路结 构一般都采用并联谐振拓扑。国外晶闸管中频电源的研发水平已达数十兆瓦，国内 也已形成1 0 0 k w - 3 0 0 0 k w 的系列产品，可以配备5 t 以下的熔炼炉及更大容量的保 温炉，也适用于各种金属透热、表面淬火等热处理工艺。当电源频率高于3 k h z 时， 1 第一章引言 由于晶闸管器件特性的限制，必须通过改变电路拓扑结构才有可能实现如此高的工 作频率，如采用分时复用电路或倍频电路心3 3 等。国内在7 0 年代开始研制晶闸管倍 频式感应加热电源，后于8 0 年代末又采用改进型倍频逆变电路研制成功了 5 0 k w 5 0 k h z 晶闸管超音频电源口1 。由于倍频电路采用的是双谐振回路，时变的被 加热负载使谐振槽路的参数呈现较强的非线性，电源的负载匹配与调试也比较复 杂，因而没有得到很好的推广应用。1 9 8 3 年美国g e 公司发明了一种很有前途的功 率器件一i g b t ，它综合了m o s 器件和双极型晶体管的优点，具有通态损耗小、开 关速度快、单管容量大等优点。采用高压大容量i g b t 器件制作的感应加热电源不 仅成本较低、结构简洁，而且其控制和驱动也大为简化。自1 9 8 8 年解决了i g b t 器 件的挚住效应问题后( 由寄生n p n 晶体管引起) ，大功率高速i g b t 已成为制造固 态超音频感应加热电源的首选器件阴一1 ，频率高达1 0 0 k h z 、功率达m w 级的感应加 热电源也可以采用i g b t 器件实现。如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 电流型感应加热电源；西班牙也在1 9 9 3 年研制出了3 0 k w 6 0 0 k w 5 0 1 0 0 k h z 电流型感应加热电源；欧美国家如英国、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已达数千千瓦，频率覆盖整个超音频段。国 内部分院校和企业也在9 0 年代初开始对i g b t 固态感应加热电源进行了研发n 训，目 前制造水平为1 0 0 0 k w 5 0 k h z ，与国外的研制水平仍有一定的差距。 在高频( 1 0 0 k h z 以上) 段，感应加热电源正处在从传统的电子管电源向固态电 源的过渡阶段。使用i g b t 器件实现如此高的工作频率是比较困难的，必须采用新 的拓扑结构和控制技术，如多桥分时控制n u ( 欧洲e f d 公司) 或倍频电路n 2 1 3 等， 所以目前研制大功率高频固态感应加热电源的首选器件主要以模块化、大容量化的 功率m o s f e t 器件为主。德国在1 9 8 9 年研制的电流型m o s f e t 感应加热电源水 平达4 8 0 k w 5 0 2 0 0 k h z ；比利时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 加热电源水平可达1 0 0 0 k w 1 5 6 0 0 k h z ；西班牙采用m o s f e t 的电流型感应加热 电源制造水平达到6 0 0 k w 4 0 0 k h z ；美国t h e r m a t o o lc o r p 公司的电流型m o s f e t 感应加热电源则达到8 0 0 k w 1 0 0 8 0 0 k h z 。应用于高频电源的另一功率器件为静电 感应晶体管( s i t ) n 扣嘲，电源制造水平在8 0 年代末达到了1 0 0 0 k w 2 0 0 k h z 、 1 0 0 k w 4 0 0 k h z 。s i t 器件的开关速度比m o s f e t 慢，同时它存在很大的通态损耗， 随着m o s f e t 和i g b t 器件性能的不断提高，s i t 将逐渐失去它存在的价值。