（电路与系统专业论文）利用IGBT串联的感应加热电源研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

郑州大学硕士学位论文 摘要 感应加热电源是一种利用半导体功率器件作为核心元件制作的开关型电源 装置，它是利用电磁感应原理把电能转化为热能的设备。相比较传统的加热设备， 感应加热电源具有极大的优势，在现在的工业生产中有着极为广泛的应用。 本课题设计了一种利用串联i g b t 作为开关元件的感应加热电源，相比较现 在普遍使用的串联和并联谐振式的感应加热电源，它具有工作安全可靠，控制电 路简单等优点。本课题的工作主要分为三个部分，即：电源电路结构的构思与选 用；基于该结构的感应加热电源的设计；以及在该电路结构下i g b t 串联均压问 题的探讨与研究。 该电源是以一种e 类逆变器的电路结构为基础。e 类逆变器是一种工作在软 丌关模式下的逆变器结构，它的特点是具有极高的效率，这一点对于用来提供能 源的电源设备来说，也是非常关键的。本文给出了关于传统逆变器的必要分析， 并在传统e 类结构的基础上，找到了一种结构更加简单的e 类逆变器实现电路， 在构思该电路的时候，考虑了对可能出现的i g b t 串联均压问题的解决，该解决 方法在后面的实验中得到了验证。 基于该逆变器结构，本文设计了一种要求三相交流输入，输出功率达到1 0 k w 的感应加热电源，给出了该系统的设计参数，并通过了仿真验证。同时设计了该 电源的驱动控制电路，并最终给出了该电源的实际调试结果。 i g b t 的串联使用是提高系统电压容量的一种方法，但在实际应用中会出现 串联的i g b t 由于电压不均衡而损坏的问题。在本系统中，也存在着需要靠两个 i g b t 的串联来提高耐压级数的情况。在本文的最后，通过仿真辅助对基于本系 统中e 类结构的均压问题进行了比较详细的分析，并提出了一种较为简单有效 的解决方案，然后根据该解决方案对设计的感应加热电源进行了参数修正，使得 本系统在出现均压问题的时候也能输出所需达到的功率。 关键词：感应加热，e 类，i g b t ，串联均压 郑州大学硕士学位论文 a b s t r a c t i n d u c t i o h e a i i n gp o w e rs u p p l yi sal 【i n do fs w i t c ht y p ep o w e rs u p p l ye q u i p w h i c he x p l o i t ss e m i c o n d u c t o rp o w e rd e v i c ea st h ec o r ec o m p o e n t ，i ti sak i n do f e q u i p m e n tm a tm a k e su s eo ft h ee l e c t m m a g n e t j ci n d u c t i o np r i n c i p l et oc o n v e nt h e e l e c t r i cp o w e ta st h e m l a le n e t g y c o m p a r i n gw i t ht h eo t h e rt r a d i t i o n a lh e a t i n g e q u i p m e n t s ，i n d u c t i o nh e a t i n gp o w e rs u p p l yh a st r e m e n d o u sa d v a n t a g e ，a n dh a sa n e x t r e m e l ye x t e n s i v ea p p l i c a t i o ni nt h ei n d u s t r j a lp r o d u c t i o n n o w 1 1 1 i st o p i cd e s i g n sak i n do fj n d u c t i o nh e a t i n gp o w e rs u p p l yw h i c hu s e ss e f i e s c o n n e c t e d1 0 r sa si t ss w 主t c hc o m p o n e n t c o m p a “n gw i t ht h ep r e s e n tw i d e s p r e a d u s eo fp a r a l 】e la n ds e r j e sr e s o n a n c ej n d u c t i o nh e a t i n gp o w e rs u p p l y ，j th a st h e f o l l o w i n ga d v a n t a g e s ：s a f ec r e d j b m t yo fw o r k ，c o n t f o l l i n gc i r c u i ts i m p l e ，a n ds oo n t h ew o r ko ft h et o p i cc o u r s ei sm a i n i yd i v j d e di n t ot h r e ep