（电工理论与新技术专业论文）大功率电磁炉串联谐振型逆变器设计与研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o m m e r c i a lh i g h p o w e ri n d u c t i o nc o o k e ri sg e n e r a l l y5 - 2 0 k w , t h eh i g hd e m a n d i nl i n ew i t hc u r r e n tn a t i o n a lp o l i c yo fe n e r g yc o n s e r v a t i o n o r i e n t e d ，a n dh a sb r o a d m a r k e tp r o s p e c t s r e s o n a n ti n v e r t e ri sac r i t i c a lc o m p o n e n to fl l i g l l p o w e ri n d u c t i o n c o o k e li t sd e v e l o p m e n tl e v e la n dh i g h p o w e ri n d u c t i o nc o o k e ri n d u c t i o nh e a t i n g t e c h n o l o g ya n dd e v e l o p m e n t ，a p p l i c a t i o nc l o s e l yr e l a t e d b a s e do nt h ed e s i g nt o r e d u c e e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ，d e v e l o p i n gn o n p o l l u t i n g ，l e s sp o l l u t i o n ， l l i g l l p o w e ri n d u c t i o nc o o k e li n d u c t i o nc o o k e ro nh i g h p o w e ri n v e r t e rr e s o n a n tm o d e t oc o n d u c tr e s e a r c ho nt h es e r i e sr e s o n a n ti n v e r t e rw o r k i n gc o n d i t i o na n di sr u n n i n ga d e t a i l e dt h e o r e t i c a la n ds i m u l a t i o na n a l y s i s ，a n dc o m p l e t e dt h ea p p r o p r i a t es o f t w a r e a n dh a r d w a r ed e s i g n t l l ef o l l o w i n gm a j o re l e m e n t s ： o ft h es e r i e s p a r a l l e lr e s o n a n ti n v e r t e rw o r kc h a r a c t e r i s t i c s ，d e t e r m i n et h e h i 面p o w e ri n v e r t e rs e r i e sr e s o n a n ti n d u c t i o nc o o k e ro v e r a l lp r o g r a m ，a n a l y s i so f s e r i e sr e s o n a n ti n v e r t e rl o a de q u i v a l e n tc i r c u i t c o m p l e t e dt h es i n g l e p h a s eh a l f - b r i d g e v o l t a g ei n v e r t e ra r c h i t e c t u r e c o m p l e t e dah i g h p o w e ri n d u c t i o nc o o k e rs e r i e sr e s o n a n ti n v e r t e rm a i nc i r c u i t p a r a m e t e rc a l c u l a t i o na n dh a r d w a r ed e s i g n a c c o r d i n gt ot h es y s t e m so p e r a t i o n a l r e q u i r e m e n t sa n dt h es t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h em a i nc i r c u i t ，c a l c u l a t e dl cf i l t e r c i r c u i t t h er e s o n a n tc a p a c i t a n c e ，t h er e s o n