国内 目前m o s f e t 固态高频感应加热电源制造水平约为6 0 0 k w 4 0 0 k h z ，与国外的研发 水平有一定的差距。 1 1 2 课题研究的意义 固态高频感应加热电源在现代工业中有着广泛的应用和很大的市场需求，提高 固态感应加热电源的综合性能对于提高加热效率、节约能源、提高产品质量有着非 2 华北电力大学博士学位论文 常重要的意义。虽然国内外学者对高频感应加热电源的拓扑结构、控制技术等方面 进行了广泛而深入的研究并取得了大量研究成果，但还是有许多问题尚未解决，在 理论上和技术上仍存在很大的研究空间。固态感应加热电源是由整流器、谐振逆变 器、谐振槽路及控制电路构成的统一有机整体，提高电源的整体综合性能应从这几 部分着手。例如，目前大功率固态感应加热电源的整流器普遍采用晶闸管相控整流 器，不仅电网侧功率因数低、谐波污染严重，而且其动态响应能力较差，已成为制 约大功率固态感应加热电源推广应用的主要原因，所以研究具有单位功率因数、低 谐波、快速响应能力的p w m 整流器以取代晶闸管相控整流器具有非常紧迫的现实 意义；固态感应加热电源谐振逆变器的锁相控制电路目前普遍采用的是模拟器件和 低集成度i c 芯片，不仅控制精度低、抗干扰能力差、调试复杂，而且难以实现控 制的智能化。另外，现有的锁相控制策略也难以保证逆变器开关器件的z v s ( z e r o v o l t a g es w i t c h i n g ) 或z c s ( z e r oc u r r e n ts w i t c h i n g ) 换流条件，这导致器件的开关 损耗增加、工作频率提升困难，并严重影响电源的高效可靠运行，所以研究采用新 的控制策略并采用大规模可编程集成电路来优化电源的控制也是非常迫切的；常规 的二阶l c 谐振电路存在阻抗匹配方式不够灵活、抗负载故障能力较低等问题，非 常需要一种新的谐振电路拓扑来改善这些缺陷。此外，固态高频感应加热电源在器 件韵工艺布局、故障保护等方面也仍有一些亟待解决的问题。 总之，对固态高频大功率感应加热电源从结构上和控制上继续做进一步的深入 研究以提高整个电源系统的综合性能具有非常现实的理论意义和实用价值，对缓解 高质量热加工产品的需求和电力能源紧张之间的矛盾也有着深远的影响。 1 2 固态感应加热电源的研究现状及发展趋势 目前大功率固态感应加热电源普遍采用a c d c a c 的电路拓扑结构1 2 ，3 1 ，国 内外学者对固态感应加热电源的研究主要集中在电源的功率调节方式、谐振逆变器 的拓扑结构、谐振槽路和电源控制四部分。 1 2 1 固态感应加热电源的功率调节 对于固态感应加热电源的功率调节方式来说，目前主要分为：整流器侧调功和 逆变器侧调功两类。中小功率的固态感应加热电源一般采用逆变器侧调功以简化主 电路，而对于中大功率的固态感应加热电源，主要采用整流器侧调功以使谐振逆变 器获得最佳的工作性能。 1 2 1 1 整流器侧调功 对于采用整流器侧调功的大功率固态感应加热电源来说，晶闸管相控整流器是 最常用的一种整流器，其电路结构、输入电流及频谱分析如图1 - 2 所示。这种相控 3 第一章引言 整流器结构简单、成本较低、控制技术也非常成熟，因此得到了广泛的应用。但是 这种相控整流电路也有非常明显的缺点：1 ) 网侧功率因数低，2 ) 对电网谐波污染 严重，3 ) 直流动态响应速度慢，4 ) 直流滤波器件容量大、体积大。 随着“绿色电源理念的兴起，具有低输入谐波、单位功率因数、能量双向流 动的p w m 整流器得到了越来越广泛的关注和重视，已成为现代电力电子领域的研 究热点n 7 。1 9 1 。以拓扑结构来分类，p w m 整流器主要分为电压型p w m 整流器( v s r ) 和电流型p w m 整流器( c s r ) 两种，前者比后者结构简单，开关器件的损耗也较 低。