a r t s ，n a m e l y ：( b n c e i v i n g a n dc h 0 0 s i n gs t m c t u r eo ft h ec i r c u i t ；t i l ed e s i g i lo ft h ei n d u c t i o nh e a t i n gp o w e r s u p p l ya o c o r d i n gt ot h es t r u c i u r e ；a n dt h es t u d ya n dr e s e a r c ha b o u tv o l t a g e s h a r i n go f s e r i e sc o n n e c t e di ( i b t su n d e ft h ec i r c u i ts t l l l c t u r e t h ep o w e rs u p p l yi sb a s e do nak j n do fc l a s sei n y e r t e rs t l l i c t u r e c l a s se i n v e n e ri sas t r u c t u r ew o r k i n gu n d e rt h es o ns w i t c hm o d e ，i t sc h a r a c t e ri st oh a v ea v e r ) rh i g he f f i c i e n c y ，t ot h ep o w e rs u p p l ye q u i p m e n t so fp r o v i d i n gt h ee e r g y ，i ti s a l s ov e r yc r u c i a l n i st e x t 舀v e s 山en e c e s s a r ya n a l y s i sa b o u tt r a d i t i o n a lj n v e n e r ，a n d o nt h ef o u n d a t j o no ft m d i t i o n a ic l a s ses t r u c t u r e ，f o u n do u tal 【i n do fm o r es i m p l e s t m d u r eo fc l a s sei n v e r t c rc a r 呵i n 哥o u tc i r c u i t ，a t t h et i m eo fc o n c e i v i n gt o p o l o g yo f t h ec i f c u i t ，c o n s i d e r i n gt h es o l u t j o nt ot h ep o s s i b l ep r o b l e mo fv o l t a g e s h a r i n go n s e r i e sc o n n e c t e di g b t s ，t h es o l u t j o ng c t sav e r i f i c a t i o ni nt h ef o l l o w i n ge x p e r j m e n t a c c o r d i n gt ot 1 1 ei n v e n e rs t 兀i c t u f c ，t h i st e x td e s i g n sak j n do fr c q u e s tt h r c ep h a s e t oi n p u t ，o u t p u tp o w e rt oa t t a j na1 0 k w si n d u c t i o nh e a t i i l gp o w e rs u p p ly ，舀v e st h e d e s j g np 甜a m e t c r so ft h i ss y s t 锄a n dv a l i d a t e si tb ys i m u l a t i o na s s i s t a n c e t h c n d e s i g i l si h ec o n t r o l l i gc i - c l l i to ft h i sp o w e rs u p p l yi nt h em e a i i t i m e ，a n di nt h ce n d i i 郑州大学硕士学位论文 舀v e st h ea 咖a la d j u s t i n gr e s u l to f t l l ep o w e rs u p p l y i g b t ss c r i a lu s a g ei sak i n do fm e t h o d 也a tr a i s e s 也es y s t c mv o l t a g ec a p a c i t y ， b u ti nm e 雎而c ei tw i l la p p e a rt l l ep 础l 锄t i l a tm ev o l t a g cu n b a l 锄c eo fm es “a 1 i g b t st od 锄a g e h lt