a n ti n d u c t o ra n dt h ep a r a m e t e r so fi g b t p o w e rd e v i c e s ，a n dc a l c u l a t e dt h ep a r a m e t e r so ft h er e l e v a n td e v i c es e l e c t i o n a c c o r d i n gt ot h es y s t e mo fp o w e rc o n t r o la n dc i r c u i tp r o t e c t i o nn e e d s d e s i g n e dt o p r o t e c tt h ed e a d t i m ec o n t r o lc i r c u i t ，i g b td r i v ea n di s o l a t i o nc i r c u i t ，o v e r - c u r r e n t v o l t a g ep r o t e c t i o nc i r c u i t ，h i g hf r e q u e n c yc u r r e n td e t e c t i o nc i r c u i ta n ds n u b b e rc i r c u i t p r o t e c t i o n t h ef u z z yc o n t r o lm e t h o df o ri n v e r t e rs o f t s t a r td e s i g n e s t a b l i s h e du s i n gs i m u l a t i o ns o f t w a r ei s s p i c ei n v e r t e rs e r i e sr e s o n a n th a l f - b r i d g e m o d e l ，t h es i m u l a t i o na n a l y s i st od e t e r m i n et h es e r i e sr e s o n a n th a l f - b r i d g er e s o n a n t i n v e r t e r t h ei n t r o d u c t i o no fi t ss i m u l a t i o nd e b u g g i n gd a t at ot h ea c t u a lp r o j e c t t h e o r e t i c a la n a l y s i sr e s u l t sp r o v e dc o n s i s t e n tw i t ht h ea c t u a lw o r k i n gc o n d i t i o n s d e s i g na n dp r o d u c e dah i g h p o w e ri n d u c t i o nc o o k e rs e r i e sr e s o n a n ti n v e r t e r p r o t o t y p e ，a n dd e b u g ，t e s tr e s u l ta n a l y s i s ，c o n c l u s i o n i nt h ep r o t o t y p ep r o d u c t i o n p r o c e s s ，f r o mt h ep r o t o t y p es t r u c t u r e ，c h a s s i sm a t e r i a l s ，c o m p o n e n t s ，a n dp c b t r a c e s p l a c e df u l l yc o n s i d e r e dh i g h - p o w e ri n d u c t i o nc o o k e rs e r i e sr e s o n a n ti n v e r t e re m i i n t e r f e r e n c e k e yw o r d s ：h i 曲- p o w e ri n d u c t i o nc o o k e r ；s e r i e sr e s o n a n ti n v e r t e r ；s o f ts t a r t ； p a r a m e t e r sc a l c u l a t i o n 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本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，也不包含为获得 武汉理工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 明并表示了谢意。 