另外，电压型p w m 整流器直流侧采用电容储能比电流型p w m 整流器直流侧 采用电感储能的效率要高，所以长期以来电压型p w m 整流器一直成为p w m 整流 器的研究重点，并取得了广泛和重要的应用，如静止无功发生器( s v g ) 、有源电力 ( a ) 电路拓扑结构 二厂r 一一、；厂r 一。、! ( b ) 相电流及其频谱 图卜2 三相晶闸管相控整流器 滤波器( a p f ) 、统一潮流控制器( u p f c ) 、高压直流输电( h v d c ) 、电气传动( e d ) 、 新型u p s 电源以及可再生能源的并网发电等。但是，电压型p w m 整流器是一种基 于b o o s t 升压原理的变流器，其直流电压必须高于交流电源电压峰值，这对于一些 诸如感应加热电源、直流拖动、电化学等需要在零至额定电压之间连续调节的工业 应用是极为不便的，另外电压型p w m 整流器的短路保护比较困难。而电流型p w m 整流器是基于b u c k 降压原理的变流器，其直流电压可以在零至额定值之间连续调 节，非常适合电压型p w m 整流器难以满足调压功能的场合，并且电流型p w m 整 流器的故障保护相对容易，网侧电流控制也较灵活，因此近年来电流型p w m 整流 4 华北电力大学博士学位论文 器的研究得到了极大的重视啪2 。考虑到固态感应加热电源直流调功的实际要求， 无论是电压型感应加热电源还是电流型感应加热电源，采用三相电流型p w m 整流 器( c s r ) 都是非常合适的，其典型电路拓扑结构如图卜3 所示。 这种具有降压特性的电流型p w m 整流器具有非常好的动静态性能，并且功率 可以双向流动。但是由于图1 - 3 所示的电流型p w m 整流器的三相桥臂都采用全控 型功率器件，所以电源的成本较高，结构也比较复杂。为此，文献 1 8 提出了一种 低成本的s c r 三相电流型p w m 整流器拓扑结构( 如图卜4 ) ，通过s c r 和直流回 路的全控型功率器件相配合也可以实现p w m 控制，文献 2 2 ，2 3 对之进行了进一 步的研究。由于晶闸管器件的电压、电流容量较大且价格便宜，这种电路结构尤其 适合大功率整流器。图1 - 5 为三相电流型p w m 整流器的网侧电压、电流波形与电 网侧电流频谱，和图1 - 2 的三相晶闸管整流器的波形相比，三相电流型p w m 整流 器可以实现网侧低输入谐波、高功率因数，而且其动静态性能远高于传统的晶闸管 相控整流器，这对于减小直流滤波器件的体积和重量、提高感应加热电源的动态响 应性能和故障保护是非常有益的。目前国内外学者对三相电流型p w m 整流器的研 究热点主要集中在p w m 整流器的调制方式2 吨钉、网侧电流控制乜5 2 们、大功率整流 器的多电平技术口7 。3 引、网侧电流的动态阻尼控制9 。4 2 1 、电源电压不平衡时的控制h 3 j 4 1 等方面。 f 一 i t l d 茬 l zz 矗1 、，v 、 _ 1 9 厂一。 s q 咱p m 嘎 钾 上一f 一 i s q r cz zz 图1 - 3 三相电流型p w m 整流器图1 - 4 三相s c r 电流型p w m 整流器 t h 嘲6 ；卜 图1 - 5 三相电流型p w m 整流器相电压、电流波形( 左) 及其频谱( 右) 虽然国内外学者在三相电流型p w m 整流器的研究上取得了不少研究成果，但 是仍有许多实用化问题亟待解决。比如，目前的p w m 调制方法都是基于线性调制 5 砸 柏 o 第一章引言 区的，对其过调制策略研究不够，这导致三相电流型p w m 整流器的直流电压在电 网电压较低时不能满足实际负载需要，所以研究三相电流型p w m 整流器的过调制 技术以拓展其直流电压输出范围具有很强的现实意义。