l l i ss y 吕t 咖，a l s oc x i s t sl l l ep r o b l 锄t h a tn e e d st od 印e n do nt 、o i g b t si ns 蒯e st or a i s em ed e g r e eo fm ew i m s t a n dv o l t a g e a tt h ee f l do ft 1 1 et c x t ，a c i e a ra i l a l y s i sa b o u tv o l t a g e s h a d n gb 嬲e do nt h i ss y s t e mi sp r e s e n t c db yd i n to f s i m u l a t i o na s s i s t a n c ed e s i g n ，a i l dp u tf o 九v a r dak i n do fm o r es i m p l ea n de a e c t i v e s o l u t i o n ，t h e nr e v i s e st h ep a r a m e t e r so ft h ed e s i g n e di n d u c t i o nh e a t i n gp o w e rs u p p l y a c c o r d i n gt om es o l u t i o n ，m a k e st h i ss y s t 锄b ea b l et oa l s oo u t p u tt 1 1 ep o w e ro fn e e d w h e l li ta p p e a r sv o l t a g e s h 鲥m gp r o b l e m k e yw o r d s ：i n d u c t i o nh e 8 t i n 吕c l a s se ，i g b t ， v o l t a g c s h a r i n g l i 郑州大学硕士学位论文 郑重声明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文 没有剽窃、抄袭等违反学术道德、学术规范的侵权行为，否则，本 人愿意承担由此产生的一切法律责任和法律后果，特此郑重声明。 第l 章引言 第1 章引言 在第l 章里，首先介绍一下目前用于半导体感应加热方式的主要技术情况， 说明本课题研究的意义和价值，然后对本文的工作做一个总体的概述。 1 1 现有技术及研究意义 感应加热电源逆变器现在的主要电路结构有电流型逆变器和电压型逆变器 【l 】【2 】f 3 】【4 】嘲。电流型逆变器给并联负载供电，故又称并联谐振逆变器。电压型逆变 器给串联负载供电，故又称串联谐振逆变器。它们的电路结构如图1 1 所示。串联 谐振逆变器是现在常用的一种加热电源逆变结构，但是它存在着并机扩容困难。 而对于并联逆变器，易于实现模块化、大容量化【6 】，但是在应用中也存在着诸多 困难，如需反并联快恢复整流二极管，输出电压不高，起动不方便等【7 】f 肌。串联和 并联谐振型电路也都普遍存在着桥臂短路直通以及驱动相对复杂等阀魁l 】【9 】。 一、一 正：二二一 a 串联谐振电路 b 并联谐振电路 图1 1 串联逆变式和并联逆变式电路 本系统中所设计的感应加热电源主要用于金属工件的热处理，也可以通过热 媒介实现塑料的塑模等。相比较传统的并联逆变式和串联逆变式感应加热电源， 具有一定的优点。它只用了一个开关元件( 本课题中需要两个i g b t ，用两个i g b t 的原因是为了提高器件的耐压级数，可等效为一个开关元件) ，提高了系统工作 的可靠性和稳定性；另外由于是单个开关工作，驱动信号比较简单可靠，即使是 在后面的设计中采用了串联l g b t ，它的两个i g b t 也是采用同步信号驱动，不 第1 章引言 会出现并联逆变式和串联逆变式中可能出现的桥臂短路直通等问题，驱动控制部 分相对较为简单。另外采用e 类软丌关技术，最大限度地减小了损耗，有利于 提高电源的工作效率。 1 2 本课题的总体工作 本课题的总体工作主要分为三个部分，即：电路结构的构思与选用；基于该 结构的感应加热电源的设计；以及在该电路结构下i g b t 串联均压问题的探讨与 研究。 1 电路结构的构思与选用 在设计感应加热电源之前，需要先找到一种较为合理的电路结构，作为该电 源的理论基础。本课题在传统e 类结构的基础上，找到了一种结构更加简单的e 类逆变器实现电路，在构思该电路的时候，考虑了对可能出现的i g b t 串联均压 问题的解决，该解决方法在后面的实验中得到了验证。这一部分的内容如第3 章中所述。 2 基于该结构的感应加热电源的设计 在构思了合适的电路结构之后，要把该电路结构应用于实际。基于该逆变器 结构，本文设计了一种要求三相交流输入，输出功率达到1 0 k w 的感应加热电源， 给出了浚系统的设计参数，并通过仿真辅助对设计结果进行了验证，同时设计了 该电源的驱动控制电路，并最终给出了该电源的实际调试结果。这一部分的内容 如第4 章中所述。 3 i g b t 串联均压问题的探讨与研究 在系统设计完成后，本课题还考虑了如果出现串联的i g b t 由于开关工作不 一致所造成的均压问题。