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学 位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工 大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文， 并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 一c ：l 粥：移乳期帅”1 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 在十九世纪末，感应加热技术仅是以6 0 h z 之频率应用于溶解上。到了1 9 2 2 年，才使用马达发电机组将频率提高至9 6 0 k h z 。而工作频率的提升，使得感应 加热技术开始应用于金属材料的表面硬化处理。于1 9 6 0 年代末期，由于半导体 技术的发展，马达发电机组终于被以s c r 为切换元件的固态型逆变器所取代。 目前，以功率器件i g b t 、m o s f e t 为切换元件之逆变器其操作频率已可达数百 k h z 。近年以来，感应加热技术在民用家电领域更是得到惊人的发展，其代表产 品电磁炉已进入市场快速增长期【1 】t 2 j 。 电磁炉作为厨具市场的一种新型炉具，它打破了传统的明火烹调方式。电磁 加热的工作原理是在线圈盘中通上高频电流，在线圈盘的轴向两面产生磁场，当 铁质锅具处于磁场范围内时，锅具即切割蛟变磁力线而在锅具底部产生交变的电 流( 即涡流) ，涡流使锅具铁分子高速无规则运动，分子互相碰撞、摩擦而产生 热能使器具本身自行高速发热，用来加热和烹饪食物，从而达到煮食用。大功率 电磁炉是目前发展最快的，市场增长幅度最高的家电产品之一。其使用场合非常 广泛，包括了任何使用传统炉具的场所，例如医院、厂矿企业、宾馆、餐厅、院 校、机关等；特别适合无燃料供应或限制燃料使用的场合，例如地下室、铁路、 车辆、船舶、航空等。 电磁炉与其他厨房加热设备( 燃气，燃油炉具) 相比，具有以下特点： ( 1 ) 功能完善：可替代完成传统炉具的煎、炒、煮、蒸、炖、扒、煲等各 类烹调功能，特别适合燃料供应以及安全条件受限制的场合。 ( 2 ) 绿色环保：无燃烧废气排放、不消耗氧气、无噪音、无污染、省能源。 ( 3 ) 操作简便：一键式操作与数码显示简单明了，智能化电脑控制技术具 备自动检测锅体、过热及空烧保护、过载保护功能。 ( 4 ) 安全可靠；无明火燃烧、无废气排放、无燃烧泄漏，可避免人员及环 境安全隐患、比传统的燃油、燃气炉具更安全并扩大了场地使用限制( 例如地下 室、高层建筑的顶楼厨房) ；并配置多重安全保护装置，减少意外事故的发生。 ( 5 ) 改善环境：无明火燃烧、无鼓风装置可减少热量散发、提高能源使用 效率、降低噪音( 厨房噪音的主要来源子炉灶鼓风、烟罩风机和设备马达。 ( 6 ) 减少配备：减少部分送风和排风装置的工程施工量和部分投资。免除 武汉理工大学硕士学位论文 了煤气管道的施工和配套 ( 7 ) 节省场地：体积小、热效率高、加热速度快，大大节省了场地使用面 积。 ( 8 ) 精确温控：大范围调节与先进电脑控制技术的运用、可精确控制烹饪 温度，既节能又保证食品的美味，便重要的是有利于中餐菜肴制作标准的推广。 谐振型逆变器是大功率电磁炉的关键组成部分，它的发展水平与感应加热技 术和大功率电磁炉的发展、应用密切相关。 1 2 课题研究意义及课题来源 商用大功率电磁炉一般在5 - - 2 0 k w ，其需求量大，符合现在国家节能减排 的政策导向，具有广阔的市场前景。随着国内科技与产业的升级，对于各种工业 产品品质要求日趋严谨，市场对大功率电磁炉的各种性能要求越来越高。比较各 种加热技术，其中以能达到加热过程迅速、加热能量集中、加热系统简单且高效 率、低成本的大功率电磁炉系统较受瞩目。在早期，因为电源系统频率与效率难 以提升，所以相当多的研究集中在能够提供高功率，高切换频率的逆变器开发上。 但是，随着电路中切换频率的提高，开关元件在切换时产生的切换损失问题会更 加严重，这样除可造成效率的降低及散热问题之外，还会因为切换动作的非理想 现象而产生电压、电流突破，或是产生过大的电压、电流变化率，而使开关上的 应力增加，甚至成为电磁干扰( e m i ) 的来源【3 j 。 上述种种由高频操作所带来的问题，使得高频电路的设计变得更为困难，因 此就兴起了柔性切换技术之研究，所谓柔性切换技术泛指减少切换过程中电压与 电流重叠的方法，例如：在开关截止前，先使流经其中的电流为零，这就是所谓 的零电流切换；在开关导通前，先使开关两端的跨压为零，这就是所谓的零电压 切换( 4 】【5 】。柔性切换除了能降低切换过程中的能量损失外，因其切换时电压与电 流变化率较为缓和，故亦可减轻电路产生的电磁干扰问题。 随着半导体工业在生产及制作技术上的快速进步，有许多低价位、高运算功 能的处理器问世。在加上电力电子技术发展精进，且新型固态半导体元件之研发， 不但加热频率可大大提高，且效率亦可提高至9 0 以上。 1 3 国内外发展现状 感应加热的应用虽然始于公元1 9 2 0 年，但实际的发展是在公元1 9 6 0 年。高 电压、高电流的晶闸管取代二极管成为功率开关元件后，才逐渐展露光芒，此时 2 武汉理工大学硕士学位论文 期中能完整描述高频感应加热器系统理论的资料并不多见。1 0 0 多年前，国外已 研制出电磁炉，由于该种电磁炉易产生工频噪声，并且热效率不高，所以没有大 量推广。在2 0 世纪7 0 年代德国率先研制出高频电磁炉( 工作频率2 0 。5 0 k h z ) ， 紧接着日本也研制出高频电磁炉。