另外，工业应用的三相电流 型p w m 整流器一般功率都很大，在目前的电力电子器件制造水平下，实现大功率 的最有效手段就是多电平技术。而目前已有的多电平p w m 整流器不仅结构复杂、 成本高，而且其多电平调制技术存在通用性不强、算法过于复杂、实现困难等缺点， 所以研究低成本的多电平拓扑结构和简单实用的多电平调制算法是一个重要课题。 此外，在整流器的主回路设计、故障保护等方面也有许多问题需要进一步深入研究。 可以想象，随着研究的不断深入和高压大功率电力电子器件成本的降低，三相电流 型p w m 整流器必将会取代传统的晶闸管相控整流器，真正实现感应加热电源的“绿 色无污染 。 1 2 1 2 逆变器侧调功 目前中小功率应用领域常采用不可控二极管整流，功率调节则通过对谐振逆变 器的控制或通过直流降压斩波器来完成。逆变器侧调功的控制策略灵活多样，比如 文献 4 5 ，4 6 提出了脉冲密度功率控制( p d m ) 方法，该方法的突出优点是电源侧 的输入功率因数较高、易于数字化实现，还克服了脉宽调功( p w m ) 、调频调功( f m ) 、 移相调功( p s m ) 等方法的缺点，改善了功率器件的换流条件。其主要不足是电源 的功率调节是分级脉动的，难以连续调节输出功率，并且当调功比例较大时，电源 的输出功率波动较大，所以比较适合大惯性负载。 ( a ) a v c 理论分析 ( b ) a v c 试验分析 图1 - 6 非对称移相法( a v c ) ( a ) p s m 理论分析 ( b ) p s m 试验分析 图1 - 7 经典移相法( p s m ) 文献 6 ，4 7 5 2 介绍了比较经典的移相调功( p s m ) 和脉宽调制( p w m ) 调功 6 华北电力大学博士学位论文 方法，通过分别调节触发脉冲的相位、脉冲的占空比来调节输出功率。这两种方法 简单易实现，其主要缺点是功率器件难以保证在全功率范围内实现z v s z c s 换流， 仅适用于中小功率场合。另外，文献 5 3 提出了一种新颖的非对称补偿的移相调功 控制方法( a v c ) ，该方法克服了目前已有的逆变侧调功方法如p w m 控制、移相 控制( p s m ) 等难以保证开关器件z c s z v s 的缺点。作者将脉宽调制和移相调制相 结合，通过改变上下桥臂开关器件触发脉冲的宽度和触发时刻，使换流的开关器件 满足z c s 或z v s 条件，并给出了理论分析和相应的试验结果( 图卜6 ，图卜7 ) 。 从该文的试验结果看，a v c 控制效果比较好，在大范围调功时能够保证器件的理想 换流条件。但是，该控制方法的逆变器输出波形不好，易产生较大的电磁干扰，并 且控制相对复杂，比较适用于负载谐振频率变化不大的中小功率场合。 1 2 2 谐振逆变器的拓扑结构 谐振逆变器是固态感应加热电源中最重要的组成部分，它通过负载谐振槽路来 创造功率器件的零电压开关( z v s ) 或零电流开关( z c s ) 条件，所以其开关损耗 相对于脉宽调制( p w m ) 的硬开关模式要小的多，其开关频率可以得到更高的提升 以满足被加热负载的需要。谐振逆变器的电路拓扑结构千差万别，没有一种固定的 模式。在拓扑结构的选择上，主要考虑电源容量的大小谐振频率的高低、屯源的 成本等因素。 为了降低电源的成本和复杂程度，小功率感应加热电源的拓扑结构多为单管结 构啼4 ，5 胡或双管结构6 咱们，这两种拓扑结构在功率级别为几个千瓦的开关电源和家用 电器中有着广泛应用。单管拓扑体积小、成本低，可以实现器件的z v s 软开关，但 是开关器件承受的峰值电压或电流较高，直流电流和电压的利用率也比较低。典型 的单管电路拓扑如图卜8 、图卜9 所示，图中l 和r 分别为负载的等效电感和电阻。 