并根据前面所设计的电路结构，对基于该系统中e 类 结构下的均压问题进行了比较详细的分析，并提出了一种较为简单有效的解决方 案。这一部分的内容如第5 章中所述。 第2 章感应加热技术及加热电源概述 第2 章感应加热技术及加热电源概述 感应加热电源是一种利用半导体功率器件作为核心元件制作的开关型逆变 电源装置，它是利用屯磁感应原理把电能转化为热能的设备。目前，感应加热技 术已被广泛地应用在机械制造、冶金、国防、航空航天、汽车制造以及教学、科 研等诸多领域，辛要用于黑色及有色会属材料的冶炼铸造、加热( 整体透热和局 部加热) 、热处理( 淬火和回火) 、焊接、烧结等方面。 2 1 感应加热的特点 推动感应加热技术不断发展、不断提高的主要因素，是感应加热所具有的优 越性能与特点。与传统的加热方式( 如火焰加热) 相比，感应加热具有如下的一 些性能与特点：1 、具有精确的加热深度和加热区域，并易于控制；2 易于实现 高功率密集，加热速度快，效率高，能耗小；3 加热温度高，加热温度易于控制； 4 加热温度由工件表面向内部传导或渗透；5 采用非接触式加热方式，在加热过 程中不易掺人杂质；6 工件材料烧损小，不易氧化；7 作业环境符合环保要求； 8 易于实现加热过程的自动化控制。 2 2 感应加热的原理 初级线圈中电流的变化，可以在邻近的闭合次级线圈中产生感应电流，这就 是感应加热的理论基础。对金属工件的感应加热，其工作原理是在被加热金属工 件外绕上一组感应线圈。当线圈中流过某一频率的交流电流时，就会产生相同频 率的交变磁通，交变磁通又在金属工件中产生感应电势，从而产生感应热量，实 现对工件加热。 感应加热方式是通过感应线圈把电能传递给被加热的金属工件，然后电能再 在金属工件内部转化为热能，感应线圈与金属工件并非直接接触，能量是通过电 磁感应传递的，因而，我们把这种加热方式称为感应加热。感应加热所遵循的主 要原理是：电磁感应、涡流效应、集肤效应和热传导等。为了将金属工件加热到 一定的温度，要求工件中的感应电流尽可能地大，增加感应线圈中的电流，可以 第2 章感应加热技术及加热电源概述 增加金属工件中的交变磁通，进而增加工件中的感应电流。现代感应加热设备中， 感应线圈中的电流最大可以达到几千甚至上万a 。增加工件中感应电流的另一个 有效途径是提高感应线圈中电流的频率，由于工件中的感应电势正比于交变磁通 的变化率，感应线圈中电流的频率越高，磁通的变化就越快，感应电势就越大， 工件中的感应电流也就越大。对同样的加热效果，频率越高，感应线圈中的电流 就可以小一些，这样可以减少线圈中的功率损耗，提高设备的电效率。在感应加 热过程中，会属工件内部各点的温度是在不断地发生变化的，感应加热的功率越 大，加热时间越短，会属工件表面温度就越高，工件中心部位的温度就越低。如 果感应加热时间长，余属工件表面和中心的温度通过热传导而趋于均匀。 感应加热设备的选用是根据被加热工件的工艺要求和尺寸大小来决定的。根 据被加热工件的材质、大小以及加热区域、加热深度、加热温度、加热时间等工 艺要求，进行综合计算与分析，来确定感应加热设备的功率、频率和感应线圈等 技术参数。 2 3 感应加热电源设备 随着电力电子技术水平的不断发展。新型电力半导体器件如绝缘栅双极晶体 管i g b t 、静电感应晶体管s i t 等相继研制开发成功，其应用技术特别是在感应 加热设备中的应用技术得到了迅猛的发展。半导体式感应加热设备的出现，打破 了传统的感应加热设备的格局，已经基本取代了发电机组和电子管式感应加热设 备。 感应加热设备的功率和工作频率是两个最重要的技术参数。感应加热的频率 通常可以分为低频( 2 0 0 h z 以下) 、中频( 2 0 0 h z 到2 0 k h z ) 、超音频( 2 0 k h z 到 1 0 0 k h z ) 、高频( 1 0 0 k h z 以上) 4 个部分。目前，中频感应加热设备的发展都是 以电动机一发电机组式为起点的，高频感应加热设备则是以电子管式为起点的。 与前两者相比，电力半导体式感应加热电源设备具有十分明显的优点：1 、体积 小、重量轻、安装便捷；2 、无需预热，随用随丌，起停方便；3 、效率高，能耗 小，冷却水流量小：4 、优良的控制性能，便于实现自动化操作。 半导体式感应加热设备目前已基本替代了传统发电机式感应加热设备， i g b t 超音频加热电源是在最近的十几年里推出的新型电力半导体式感应加热设 第2 章感应加热技术及加热电源概述 备，在技术性能不断完善的同时，也讵在逐步替代传统的电子管式感应加热设备。 2 4 感应加热技术的发展 感应加热技术自投入应用以来，由于它所具有的效率高、能耗小、加热速度 快、加热区域易控制、无环境污染、易于实现加热过程自动化等一系列优越的性 能和特点，因而在短短的几十年间得到了飞速的发展，感应加热的应用领域不断 地扩大。 感应加热主要用于金属材料的熔炼铸造、透热锻造、热处理、焊接、烧结等 方面。通过中间发热媒体，还可以对非金属材料进行热加工，如用于热固性塑料 加工中的压模和挤压等加热工艺。本课题所设计的感应加热电源除了可用于加热 金属外，也可以用于塑料材料的塑模。感应加热还可以应用在半导体器件的生产 加工工艺上，如半导体器件的区域提纯、单晶生长和掺杂。