电磁炉民用化的最早记载是从1 9 5 7 年德国 n e f f 公司开始的，而后美国也在1 9 7 2 年开始了研发电磁炉。到上世纪8 0 年代 初，电磁炉已经在西方普及开来了。在上世纪8 0 年代末到9 0 年代初，中国电磁 炉行业经历了一段非常艰难的发展历程。由于设计问题及器件原因( 主要是设计 原因，当时功率管采用耐压指标仅1 0 5 0 v 左右的m o s f e t 管，此种功率管设计 的电磁炉功率不能作得太高) ，绝大多数设计工程师在设计电磁炉产品时没有留 足够的余量，导致部分电磁炉产品在投放市场后出现了非常严重的烧机现象。电 磁炉行业几乎全面亏损，当时全国仅有一两家厂家能做好电磁炉。由于技术的进 步，设计的不断完善，在上世纪9 0 年代后期电磁炉又重新热起来【6 】1 7 1 。 电磁炉从民用市场到商用市场，从小功率到大功率，经历了一段漫长的过程。 国内市场和国际市场的商业电磁炉的功率是不同的，一般民用电磁炉单炉的功率 在3 5 k w 以下，而中国的商用电磁灶功率范围在0 3 - 2 5 k w 之间。商用电磁灶 市场发展的主要障碍有以下几个方面： ( 1 ) 商用电磁炉的市场和民用电磁灶早期市场一样，受到传统的明火烹饪习 惯的影响。因为看不见明火，很多的厨师都感觉不习惯。只有通过具体的实验， 让他们看到电磁炉确实比明火快，来打消他们的顾虑。 ( 2 ) 商用厨房电磁灶产品需要不断的规格化( 规模化、降成本) ，这是一个 不断完善的过程，是在市场不断提高认识的基础上完成的。 ( 3 ) 产品材料、工艺的可靠性。一个行业的发展，需要相关的配套资源的同 步发展。例如，微晶玻璃是电磁炉使用中最重要的部件之一，由于抗冲击力较低， 国内的产品用在民用产品上尚可，但用在商用产品上问题却非常大。商用电磁炉 使用的锅体积大、重量达到两三百公斤，这就对微晶玻璃的性能提出了很高的要 求。但国外产品供货周期很长，而且价格高。因此，商用产品的发展和市场竞争 受到了配套行业发展迟滞的影响【8 】 9 1 。 近年来，国内外针对大功率电磁炉的研究主要在两个方向，其一是以逆变器 为重心，研究串联式与并联式在感应加热系统应用之优、缺点及注意事项。另一 重心则是放在谐振槽中负载的能量转移与功率消耗。另外也一直在高频率、高功 率、高可靠度之电源供应系统研究中，做更进一步的研制。 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 主要研究内容 本文通过分析，对比串联和并联谐振型逆变器的工作特性及优缺点，选择了 串联谐振型半桥逆变器作为研制大功率电磁炉高频逆变器的电路结构。为了能够 有一个良好的运行状态，系统采用脉冲频率调制( p f m ) 与软启动的方式调节功 率。本文对串联谐振型逆变器的工作状态和运行过程进行了详细的理论和仿真分 析，设计了控制及驱动电路、i g b t 保护电路，并详细地给出了逆变器主电路参 数的计算过程，最终完成系统的整体设计，并组装、调试出大功率电磁炉串联谐 振型逆变器整套设备。本文主要有以下研究内容： ( 1 ) 完成了大功率电磁炉串联谐振型逆变器总体方案的分析与设计。根据 串联谐振型逆变器的工作原理，分析了串联谐振型逆变器的负载等效电路，确定 了采用单相半桥电压型逆变电路为逆变器的主电路。 ( 2 ) 完成了大功率电磁炉串联谐振型逆变器主电路参数的计算及硬件电路 的设计。根据系统的运行要求及主电路的结构特点，计算了l c 滤波电路、谐振 电容、谐振电感及功率器件i g b t 的参数，并根据计算的参数对相关器件进行选 型。根据系统的功率控制及电路保护需要，设计了死区控制保护电路、i g b t 驱 动与隔离电路、过流过压保护电路、高频电流检测保护电路及吸收电路。采用脉 冲频率调制( p f m ) 与软启动作为逆变器的功率调节方式。 ( 3 ) 利用仿真软件i s s p i c e 建立串联谐振型半桥逆变器的模型，进行仿真分 析，确定了串联谐振型半桥逆变器的谐振点，分析了该系统完整的工作过程，得 出了大功率电磁炉串联谐振型逆变器适宜工作在感性准谐振状态的结论，与理论 分析结果一致。 ( 4 ) 设计、制作了大功率电磁炉串联谐振型逆变器样机，并进行调试，实 验结果分析、总结。在样机的制作过程中，从样机结构、机箱材料、元件摆放和 p c b 走线方面充分考虑了大功率电磁炉串联谐振型逆变器的e m i 干扰问题。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章大功率电磁炉串联谐振型逆变器的总体 设计 当交流负载需直流电源供电时，必须经由直流一交流变换，即d c a c 变换( d c t oa cc o n v e r t e r ) 。而能够实现将直流电能转换为交流电能的电路称为直流一交 流变换电路，或称为逆变器电路。逆变器可分为电压型逆变器电路和电流型逆变 器电路，它们是由直流电源的性质来分类的1 0 】，本文所采用的是电压型逆变器 电路。表2 - 1 为两种逆变器电路的比较： 表2 - 1 电压型和电流型逆变器电路比较 项目电压型逆变器电路电流型逆变器电路 中间滤波环路电容器c电感器l 电源阻抗小 大 负载电压波形矩形波 近似正弦波 负载电流波形近似正弦波矩形波 二极管的位置与功率开关并联与功率开关串联 再生运行由于电压极性不能变，难便于改变电压极性，容易 以实现再生运行实现再生运行 常用制动方式能耗制动再生制动 2 1 谐振型逆变器 2 1 1 谐振电路 随着电力电子技术的不断发展，电源供应系统从早期的切换式稳压器发展到 了目前的高频谐振式逆变器。