d s l r 图卜8 单管电流型谐振电路图卜9 单管e 类谐振电路 双管谐振电路比单管谐振电路有更大的灵活性，可以在功率容量、功率调节方 式和直流利用率上有更大的选择空间，其拓扑结构多种多样，广泛应用于电磁炉、 电磁热水器等中小功率应用领域。图1 - 1 0 、图1 - 1 1 为两种典型的双管谐振电路拓 扑结构 5 7 , 5 s ，其中谐振电路2 是谐振电路1 的改进电路，以改善开关器件的z v s 换 流条件，提高器件的开关频率。文献 6 0 ，6 1 则提出另外几种用于家用电器的双管 拓扑改进电路，其基本要求和控制方案与其他的双管拓扑结构内容近似，目的都是 为了在不显著增加成本的前提下改善器件的换流条件。总之，小功率感应加热电源 7 第一章引言 的首要目标是在基本保证开关器件换流条件的基础上降低装置成本，很多电路结构 并不适合大功率领域。 阻串 l r c型 p 与z 图卜1 0 双管谐振电路1图1 - 1 1 双管谐振电路2 在大功率感应加热电源中，新的拓扑创新并不多，目前采用的几乎都是单相h 桥结构，国内外学者的研究热点主要集中在对其控制和保护方面。这种h 桥电路结 构具有灵活的控制策略、良好的器件开关条件和最高的直流利用率，所以在大功率 应用领域得到了广泛的应用。从谐振槽路和谐振逆变器的结构特点上来分，谐振逆 变器主要分为电压型( 串联谐振) 和电流型( 并联谐振) 两种乜3 3 。图卜1 2 、图卜1 3 为采用m o s f e t 器件的电压型和电流型h 桥逆变器的电路拓扑和其理想输出电压 电流波形。这两种电路拓扑在很多方面都有对偶性，使得他们在应用中也有很多共 ( a ) 电路拓扑结构 ( b ) 输出电压电流波形 图1 - 1 2 电压型全桥谐振逆变器 ( a ) 电路拓扑结构 ( b ) 输出电压电流波形 图1 - 1 3 电流型全桥谐振逆变器 通之处。从表1 - 1 可以看出这两种拓扑结构各自都有明显的优点和局限性，在高频 谐振逆变器的选择上，我们应尽量避免一种电路的实现难点，而充分利用其优点。 电流型谐振逆变器的每个桥臂上都需串联大功率快恢复二极管，二极管的功率等级 要求大，损耗较高；而电压型谐振逆变器中的快恢复二极管仅需流过续流电流，相 对而言损耗很小。另外，电源线路的杂散电感总是不可避免的，尤其是采用多管并 联的大功率电源，过大的引线电感将会使器件的开关条件变差。在电流型谐振逆变 r 华北电力大学博士学位论文 器中，逆变器的输出引线电感对电源的工作状态影响很大，当谐振逆变器工作在感 性状态时，会造成开关器件上出现很高的尖峰电压，使功率器件的损耗增大甚至损 坏。而对电压型谐振逆变器来说，电源的输出引线电感可以合并到感应器的等效电 感里，引线电感仅会影响谐振槽路的固有谐振频率和电源效率，而不会影响电源的 正常工作状态。在综合比较目前的电力电子器件制造水平、电源生产工艺和电源工 作状态之后，国内外研究人员普遍认为电压型谐振逆变器比较适合制作固态高频感 应加热电源。 表1 - 1 电压型谐振逆变器和电流型谐振逆变器的对比 电压型谐振逆变器电流型谐振逆变器 拓 直流采用大电容滤波，恒压源供电直流采用大电感滤波，恒流源供电 扑 负载为串联谐振电路负载为并联谐振电路 结功率器件需反并联快恢复二极管，为谐功率器件需串联同容量快恢复二极管， 构振电流提供续流通路以承受谐振电路产生的反向电压 工 逆变输入为直流电压逆变输入为直流电流 作 输出电压为矩形波，输出电流为正弦波输出电流为矩形波，输出电压为正弦波 特 一般工作在感性准谐振状态一般工作在容性准谐振状态 性开关器件换流时需死区时间开关器件换流时需重叠时间 电压源供电，浪涌电流大，短路保护困电流源供电，电流冲击小，短路保护容 难，开路保护容易易，开路保护较难 串联谐振电路负载匹配方法较少并联谐振电路负载匹配方法较灵活 优 电压型谐振逆变器对线路寄生参数不敏电流型谐振逆变器对线路寄生参数敏 缺 感，负载引线可适当加长感，负载引线不宜过长 点 功率器件承受反压，高速大容量二极管 功率器件不承受反压 选择困难 功率调节方式灵活主要采用直流调功方式 功率开关器件的开关损耗随器件的开关频率的增加而非线性地增加，而器件的 散热受冷却条件以及器件、散热器之间的热阻限制，这使得进一步提高特定功率器 件的开关频率变得非常困难。