感应加热已经在不断 地渗入到我们的日常生活领域中去，电磁灶、微波炉都是以感应加热技术为基础 开发成功的，它们已成为当今社会中人们生活的得力帮手。 感应加热技术的发展，主要依托感应加热理论和感应加热电源设备的发展， 而在某种程度上讲，感应加热电源设备的发展起着更为重要的作用。随着大功率 电力半导体器件不断地推陈出新，对感应加热电源设备带来极大的影响，推动了 感应加热设备的日新月异。从上世纪5 0 年代丌始，世界上一些工业发达国家就 特别注重研制和开发电力半导体器件及其应用技术，相继开发成功采用s c r 、 i c b t 、s i t 等电力半导体式感应加热电源，频率从低频、中频、超音频到高频。 在我国，感应加热电源设备的发展也是十分迅速的，但是，与世界发展水平相比， 我们还明显地存在较大的差距，特别是在设备的可靠性、成套设备的工艺设置与 制造水准、大功率电力半导体器件的研制开发与生产等方面的差距就更为明显。 近年来，国内外许多科研人员正致力于进一步完善感应加热理论、开拓感应 加热技术的应用领域，如脉冲式磁场用于稀有金属的调质处理、大型工件的芯表 温差处理、感应加热设备的单机多任务系统、感应加热设备的计算机远程监控、 大功率电力半导体器件等。随着社会的发展和科学技术水平的不断提高，感应加 热技术的应用，必将呈现出灿烂辉煌的前景【1 。 2 5 感应加热电源的发展趋势 第2 章感应加热技术及加热电源概述 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，随着功率器件 的大容量化、高频化，也带动感应加热电源的大容量化和高频化。 1 高频化 目前，感应加热电源在中频频段主要采用晶闸管，超音频频段主要采用 i g b t 。感应加热电源虽采用谐振逆变器，有利于功率器件实现软开关，但是， 感应加热电源通常功率较大，对功率器件、无源器件、电缆、布线、接地、屏蔽 等均有许多特殊要求。因此，实现感应加热电源高频化仍有许多应用基础技术需 进一步探讨。 2 大容量化 从电路的角度来考虑感应加热电源的大容量化，可将大容量化技术分为两大 类：一类是器件的串、并联，另一类是多桥或多台电源的串、并联。在器件的串、 并联方式中，必须认真处理串联器件的均压问题和并联器件的均流问题。由于器 件制造工艺和参数的离散性，限制了器件的串、并联数目，且串、并联越多，装 置的可靠性越差。多台电源的串、并联技术是在器件串、并联技术基础上进一步 大容量化的有效手段，借助于可靠的电源串、并联技术，在单机容量适当的情况 下，可简单地通过串、并联运行方式得到大容量装置。 3 顶载匹配 感应加热电源多应用于工业现场，其运行工况比较复杂，它与钢铁、冶金和 金属热处理行业具有十分密切的联系，它的负载对象各式各样，而电源逆变器与 负载是一有机的整体、负载直接影响到电源的运行效率和可靠性。对焊接、表面 热处理等负载，一般采用匹配变压器连接电源和负载感应器，高频、超音频电源 用的变压器从磁性材料到绕组结构正在得到进一步的优化改进，同时，从电路拓 扑上可以用三无源元件代替二无源元件，以取消变压器实现高效、低成本匹配。 4 成套装置及智能化控制 随着对感应热处理生产线自动化控制程度及电源高可靠性要求的提高，必须 加强加热工艺成套装置的丌发，感应加热系统证向智能化控制方向发展，具有计 算机智能接口、远程控制和故障自动渗断等控制性能的感应加热电源系统正成为 下一代发展目标1 6 】【。 6 第3 章系统电路结构的选取与设计 第3 章系统电路结构的选取与设计 在设计感应加热电源之前，需要先找出一个合适的拓扑结构作为电源的电路 基础，尤其是作为电源核心的逆变部分。e 类逆变器是一种工作在软开关模式下 的逆变电路，它具有极高的集电极效率，这对于用束提供能量的电源系统来说， 是至关重要的。因此，本系统中选用e 类软开关模式逆变器作为感应加热电源的 逆变部分。同时，为了有目的地对在耐压级数要求较高时i g b t 串联均压的问题 进行探讨和研究，需要对现有的e 类逆变结构进行调整，使之能够实现串联时对 i g b t 均压问题的解决。本章中首先对传统的e 类逆变器进行了必要的分析，在此 基础上，找到了一种较为合理的e 类逆变结构，给出了它的工作波形以及最佳状 态下的理论分析。 3 1 传统e 类逆变器的分析 e 类逆变器( e 类放大器) 最早是由s o k a l 所提出，它工作于软开关工作状 态下，电路结构简单，理想效率为1 0 0 ，是一种效率极高的变换电路1 2 】。 e 类逆变器( 放大器) 在现代电子行业里得到了较为广泛的应用，它主要用 于对功率效率要求较高的地方，例如中继通信站，可提高电源效率，减小损耗， 降低维护成本。另外e 类功率放大器在射频和微波段也有着极为广泛的应用 1 4 ，可以应用于无线通信领域【1 5 】。除了应用于大功率的电力电子场合，在弱电 系统如手机中，利用e 类放大器原理制作的直流变换器 1 6 】1 1 7 】也可以被用来提高 功率效率，降低电源消耗，减小体积重量，延长通信使用时间【1 3 】。 3 1 1e 类逆变器的特征 e 类逆变器的工作状态可以分为三种，即最佳工作状态、准最佳工作状态和 偏离这两种状态的失调状态。 