工作在谐振频率附近范围产生连续的正弦电流或电 压波形，称为谐振式操作模式。谐振式相比于切换式，有以下几个优点【l l 】1 1 2 ： ( 1 ) 较小的电磁干扰，适合高频操作 ( 2 ) 应力比较低，从而损失较小，效率较高 ( 3 ) 在零电压( z v s ) 及零电流( z c s ) 状态下开关，可减少损失 ( 4 ) 功率器件、负载在高频下产生的寄生电容或电感可应用于谐振的一部分， 可减少寄生元件引起的不良反应 武汉理工大学硕士学位论文 ( 5 ) 随着高频元件的不断开发，磁性元件的体积减小，从而使得整个系统的体 积减小 因此，合适的控制系统、准确的电子设计以及良好的磁性元件分析是谐振式 的设计目标。但同时谐振式系统设计也相对的有以下难点： ( 1 ) 分析、操作较为复杂 ( 2 ) 控制和驱动难度较大，系统的动态模式不易建立 ( 3 ) 谐振电路中的电容及电感要承受较大的电流、电压峰值 谐振式逆变器可分为串联谐振型逆变器和并联谐振型逆变器两种，如图2 1 所示，谐振槽内谐振电感l 和谐振电容c 的连接方式是不同的，其中r 是电路 上的阻抗，其值一般都很小。 r l r l 串联负载谐振并联负载谐振 图2 1 谐振电路的两种连接形式 在r l c 谐振电路组合上，当感抗和容抗相等的时候，称为谐振，此时的频 率称为谐振频率。而此状态下谐振电路的两端功率转移最大，因此逆变器的工作 频率应尽量接近于谐振频率 1 4 1 。 2 1 2 串联、并联谐振逆变电路比较分析 串联谐振型逆变器和并联谐振型逆变器有各自不同的电路结构和优缺点。两 种逆变器适用于不同的范围和场合，也都有一定的局限性。在大功率电磁炉谐振 型逆变器的设计中，为了更好的发挥其电路形式的优点，避免逆变器实现指标上 的难点，要对逆变电路形式进行多方面的考量和选择。下面从大功率电磁炉谐振 型逆变器实现的角度出发来对两种逆变电路进行分析【1 5 】【1 6 】。 ( 1 ) 从原器件的选择分析，并联谐振逆变器换流期间，逆变开关器件有可能 承受反压，而i g b t 、m o s f e t 等功率器件所承受反压的能力低。因此，需要把 开关器件容量相当的二极管串入每一个桥臂上，以承受反向电压，但目前大容量 的快速恢复整流二极管工艺水平有限，选择较困难且成本很高。串联谐振逆变器 在其桥臂反并联二极管从而提供续流通路，对其予以保护，因此逆变开关器件不 6 武汉理工大学硕士学位论文 会承受反压。且串联谐振逆变器中电流为正弦波，开关器件承受的反压非常低， 仅为反并联二极管的正向导通压降，这一特点非处适用于i g b t 、m o s f e t 等器 件。 ( 2 ) 从逆变器应用的领域分析，并联谐振逆变器的启动比较麻烦，需对滤波 大电感预充电故起动时间较长，控制系统也相对比较复杂，对负载线路寄生参数 敏感，负载引线不宜过长。串联谐振逆变器可以自激工作，也可以他激工作，故 其起动比较简单，对负载电路拓扑结构要求较低，负载引线可适当加长，可减小 电磁场对电路的干扰。 总上几点，大功率电磁炉逆变器采用串联谐振器结构。 表2 2 两种逆变器形式的比较 串联谐振型逆变器并联谐振型逆变器 采用大电容滤波，恒压源供电采用大电感滤波，恒流源供电 拓 补负载为串联谐振电流负载为并联谐振电流 结 构 功率器件需反并联二极管，功率器件需串联同容量二极管，承 为谐振电流提供通路受谐振电路产生的反向电压 输入电压为直流输入电流为直流 工 输出电压为矩形波，输出电流近似正弦波输出电流为矩形波，输出电压近似正弦波 作 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 电压源供电，逆变器换流需死区时间电流源供电，逆变器换流需重叠时间 电压源供电，浪涌电流大，短路保护电流源供电，电流冲击小，短路保护 困难，开路保护容易容易，开路保护相对较难 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 缺 串联谐振型逆变器对负载电路拓补结构并联谐振型逆变器对负载电路寄生参数 点 要求较低，负载引线可适当加长敏感，负载引线不宜加长 功率器件需要承受反压，高速大 功率器件不需要承受反压 容量二极管选择困难 调功方式灵活一般采用调节直流电压调功 7 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 逆变器运用于大功率电磁炉系统 上 gl 审 乖l 二一入f ，k = 爿 ，i i 甲 参 j【 i 谳逆变 加热 帅频劲整流 交流电源桥欺 电路 电路 线圈盘l 锅具负载 悴妫阻妇i 蠲耻f = 二皿岫 三相交流电源整流后直流滤波后直流高频交流 高频磁场涡流加热 图2 2 逆变器运用于大功率电磁炉示意图 图2 2 所示，输入电源是电压为3 8 0 v ，频率为5 0 h z 的交流电，经由三相 整流桥模块转换成正的交流电讯号，再经由l c 低通滤波器滤波转换成一个非平 滑的直流电，最后经由功率器件i g b t 或p o w e rm o s f e t 作高频率的切换，从而 产生高频的交流电，该交流电通过加热线圈产生一个交变磁场，而线圈被交变磁 场切割后，使得锅底产生涡电流，达到加热的效果【1 7 】【1 8 】。 