基于此，文献 6 2 ，6 3 提出了分时复用的逆变控制原 理，通过使不同逆变器单元循环导通来降低功率器件的等效开关频率。采用这种控 制方式可以使用目前的功率器件实现较高的工作频率，其工作原理图如图1 - 1 4 所 示。根据文献 6 3 的研究，采用这种分时原理不仅可以提高电源的输出频率而且在 定程度上还可以提高开关器件的利用率，是一种有待继续深入研究的拓扑。此外， 文献 1 2 ，1 3 则采用了倍频电路来实现电源工作频率的提高，这种倍频电路拓扑具 有两个谐振网络，负载槽路设计和电源调试都比较困难。从理论分析和相关文献的 9 第一章引言 研究可以发现，这种倍频电路的输出实际上是基波和二次谐波的合成，并不是真正 意义上的倍频，其实际效果也不是很理想，其相关电路和实验波形如图1 - 1 5 所示。 虽然近年来也不时有一些新的拓扑结构出现n6 6 4 1 ，但基本上是以h 桥电压型或 电流型结构为原型的改进或是组合，拓扑上并没有实质的突破，其实际使用效果也 有待进一步验证。 逆变器l 逆变器2 逆变器3 逆变粼 输出电漉 输出电压 厂 ， 一 u 久 厂 ；一 厂l 、 一一7 u 。_ _ 一 广i l llll _ jl ( a ) 工作原理波形( b ) 电路结构 图1 - 1 4 电压型全桥谐振逆变器分时工作拓扑和工作原理 鬻匕 魄 融挠圣璃现占纽| 嚣 i”羧流友蹁l 鸫蕊奄媳现 弱 ( a ) 电路结构 时问t ( b ) 试验波形 图1 - 1 5 倍频式谐振逆变器拓扑与输出波形 1 2 3 固态感应加热电源的控制技术 由于固态感应加热电源的晶闸管相控整流器的控制技术已经非常成熟，所以固 态感应加热电源的控制目前主要集中在对其谐振逆变器的控制上。为了改善谐振逆 变器的器件换流条件、提高电源的输出功率因数，谐振逆变器应工作于准谐振状态 乜，引，因此逆变控制电路需采用锁相电路对负载的固有谐振频率进行动态跟踪。目前 逆变锁相控制方法主要分为：定时控制- 1 0 ，皓3 和定角控制h 同两种。由于这两种控制 方法都没有考虑负载变化对逆变开关器件换流状态的影响，所以当负载变化范围较 大时，其控制效果将会变差。对于电压型固态感应加热电源来说，文献 6 6 6 9 的 分析表明功率器件的最佳开关时刻和功率器件吸收电容的大小、负载电压和电流的 比值( 等效阻抗z h ) 、死区时间等因素有关，并且他们之间的关系是非线性的。这 1 0 华北电力大学博士学位论文 种非线性的控制关系采用传统的模拟锁相电路是难以实现的，因此采用数字化智能 控制是逆变锁相控制的一种有效手段。通过数字化的智能控制方法可以实时地保证 谐振逆变器的开关时刻和负载状态相匹配，进而保证逆变器的z v s z c s 换流条件、 减小开关损耗、提高电源的可靠性。目前谐振逆变器的数字化智能控制研究还是一 片空白，急需对之进行深入研究。 固态高频感应加热电源由于工作频率高、保护电路要求严格，普通的微处理器 在处理速度上难以胜任，所以目前一般采用模拟控制或数模混合控制口0 。7 2 3 电路。但 模拟电路存在诸多固有缺陷，如元件参数的精度不一致、元件易老化、集成度低、 控制不够灵活、通用性不强等问题。若用数字化控制代替模拟控制，不仅可以消除 温度漂移等常规模拟调节器难以克服的缺点、有利于参数整定和变参数调节、便于 通过程序软件的改变方便地调整控制方案和实现多种新型控制策略，而且还可以减 少元器件的数目、简化硬件结构，从而提高系统的可靠性。