e 类逆变器工作在最佳状态下须满足的条件，也可以说是e 类逆变器( 放大 器) 区别与其它的逆变器( 放大器) 的特征如下面的等式所示： v i m 一2 z = o ( 1 ) 第3 章系统电路结构的选取与设计 孥k z r = o 孥k z 一 m 其中v c e 为系统开关元件上的电压 ( 2 ) ( 3 ) 开关元件在u 固n 时开通 条件( 1 ) 表示开关元件开通时刻的电压为零；条件( 2 ) 表示开关元件开通 时刻电压对时间的导数为零；条件( 3 ) 表示开关元件关断时刻之后的电压上升 率为有限值f 18 】【1 9 】f 2 0 】。在本设计过程中，主要是要考虑对条件( 1 ) 和条件( 2 ) 的满足。 3 1 2 传统e 类逆变器的拓扑结构与工作原理 1 e 类逆变器的电路拓扑和工作原理 图3 1 给出了e 类逆变器的电路拓扑。其中a 为电路原理图，b 为理想状 态下的等效电路模型。 a 电路原理图b 理想状态下的等效电路模型 图3 1 传统e 类逆变器的基本电路拓扑 开关元件o 受驱动信号的控制周期性地开通和关断。l l 是一个电感量足够 大的电感，阻止高频电流通过，使流过的电流为一个恒定值。在q 导通期间， k 、c 2 、r 组成一个谐振回路，这个谐振回路的品质因数值足够高，保证其中的 电流为近似正弦波。当q 关断时，k 、c 2 、r 谐振回路中的电流流入c l ，l l 中 的直流电流由q 切换到c l 中。 图中，l 1 的阻抗应足够大。l 2 、c 2 为谐振元件，在r 上产生高频的正弦波 输出。c l 为外加电容，目的是使_ 丌关管q 工作在理想状态。 该电路在最佳工作状态下的原理分析如下。 当q 导通时，l 1 中的电流全部流过q ，由于l2 、c 2 在开通之前已经储存了 r 第3 章系统电路结构的选取与设计 能量，这时l 2 、c 2 、r 就形成了一个闭合的谐振回路，这个谐振回路的品质因数 值足够商，r 上就得到一个近似正弦波输出。此时通过q 的电流则为l 1 中的电流 与l 2 ，c 2 ，r 谐振回路中的电流之和。 当q 关断时，因为q 的两端并联着一个较大的电容c l ，c 1 上的电压由零缓慢 上升，从而使o 在关断电流拖尾期间，两端的电压上升幅值受限，从而大大降低 了关断损耗。关断期间，l 2 、c 2 、r 和c l 形成了一个闭合的谐振回路继续谐 振，l 1 对谐振回路充电，补充谐振能量。当c 1 上的电压又谐振到零时，q 导通， 从而实现了开关管o 的零电压开通，且大大降低了开通损耗。至此，电路完成了 一个完整周期的工作，在r 上得到了一个完整的近似正弦波输出。 由上述分析可见，e 类逆变器可大大减小开关管的开通损耗和关断损耗，并 且电路结构简单，使用一个开关管，就能容易地获得较高频率的正弦波输出。 2 e 类逆交器的3 种工作状态 由前文所述，e 类逆变器在工作时会出现三种不同的工作状态。图3 2 给出 了开关元件在三种工作状态下其两端电压的示意图。其中l 为最佳工作状态波 形，2 为准最佳工作状态波形，3 为偏离状态波形。 在品质因数q 和占空比d 一定的时候，产生上诉三种状态的原因主要是由负 载引起的。e 类变换器的工作状态受负载的影响很大。根据负载r 大小的不同， 会导致变换器工作在不同的状态。 当负载r 为最佳负载r f i ”时，开关 管两端电压在开关管开通时恰好谐振 v c e 到o ，即v c f 0 ，所以是零电压开通，并 且同时d v c b ，d t - o ，这时系统工作在最佳 工作状态下，开关损耗最小。如图3 2 中曲线1 所示。 当r r o 阿时，会导致i g b t 电压v c e 在开通时无法谐振过o ，因此如在这种状 态下开通，将会导致较大的损耗，而且严重的时候甚至还有可能损坏开关管，所 以这种偏离失调状态是不允许的，在正常工作中要予以避免。如图3 2 中曲线3 所 示。 最佳工作状态下的耻孵的估算方法之一是可以通过解满足条件( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) 下的二阶电路的方式求得【1 8 】。 该e 类逆变器在正常状态下的工作波形如图3 3 所示。 一 、f ，一、 7 一、 r 1 l 一j 一 7 f ；、i ，_ t 一一j l 二 卜 a 最佳工作状态波形b 准最佳工作状态波形 图3 3e 类逆变器在正常状态下的工作波形 3 2 电路负载的等效变换 在对电路进行设计之前，需要首先了解输出负载的特征，以便有目的地对电 路拓扑进行设计。负载的等效变换如图3 4 所示。 如图所示，根据负载等效的原则，实际负载的模型，在做电路计算和分析的 过程中可用最左侧的r 和l 的并联组合来等效代替。因此，在本设计中，只考 虑负载为r 和l 并联的等效形式，而不考虑实际过程中由于加热工件的工艺问 题所造成的负载的变化。在负载的等效变换中，可以通过匹配变压器以及l c 匹 配网络等方式把r 和l 变成系统所需的数值。 0 第3 章系统电路结构的选取与设计 图3 4 负载的等效变换 3 3e 类逆变器电路拓扑的选取和构思 3 3 1 本系统中所用e 类逆变器电路拓扑的演变 r 厂l 广一一1 本系统中所用e 类逆变器电路拓扑的演变过程如图3 5 所示。 