l c ：渣晶：懈 l c 滤 波i u 路 l 乜流砭俺! j j f i 流7 必匕 ：、l 汪 藏眨馈f 笱 冀ll 二k 净 甜2 动竹垮 炙l 楚麓设l 乜：孕 袱制叱路隰反镄稿写 图2 3串联谐振型逆变器系统框图 图2 3 所示，本系统属于串联谐振型逆变器，经由功率器件的高频切换， 使得l c 谐振电路产生负载所需的高频交流电。由c p u 产生逆变器所需的控制 驱动信号，并将此驱动信号经由硬件死区电路保护，避免驱动信号同时导通使功 率器件烧毁。并将功率器件的电流、电压及线圈盘电流信号反馈至c p u ，并将 有锅无锅状态经由外部中断发送至c p u ，以实时监控系统的状态。l c 滤波电路 的主要作用是滤除输入电源的杂波干扰及功率器件高频切换所产生的干扰，从而 避免影响到后级电路的正常运行。 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 半桥逆变电路架构的分析 考虑到大功率电磁炉的运行特点，串联谐振型逆变器采用单相半桥电压型 逆变电路架构。以下是固定直流电压输入串联谐振型逆变器的分析( 切换频率大 于谐振频率) 操作模式分析： 图2 - 4 固定直流电压输入之逆变器架构图 q l q 2 图2 5 固定直流电压输入之逆变器分析之操作模式1 ( 1 ) q 1 导通时，电容c 1 的电压为u 眈并对电感l 充电，直到屯的电流达到 最大值后，电感l 对c 1 电容反方向充电。 9 武汉理工大学硕士学位论文 v s 2 v s 2 ql q 2 图2 - 6 固定直流电压输入逆变器分析之操作模式2 ( 2 ) 由于切换频率大于谐振频率，故q 1 关断时，屯仍然存在，但流过电感l 上的电流不能瞬间改变方向，故续流二极管d 2 导通，使得电感l 上的电 流继续流动，而电荷往c 2 方向充电。 v 妮 v s 2 q l q 2 图2 7 固定直流电压输入逆变器分析之操作模式3 ( 3 ) 由于续流二极管d 2 导通，此时将q 2 的导通信号发出，使得q 2 导通时 达到零电压切换( z v s ) 的效果，而电容c 2 对电感l 反向充电。 v s 2 _ v s 2 q l q 2 图2 8 固定直流电压输入逆变器分析之操作模式4 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 ( 4 ) q 2 关断时电流f ，仍然存在，但流过电感l 上的电流无法瞬间改变方向， 故续流二极管d 1 导通，使得电流继续流动，而电荷往c 1 充电，重复模 式1 到模式4 的过程。 在大功率电磁炉串联谐振型逆变器的实际运用中，其输入电源的直流电压是 波动的，不可能是固定直流电压电源，故其运行过程肯定也上述的分析有所不同。 在本论文的仿真章节会具体分析实际电路在非固定直流电压输入的情况下的工 作过程。 2 4 本章小结 本章完成了大功率电磁炉串联谐振型逆变器总体方案的分析与设计。根据串 联谐振型逆变器的工作原理，分析了串联谐振型逆变器的负载等效电路，确定了 采用单相半桥电压型逆变电路为逆变器的主电路。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章大功率电磁炉串联谐振型逆变器硬件设计及 控制方法研究 大功率电磁炉串联谐振型逆变器部分主要包括l 型l c 滤波电路、半桥串联 谐振逆变电路、控制电路、驱动电路、以及保护电路。其功能简述如下： ( 1 )l 型l c 滤波电路：利用变压器电感实现电能的传输、变压与初、 次间的电气隔离；在滤波电路中采用低频阻流圈，以达到扼制滤波 电路中交流分量之目的【1 9 】。 ( 2 )半桥串联谐振逆变电路：把直流电转换成频率为1 8 k 3 5 k h z 的交 流电供给负载，该交流电通过加热线圈( 谐振电感) ，产生交变的 磁场，交变的磁场在锅具底部产生涡流，从而加热锅具。 ( 3 ) 控制电路：执行功率控制或频率控制功能，以其获取良好的运行效 果。 ( 4 )驱动电路：执行高频驱动、信号隔离工作。 ( 5 ) 保护电路：执行对系统的检测保护工作。 3 1 串联谐振型逆变器主电路 图3 1 大功率电磁炉串联谐振型逆变器主电路图 如图3 1 所示，单相半桥电压型串联谐振逆变器( 方框内电路) 与三相桥式 整流器组成了大功率电磁炉的主电路。三相交流电源经三相不可控桥式整流器和 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 l 型滤波电路后变成平滑的直流电，然后再由单相半桥串联谐振逆变器转换成频 率为1 8 k 3 5 k h z 的交流电供给负载，该交流电通过加热线圈，产生交变的磁场， 交变的磁场在锅具底部产生涡流，从而加热锅具。 3 2l c 滤波器的设计 滤波电容主要功能为滤波和稳定电压的作用。如图3 2 所示，在( a ) 部分 中电路中的电容电流处于稳态时，电容c d 的充放电电荷是相等的。即( b ) 部 分中的两块斜线部分面积是相等的。 