此外，数字电路还可以 实现运行数据的自动储存和故障自动诊断，有助于实现固态高频感应加热电源运行 的智能化。 随着电子技术的发展，数字化控制技术也经历了由低端的单片机到高端的d s p 、 f p g a 或a s i c 等的发展历程。低端单片机( 如5 1 系列) 由于指令处理速度的限制， 很难满足高频逆变控制电路的要求，目前主要用作数字显示和通讯等外围功能。数 字信号处理器( d s p ) 是近年来迅速崛起的新一代可编程器件，与单片机相比，d s p 具有更快的c p u 、更高的集成度和更大容量的存储器，因此d s p 在很多应用领域得 到了广泛的应用，主要完成主电路控制、系统实时监控及保护、系统通信等功能。 虽然d s p 有着许多优点，但是它也存在一些局限性，如采样频率的选择、p w m 信 号频率及其精度、采样延时、运算时间及精度等，这些因素会或多或少地影响电路 的控制性能。文献 7 3 - 7 5 对采用d s p 来实现逆变锁相控制进行了研究，为了实现 高频锁相控制，文献 7 3 中的鉴相电路和环路滤波还是采用了外加的模拟分离器 件，仅用d s p 实现锁相算法和数据的存储，还不能称为真正的全数字化控制；文献 7 4 ，7 5 虽然采用d s p 实现了逆变锁相电路的数字化，但是由于d s p 处理速度的限 制，电源工作频率仅限于超音频段。 现场可编程门阵列( f p g a ) 属于新一代可编程重构器件，是近年来发展最快 的一种大规模可编程芯片口朝。其内部逻辑功能可以根据需要任意设定，具有集成度 高、处理速度快、效率高等优点，是软件编程的灵活性和硬件速度快速性的完美结 合。由于f p g a 的集成度非常大，一片f p g a 少则几万个等效门，多则几十万至几 百万个等效门，所以一片f p g a 就可以实现非常复杂的逻辑、替代多块集成电路和 分立元件组成的电路，在可靠性、体积、成本上具有相当优势口7 。7 钉。另外，由于f p g a 可以方便地设计为并行工作模式，其运算速度远非采用流水线模式的微处理器可比 11 第一章引言 拟，非常适合任务相对单一、速度要求高、精度要求高的逆变锁相控制电路。近年 来很多研究人员致力于将f p g a 器件应用于固态高频感应加热的控制中随p 8 3 3 并取得 了一定的研究成果，但是目前的研究距离实用化还有相当大的差距，在逆变锁相电 路的参数设计、动态性能分析、程序优化、故障保护等方面还有许多问题需要解决。 随着高频感应加热电源的日趋高频化和控制的复杂化，上述芯片的单一使用有时难 以达到期望的控制效果。因此，各种控制芯片的混合使用将成为控制电路的一个重 要发展趋势，比如，采用d s p + f p g a 结构或多f p g a 结构来协调软、硬件之间的关 系，以充分利用d s p 的软件灵活性实现复杂算法、利用f p g a 的硬件快速性实现高 速数据处理。 1 2 4 负载谐振槽路的拓扑结构 感应加热电源的感应器和负载可以等效为电阻和电感的组合，一般把由感应 器、负载、谐振电容构成的电路称为谐振槽路，其形式多种多样，最常用的为二阶 谐振槽路和三阶谐振槽路乜3 t 8 4 】。高阶谐振槽路哺吼8 6 1 可以看作是由基本的二阶谐振槽 路组合而成的复合谐振电路，由于这种电路的谐振频率点多、设计复杂、锁相电路 设计困难，因此在大功率电源中应用较少。常用的二阶谐振槽路有：l c 串联谐振 槽路和l c 并联谐振槽路；常用的三阶谐振槽路有：c c l 谐振槽路和l l c 谐振槽路 阳7 呻羽。几种谐振槽路的电路结构和幅频特性如图卜1 6 所示。 图1 - 1 6 ( a ) 为l c 串联谐振槽路，负载电感l h 、电阻r 和谐振电容c h 为串联 连接。由于电感串联在谐振槽路中，因此需要电压型逆变器供电。当串联谐振槽路 工作在固有谐振频率点时，