u u u d c 图3 5e 类逆变器电路拓扑的演变 图中左侧端为前面分析过的传统经典式e 类逆变器，它的优点是效率高， 输出波形为近似正弦波。也可以被用来设计感应加热电源【2 ”。 中间的结构是在文献【2 2 】和【2 3 中所提到的e 类逆变器拓扑，它的工作波形 与我们所用到的e 类结构非常相似，在这里不再作详细的说明。它和3 的主要 区别在于直流通路不同，开关元件上的电压值相差一个常数项，即电源电压。 右侧电路是本系统中所用的e 类结构，从2 到3 的变化，即改变电容的位 置主要是出于均压的考虑。在文献 2 2 中虽然也出现了该电路结构，但是并没有 对其进行分析，也没有指出它可能的应用场合及均压性能。 该e 类电路结构简单，但输出波形不是标准正弦波，可以应用在对高次谐 一 膏一 一 m ， ，卜厂 第3 章系统电路结构的选取与设计 波要求不高的场合。 根据感应加热的原理，工件的加热深度h 是由加热频率来决定的【2 4 1 ，也即： h = 0 2 p # l = 、3 p r 弘o “i ( 4 ) 其中p 为工件电阻率，u 为工件磁导率，uo 为真空磁导率，i lr 为工件相对 磁导率，u 为角频率，f 为频率。由该等式可以看出，当工件材料固定后，加热 深度只与f 有关，即h 与f 的平方根成反比。频率越高，加热的厚度就越薄。因 此，高次谐波只会作用于较浅深度的地方，在对加热没有特殊要求的情况下，本 拓扑可以用来作为感应加热电源的基本结构。 3 3 2 本系统中所用e 类逆变器的设计思路 由于经常工作在大电压和大电流的状态下，在电力电子设备的运行过程中， 可靠性是系统的一个重要指标，而使用元件的数目将影响系统的可靠性；同时为 了提高功率密度，在性能指标不受较大影响下，需尽量减少使用元件的数目。 考虑至u 在本系统中如果出现单个i g b t 的耐压不足的情况下需要对l g b t 进 行串联，由于e 类逆变器在关断时，电压是从零开始上升，并且当分别在两个 i g b t 的两端并联电容时，就使得实现串联均压成为可能，这在后面的实际电路 分析中得到了验证。 3 4 本系统中所用e 类逆变器的工作原理与分析 在本节里，将对该e 类逆变器进行详细的分析，并给出了在最佳工作状态 下的参数设计。其电路原理图如图3 6 所示。 i 一翁蕊嚣j c r a 电路原理图b 理想状态f 等效模型 图3 6 本系统中所用e 类逆变器电路图 厂。u 晕 第3 章系统电路结构的选取与设计 3 4 1 工作原理 由图3 6 所示，浚电路的核心器件为开关元件k ，开关元件被驱动以频率 m 2n 的矩形方波信号，工作在周期性开关状态下，占空比为d 。谐振电容c 并联 在开关元件两端，它包括开关元件k 上的寄生电容，电感l 和电阻r 构成负载网络。 该e 类逆变器极大地减小了开关元件在系统由关断到开通的过渡过程中的能量 损耗，具有较高的集电极效率。为了减小这些功率损耗，该e 类电路结构同样需 要满足式( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) 中所述的最佳的i ：作条件。 该e 类逆变器的工作原理如图3 7 中波 形所示。 最佳状态下工作情况如下叙述： 开通时段：i g b t 在0 时刻开通后，电 源对电感储能充电，通过电感l 的电流i l 线性增加。此时电压v c e 为零。因此，输 出电压v o 等于电源电压v c c 。通过电容c ( 的电流i c r 为零。通过电阻r 的电流i r 为 恒定直流，等于v c c ，r 。 关断时段：当开关断开，电流i c 下降 为零。电阻r 中电流i r 和电感l 中电流i l 的和切换到电容c 中，开始对电容充电。 电流i r ，i l ，i c r 以及电压v o 都是衰减的币 弦波的一部分。电源电压v c c 和输出电压 v o 之间的差是开关v c e 上的电压。当开关 元件上的电压谐振到最高点时，电容c 反 向放电，在开通时刻电压谐振为零。此时 电容c 里流过的电流也恰好谐振到零，也 就是开关元件上的电压的导数在此时也为 零。准最佳状态下情况将在下章实际应用 的时候予以介绍。 i 一 t 7 门 v c c t 7 l， t 7 ，u 。 v c c ，r 一 t 7 v c c ，r 一 t 7 j f t 7 圈3 7 最佳状态r 波形幽 第3 章系统电路结构的选取与设计 3 4 2 理想逆变电路的分析 1 假设 如图3 6 a 所示的e 类逆变器的分析是基于图3 + 6 b 所示的理想电路模型和下列 各项假设的。 假设l ：i g b t 工作在理想开关状态，即开关闭合时，其上的电阻和电压都 为o ；丌关断丌时，通过丌关的电流为o ；丌关的延迟时问为o ，f 降时间和上 升时间也为o 。 假设2 ：负载中元件是理想的，也就是说其电阻、电感和电容元件是线性的， 而且电感和电容元件是无损的，并且它们的自谐振频率是无穷大的。 2 分析及计算 ( 1 ) 开关元件上电流i c 的分析 在关断时段，开关元件上没有电流通过，因此电流i c 为o ； 在开通时段，开关元件上电流i c 为电感上电流和电阻上电流之和。 f c ( f ) = 如( f ) + 赴( f ) ( 5 ) 此时，v c e = o ，因此： = y ( 6 ) 扣娶 ( 7 ) f r 2 ( 7 ) r f 。