弓8 0 v 竺忑而 辛 卜中u 4 扩 逆变等 效电路 ， 、 ( b ) 图3 2 滤波电容电流波形 电流表达式： i 甜= l o r es i n ( c o t ) ( o c o t 万)( 3 1 ) l e d = j 鲫s i n ( c o t 一万) ( 万c o t 2 n )( 3 - 2 ) 已知( b ) 部分中两块斜线部分面积相等，则有： f ：2 ( 乙一i d ) d ( o t ) = 2 f ( i d - g ) a ( c o t ) ( 口：- 万- - t t l 。) ( 3 3 ) 解之，得： i d ：堡，拿：2 ( 3 圳 ”嬲证苦书鲻4 。 c 3 一s ， 武汉理工大学硕士学位论文 电流在口。一一口：区间内对电容充电，造成了电容上的电压波动，该电压波动 应小于3 = 1 5 v 。 则有： 击弘一i a ) d t i g b t g 1 o 最大功率：g t o i g b t m o s f e t ll o 5 0 l 5 0 01 0 上作频率 图3 3 功率器件功率与频率工作范围 由于大功率电磁炉串联谐振型逆变器工作频率在2 0 k h z 4 0 k h z 之间，且 m o s f e t 无法耐高压、耐大电流，故选择i g b t 作为功率开关器件。 i g b t 的峰值电压： v m = 4 6 u i n 一= 4 6 2 2 0 x 1 1 0 5 9 3 v ( 3 - 9 ) 考虑到i g b t 的安全运行，选取其耐压值时必须留有一定的安全裕量，一般 是电压峰值的两倍，即1 2 0 0 v 。假设电压与电流的相位为c o s # = 0 9 ，输入电压 v d c 一曲在电网电压波动最小时有一响= 2 3 4 u 2 ( 1 1 0 ) = 4 6 3 v ，其基波分量 v ：! 兰旦堕：堕= 2 0 8 v 。 大功率电磁炉串联谐振型逆变器输出电流最大有效值为： i 。：p m c o s 矽：2 0 0 0 0 x 0 9 8 6 6 a ( 3 - 1 0 ) ” v 2 0 8 i g b t 开通时峰值的电流为： 武汉理工大学硕士学位论文 i m = 扬。= 压x 8 6 6 = 1 2 2 4 a( 3 1 1 ) 综上所述，本文中选用的i g b t 为耐压值1 2 0 0 v 、额定电流2 0 0 a 的半桥i g b t 模块。 3 3 2 谐振电容、电感参数设计 对于串联谐振电路，大功率电磁炉谐振型逆变器输出的电压有效值为： v h ：丝生：丝坐：2 2 9 5 5 v “ 万2万2 ( 3 1 2 ) 已知大功率电磁炉谐振型逆变器输出电流最大有效值为8 6 6 a 。故谐振电容 c 两端最大的电压为： v o = q ( 3 - 1 3 ) 在大功率电磁炉谐振型逆变器应用中，q ( 品质因数) 选作5 。则： v c = q = 2 2 9 5 5 x5 1 1 4 8 v ( 3 1 4 ) 因此，谐振电容c 的阻抗为： x 。：；：业：1 3 3 f 2 ( 3 - 1 5 )、 i 、8 6 6 又因为： x c = 丽1 所以： c ：1 ：= c o x 。 2 n x2 0 0 0 0 x1 3 3 = 0 6 u f ( 3 1 6 ) ( 3 1 7 ) 在本文中，逆变器的工作频率在2 0 k h z - 4 0 k h z ，考虑到电容器过流能力的 问题，最后选择并联6 个o 1 u f 、1 6 0 0 v 的高频电容器。 谐振电路的电感参数包括线圈盘的电感、锅具等效电感，有： l ：登：一! ! ：!1 0 6 u h ( 3 1 8 ) 国2 x x 2 0 0 0 0 考虑到有锅具等效电感的存在，结合实际工程调试，最后选取线圈盘的参数 为1 0 0 u h 、5 0 a 、1 6 0 0 v 。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 3 4 控制及驱动电路设计 3 4 1 死区控制保护电路 设计i g b t 硬件死区控制电路及p w m 死区保护电路，有效防止i g b t 直接 导通的危险。研究功率开关管死区控制电路，软件因可能程序“跑飞 而存在半 桥开关管直通短路的危险，而硬件去死区电路比软件去死区更加可靠，大大增加 了系统的稳定性与抗干扰能力。电路原理如图3 4 所示，第一路信号通过电容充 电使该p w m 信号波形由低电平上升到高电平的时刻被延迟，而由于二极管d 快速放电，保证高电平变低电平的时间不受影响。第二路信号同理。死区时间t 由r 、c 组成的一阶电路来确定。 图3 - 4 死区控制电路原理 设计p w m 死区保护电路，如图3 5 所示，半桥结构的电磁炉主回路功率开关 管主要由两路带死区控制的p w m 信号驱动，但两路p w m 信号必须严格保证死区 时间，避免同时导通，因此研究p w m 死区保护电路，一旦两个开关管即将出现 同时导通情况时马上封锁p w m 信号，将危险情况消除于未发生阶段。本课题设 计的p w m 死区保护原理如图所示，两路p w m 信号首先作与非运算，产生封锁控 制信号，两个与非门信号延迟共为4 0 纳秒，而后级的光隔电平建立时间需7 5 纳秒， 因此系统有足够的时间来对p w m 信号进行封锁。 v 仃 v c c 图3 5 死区保护电路原理 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 3 4 2 驱动与隔离电路 由于串联谐振逆变电路会产生较大的干扰信号，大功率电磁炉串联谐振型逆 变器的i g b t 对驱动电路抗干扰的能力要求高。