（电力电子与电力传动专业论文）基于igbt的150khz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 t l i sp a p e rb r i e f l yi n t r o d u c e dt h eb a s i cp r i n c i p l ea n dt h ed e v e l o p m e n tt r e n do fi n d u c t i o n h e a t i n gt e c h n o l o g y i ti n t r o d u c e dt h et w om a i nt o p o l o g i e st h a ta r eo f t e nu s e di ni n d u c t i o n h e a t i n gp o w e rs u p p l y ，a n dc o m p a r a t i v ea n a l y s ew a sm a d eb e t w e e nt h ec u r r e n ts o u r c ei n v e r t e r a n dt h ev o l t a g es o u r c ei n v e r t e r ，a n da n a l y z e dp o w e r r e g u l a t i n gm e t h o d so fi n d u c t i o nh e a t i n g p o w e rs u p p l yt o o i tc a l lb ec o n c l u d e dt h a tp o w e rr e g u l a t i o ni nt h ee o m m u t a t es i d ei nf a v o ro f e n h a n c i n gt h ef r e q u e n c ya n dp o w e rl e v e lo fh i g h f r e q u e n c yi n d u c t i o nh e a t i n gp o w e rs u p p l y w ec h o s eu n c o n t r o l l e dr e c t i f y i n gc i r c u i ta n db u c ks o f tc h o p p e r i n gp o w e r r e g u l a t i o nm e t h o d a st h es u b j e c ti n v e s t i g a t e d a st h ec o n v e n t i o n a lh a r dc h o p p e rh a st h ed i s a d v a n t a g eo fh i g h l o s s ，w ep u tf o r w a r dan o v e lz e r o - c u r r e n ts w i t c h i n gq u a s i r e s o n a n tc o n v e r t e rt e c h n o l o g y w h i c hu s e di ns e r i e sr e s o n a n ti n d u c t i o nh e a t i n gp o w e rs u r c e i ti n t r o d u c e dt h es t r u c t u r eo ft h i s n o v e lc h o p p e r , a n dg o ti t sw o r k i n gp r i n c i p l eb ys i m u l a t i o nm e t h o d a tl a s ti t g o t t 1 1 e c o n c l u s i o nt h a tt h i sn o v e ls o f tc h o p p e ri ss u i t a b l ef o rh i 曲p o w e ra n dh i g hf r e q u e n c y i n d u c t i o nh e a t i n gp o w e rs u p p l y 珊l a t sm o r e i ta n a l y z e dt h ep r i n c i p l eo ft h ei n v e r t e r , d e s i g n e dt h ep ip o w e rr e g u l a t o r , a n di n d u c t i o nh e a t i n gs u p p l yw i l lp o w e rc o n t r o lp r o b l e m i n t oab u c kc h o p p e rv o l t a g ec o n t r o li s s u e s b e c a u s el o w f r e q u e n c yo fi g b td e v i c e s t m sp a p e rp r e s e n t san e wi n v e r t e rt o p o l o g y t h r o u g hi g b tp a r a l l e lt oa c h i e v em u l t i - f r e q u e n c y , t h e r e b y , e n s u r i n gh i 曲- p o w e ri n d u c t i o n h e a t i n gp o w e r o nt h ep r e m i s eo fi n c r e a s e df r e q u e n c y , a n a l y s i so fi t sw o r k i n g p r i n c i p l e ，a n di t s s i m u l a t i o n , v e r i f i c a t i o no ft h ec o r r e c t n e s so ft h et h e o r y , a c h i e v e dt h ee x p e c t e dr e s u l t s i n a d d i t i o n , t h ed e s i g no fad i g i t a lp h a s e l o c k e dl o o p ( d p l l ) ，t h ei n v e r t e ra l w a y sm a i n t a i ni nt l 。