，：c 尘竺：o d f 似r ) = “o ) 十圭v 印矽r = 姒o ) + 圭谢r ：豇( o ) + 挈 f c ( f ) - 州f ) + “f ) _ 等+ 等“( 0 ) 式中i c ，为流过电容c 的电流，i c 为流过开关元件上的电流。 因为i l 和i r 总是连续的，而i c 在丌关开通前是零，即i c ( 0 ) = o ， 得到电感i ，的电流初始值i 。r 0 1 = v c c ，r 。于是f 9 1 和f 1 0 1 可变成 4 ( 8 ) ( 9 ) ( 1 0 ) 所以，由式( 1 0 ) 第3 章系统电路结构的选取与设计 “f ) _ 竽 叫f ) - 竽 ( 1 2 ) 根据傅立叶变换，直流电流等于在一个周期内的直流母线上的电流平均值， 则可得到： 扯去胁州( 硼 ) = 去r f c ( 硼d ( 删+ 去f c ，( 删d ( 州 由( 8 ) 式可得 m ( 2 z ) = v 州2 万d ) + 吉“( 刎d ( 删 “4 ) 由e 类的工作特性可知： m ( 2 丌) = 0 ( 1 5 ) v ( 2 万d ) = o ( 1 6 ) 则妨( 珊f ) d ( f ) = o ( 1 7 ) 从而有肌去肛c ( 删( 硼= 譬 借鉴文献【2 3 】中对前一节里第2 种e 类逆变结构的推导， 警= 悔：戮石 ( 1 8 ) 可得到i c 在i c c 上归一 在开通时段，开关元件上电压v c e 为o 。 在关断时段，开关元件上电压是电源电压与输出电压之差，即 v 叩( f ) = c v d ( f ) 出该式可列出电压v c e 在时域的电路方程： 工c ! ! ：! ! + 生旦兰竺+ v 。：y 。 ( 1 9 ) ( 2 0 ) ( 2 1 ) 第3 章系统电路结构的选取与设计 可以根据上式对电压v c e 求状态解。 或是利用拉普拉斯变换，在s 域内求解后再利用拉普拉斯反变换求出电压v c e 在频域内的解析式。 借鉴文献【2 3 】中的推导方式，可得到电压v c e 解析式如下： ! 竺! 竺生： c c o s 簪似驯 l 2 q 、7 l 一兰! 笪堡垒二! + 历 出 簪陋驯 2 q 、7 l 2 万d t 2 ， ( 2 2 ) 其中，q = 甜o c 月= r m o 上，4 = 厂o ，珊o = 2 石，。= l 历为系统的谐振 频率，= 珊2 石是系统实际的工作频率。 把最佳工作状态下的条件( 1 ) 和( 2 ) 代入( 2 2 ) 中就可得到的d ，q ，a 之间的关系【2 3 l ，如下面等式所示： 唧 掣 = c o s 学 ， 一耸型。i 型生堕丝盟l 4 q 2 1 q 。柚陋型匝 ：逝 q石一q ( 2 4 ) 根据文献 2 3 中所介绍的方法，这两个等式方程可以用牛顿原理解出关于q 和a 的数值解，以这个数值解为基础可以解出元件参数r 、l 和c 以及其它的一些 性能参数。 ( 3 ) 电路的参数关系 a 最大电压和最大电流 由( 1 9 ) 式可得集电极最大电流，最大集电极电流为开通时刻的电流值，汁 d丌2 八 a 2 修正后电压波形b 2 修正后电流波形 a 中1 为q l 和q 2 电压和，2 为q 2 电压；b 中l 为q 1 电压，2 为q l 发射极电流。 a 和b 中3 为q 1 驱动信号，4 为0 2 驱动信号。 垂直刻度： 依次是5 0 0 v ，5 0 0 v ，5 0 v ，5 0 v d i v ：b 依次是5 0 0 v ，1 0 0 a ，5 0 v ，5 0 v d i v 。 水平刻度：a 和b 都是5us d i v 。 图5 ，4 第1 类延迟波形及解决后波形图 在该段时间，两个i g b t 的电压情况 。，t 如图5 5 所示，图中v g e 。、v g e 2 分别为串 f 联i g b t q l 和q 2 上的驱动控制信号， 。i1 |1 q 2 信号发生了延时，v c e l 、v c 分别为 i! l l i g b t q l 和q 2 上集射极问管压降。可以 。， f 看出，q 1 工作在偏离状态下，而q 2 工v r “_一 一：杉二：* 川。 作在准最佳状态下。 。：j ；f | j 该工作过程如下叙述： j ，j ；1 t o _ f l 时刻：在t o 时刻q l 关断。q 2 i 。 一t ：i誓。：。t 继续导通，电流通过q 2 对q 1 两端并联 图5 5 第1 类延迟波形示意图 f 乜容c 1 充电，c 1i ：电压缓慢卜升，一直到t 1 时刻，t 0 t 1 相差1 “s 。 t l t 2 时刻：t l 时刻q 2 也关断，这时电流同时对并联在q 1 和q 2 两端的电 容c 1 和c 2 充电。由于充电电流一致，因此，c 1 和c 2 上的电压变化情况也一 致。也就是说，q l 在v t l 以上部分的电压波形和q 2e 电压波形是完全一致的， 4 s 第5 章i g b t 串联均压问题的研究 在此期间，二者的电压值相差为一个常数值，即v t l 。而且，随着延迟时间的增 加，v “值也增大。 t 2 t 3 时刻：t 2 时刻，