在低频工作时，i g b t 不需要太 大的驱动能力，不过在高频工作时，由于闸间电容充放电速度趋缓，影响功率器 件开关切换速度，因此如何缩短闸间电容充放电的时间，是提升工作频率的重要 前提【2 2 】【2 3 一。 本文选用的是富士混合i c 驱动芯器e x b 8 4 1 ，它能驱动高达4 0 0 a 的6 0 0 v i g b t 和高达3 0 0 a 的1 2 0 0 vi g b t 。因为驱动电路信号延迟li ls ，所以此混合 i c 适用于高约4 0 k h z 的开关操作。使用时注意如下方面【2 4 】1 2 5 1 ： ( 1 ) i g b t 的珊射极驱动回路接线长度不能超过l m 。 ( 2 ) i g b t 在高频开关切换时会产生较强的干扰，故其栅极驱动接线最好为绞 线。 ( 3 ) 在i g b t 运行中会产生大的电压尖脉冲，故需在i g b t 栅极串联栅极驱动电 阻r g ，阻值的选取可参考表3 1 。 ( 4 ) 在图3 6 中的4 7 pf 电容不是起电源滤波的作用，而是吸引由于电源接线附 抗引起的供电电压变化。 表3 1 推荐的栅电阻和电流损耗 i g b t 额定值6 0 0 v2 0 0 a3 0 0 a 4 0 0 a 1 2 0 0 v2 0 0 a1 5 0 a2 0 0 a3 0 0 a r g1 2 q8 - 2q5q3 3q 5 k h z2 0 m a2 2 m a2 3 m a2 7 m a 1 0 k h z2 4 m a2 7 m a3 0 m a3 7 m a 1 5 k h z2 7 m a3 2 m a3 7 n 1 a4 7 m a 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 。2 ：光鞴舍器 图3 - 6i g b t 驱动隔离电路图 在大功率电磁炉串联谐振型逆变器的实验中，多次发生e x b 8 4 1 和i g b t 被 烧毁而使系统不能工作的现象，故对电路做如下改进：设计中采用2 个e x b 8 4 1 作为i g b t 的驱动器，每个模块通过单电源+ 2 4 v 独立供电，它能通过内部的稳 压管为i g b t 提供+ 1 6 v 和8 v 的电平，满足i g b t 开通和关断时对电平的要求。 e x b 8 4 1 内部的稳压管易受浪涌电压和电流冲击，稳压管瞬态功率在开关频率较 高时远大于其额定功率o 5 w ，容易对其造成损坏，由于稳压管被封装在e x b 8 4 1 内部，无法进行拆除和更换，一种比较简单的办法是断开e x b 8 4 1 的1 脚与i g b t 射极e 间的连线，外接一个功率较大的稳压管l m 7 8 0 8 ，栅极电阻取5 欧，如图 3 7 所示： ：h v l 图3 7 ：e ) ( b 8 4 1 驱动i g b t 的优化电路 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 e x b 8 4 1 的5 脚为过流保护输出，通过光隔将此引脚发出的信号发送到c p u 的中断响应，来关断p w m 信号，整个处理时间能够在1 0 u s 内完成，小于i g b t 能够承受大电流的时间，能够起到有效保护i g b t 的目的。 3 4 3 直流侧电压、电流检测电路 ( 1 ) 直流电压采集电路 大功率电磁炉串联谐振型逆变器直流侧电压比较高，单片机不能直接对该直 流电采样。如图3 8 所示，采样信号经过电阻分压及线性光隔t l p 5 2 1 2 隔离后 送给单片机的一个a d 采样端口。线性光隔能起到隔离主电路与控制电路的功 能，防止由于直流电与单片机共地而产生的干扰。进入单片机的采样信号幅值必 须在0 - 5 v 之间，同时加上限幅电路，以免过高或过低信号进入单片机端口，损 坏芯片。 图3 8 直流侧电压采样电路 在图3 8 中，运放l m 3 5 8 的供电要单独的电源供电，要和主控板的电源隔 离，本设计采用的供电方式是通过一个三极管加一个稳压管直接从三相整流后的 直流侧取电，电路图如图3 - 9 所示： 图3 9 ：运放供电电路 考虑到运放的供电电流不是很大，电压要求也不是很高，6 v 以上就可以满 武汉理工大学硕士学位论文 足要求，因而直接从直流侧串接一个2 0 0 k 电阻，由于稳压管稳压为7 5 v ，三极 管的发射极电压为6 8 v ，此电压作为运放l m 3 5 8 的供电电压。 ( 2 ) 直流电流的检测 大功率电磁炉串联型逆变器的主电路直流电流检测采用霍尔电流传感器，霍 尔电流传感器由+ 1 2 v 与1 2 v 供电，测量0 - 5 0 a 的直流电流，输出0 - 5 0 m a 的电 流信号。如图3 1 0 所示，单片机的一个a d 端口采样一个与主电路直流电流成 线性关系的电压该直流信号，它是经过取样电阻后滤波输入到a d 端口的。 霍昶锄刚艘 3 。5 保护电路设计 3 5 1 过流、过压保护电路 图3 1 0 电流采样电路 当电路出现异常时能快速保护主芯片i g b t 。硬件上设计电流、电压快速保 护电路，实时监测电控系统各节点电流与电压值，当出现过流或过压时，经过比 较器与设定值进行比较，产生控制信号迅速封锁p w m 控制脉冲，关闭功率管驱 动控制电路，停止电磁