e p o w e rf a c t o ra p p r o x i m a t i o nf o ras t a t ew o r k ，a n dp o w e re f f i c i e n to p e r a t i o n f i n a l l y , t h e a n a l y s i sa n dd e s i g no ft h eb u f f e ri g b ts n u b b e rc i r c u i t a ni n d u c t i o nh e a t i n gp o w e r s u p p l yw h i c hu s e dt h ew a yo f m u l t i f r e q u e n c yw a sd e s i g n e d i nt h ef i f t hc h a p t e r , t h ep o w e ro fw h i c ha r e15 0 k h za n d1o k ww i t ht h ef r e q u e n c y2 0 k h zf o r t h ec h o p p e ra n d15 0 k h zf o rt h ei n v e r t e r ( i g b to p e r a t i n gf r e q u e n c yi s 7 5 k h z ) t h es p e c i a l d s pc h i po ft m s 3 2 0 f 2 812t h a tp r o d u c e db yt ic o m p a n yi su s e da sm a i nc o n t r o l l e ro ft h e p o w e rt os i m p l i d e dt h es y s t e m n eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h ep o w e ra r ed e s i g n e d 1 1 1 e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h i sn o v e ls o f tc h o p p e r i n gp o w e rr e g u l a t i o ni n d u e t i o n h e a t i n gp o w e rs u p p l yr e a c h e dt h ec h o p p e ra n dt h ei n v e r t e rw o r k i n gi ns o f ts w i t c h i n gs t a t e s w h i c hi m p r o v e dt h ee f f i e n c yo ft h ew h o l ep o w e r s u p p l ya n da c h i e v e dd i g i t a ls y s t e m i tg a v e t h ew h o l eb l u ep r i n to ft h es y s t e m ，t h eb u c kc h o p p e rf u n c t i o n a lb l o c kd i a g r a m , t h ei n v e r t e r c o n t r 0 1b l o c k , d r i v e r i n gc i r c u i ta n dp r o t e c t i v ec i r c u i t , a n dt h es i r n u l a t i o na n de x p e r i m e n t a l r e s u l t s e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h em e a s u r er i l ev e r ye f f e c t i v ea n dg o o de f f e c ti sa c h i e v e k e y w o r d s ：m u l t i f r e q u e n c y , i n d u c t i o nh e a t i n g , h i g hp o w e r , d s p , s o f ts w i t c h u 独创性声明 本人声明所呈交的学位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 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： 耋丑：色2 夏 日 期： 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： p 铲、7 尼 日 期： 竺茬：三：! 圣 第一章概述 第一章概述 1 1 感应加热原理及其特点 电磁感应原理被广泛用于电动机、发电机、变压器和无线电通讯等方面，然而这些 应用当中，任何热效应都被看成是一种有害的副作用。感应加热恰恰是变有害为有利。 感应加热是利用交变磁场中闭合导体内产生的涡流和磁滞损失作用于金属本体而引起 热效应，在极短的时间内产生大量的热能，以此来对金属表面或整体进行加热。其工作 原理如图1 1 所示。电流通过线圈产生交变的磁场，当磁场内磁力线通过待加热金属工 件时，交变的磁力线穿透金属工件形成回路，故在其横截面内产生感应电流，此电流称 为涡流( 亦称傅科电流) ，可使待加热工件局部瞬时迅速发热，进而达到工业加热的目 的【l 】o 下 应线圈 属器件 图卜1 感应加热电源示意图 fig 1 1s k e t c ho fi n d u c t i o nh e a t i n gp o w e r 当感应线圈上通过上述交变电流i 时，线圈内部会产生相同频率的交变磁通驴，交 变磁通中是按正弦规律变化的，则有 妒= 圣。s i n w t ( 1 1 ) ( 1 1 ) 式中，口m 为交变磁通的最大值； 则可得到感应电动势为： e = 。w c o s w t ( 1 2 ) ( 1 2 ) 式中：是线圈匝数； 因此感应电动势的有效值为： e ：掣孚：4 4 4 n f 圣。 ( 1 3 ) 、z ( 1 3 ) 式中：厂为交变电流的频率； 在金属导体横截面内产生的涡流i r 值与感应电动势和涡流回路的阻抗z 相关， ，= 兰= 1 兰一 ( 1 4 ) ，= 一= 芦= = ；= 1 | 。 z 天2 + x ： ( 1 4 ) 式中： r ：涡流回路等效的电阻( q ) ； 磁：涡流回路等效的感抗( q ) ； 江南大学硕十学位论文 感应加热通过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。感应线圈与被加热工件并不直接接触，能量是通过电磁感应传递的，故感应加热属 于非接触式工件加热，其产生焦耳热的功率为： 4 i t r - 筹 ( 1 5 ) ( 1 5 ) 式中 尸：涡流作用在加热工件上所产生的热量( w ) ； 厶电流有效值( a ) 。 由式( 1 5 ) 可以看出，当负载固定时，发热功率与频率的高低和磁场的强弱有关。 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。 磁通巾( t 图1 - 2 涡流产生示意图 f i g 1 - 2s k e t c ho fe d d yc u r r e n t s 如图1 2 所示，当交变的磁场通过导体的时候，导体中会产生涡流，由于高频集肤 效应，涡流在工件中的分布密度是不均匀的，导体表面的涡流最大，愈深入导体内部涡 流越小2 1 ，其衰减大致呈指数规律变化。工程上通常规定当导体电流密度由表面向罩面 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6 称为电流透入深度。 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6 内3 1 。透入深度6 可用下式来表示： - _ _ _ _ _ _ _ _ 一 6 ：5 0 3 0 j l ( 1 6 ) p r f ( 1 6 ) 式中 p ：导体材料的电阻率( q 幸c i l l ) ； 肼：导体材料的相对磁导率； 一电流频率( h z ) 。 2 第一章概述 由式1 6 可以得出，当导体材料的电阻率p 和相对磁导率确定后，其透入深度5 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 度就越小；反之，透热厚度就越大。 由于感应加热过程主要是依靠电流感应透热及热传导的方式实现，所以其可在很短 的时间内将工件加热到预期的深度和温度。所以感应加热具有以下优点： 1 ) 非接触式加热，热源和受热物件可以不直接接触； 2 ) 加热效率高，速度快，可以减小表面氧化现象； 3 ) 加工精度高，温度容易控制，产品质量稳定； 4 ) 可实现局部加热； 5 ) 可实现自动化控制； 6 ) 占地面积小，热辐射，噪声和灰尘少； 7 ) 容易实现自动控制，省力。 鉴于其具有以上诸多优点，因此在工业领域有着广泛的应用。目前，感应加热已广 泛应用于钎焊、淬火、退火、金属熔炼、热处理、机械制造、轻工及电子类的加工等行 业。此外感应加热也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。 1 2 感应加热电源的发展概况和趋势 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 2 1 国外感应加热电源现状 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，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 h z - 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。1 9 9 5 年，美国i n d u c t o t h e r m 公司 为美国日内瓦钢铁公司( g e n e v as t e e lc o m p a n y ) 研制出4 2 m w 感应电炉。目前印度 e l e c t r o t h e r m 公司主页上可看到有1 0 m w 5 k 产品。 在超音频( 1 0 一1 0 0 k h z ) 范围内，早期基本是空白，晶闸管出现以后，一度曾采用 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 l 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 江南人学硕十学位论文 i g b t 应用最为普遍，这是因为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 年己经报道了3 6 0 0 k w 1 0 0 k l - - i 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。目前，美国i n d u t o h e a t 公司网站上有4 0 0 k w - 1 5 m w 3 0 k h z 系列产品，阿贾克斯磁热公司( a j a xt o c c o ) 网站上可看到有1 0 0 k h z 2 m w 产 品；英国r a d y n e 公司网站上可看到他们推出2 m w 3 k h z 及8 0 0 k w 5 0 k h z 产品。 在高频( 1 0 0 k h z 以上) 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 10 0 5 0 0 l m 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1 2 0 0 k w 2 0 m 沮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已 达6 0 0 k w 4 0 0 m 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己达4 8 0 k w 5 0 2 0 0 k h z ：目前，美国应达公司的 英国i n d u t o h e a tb a n y a r d 子公司己推出1 0 0 8 0 0 k h z 3 5 k w 3 m w 系列m o s f e t 产品， 美国a m e r i t h e r m 在其主页上最近可以看到4 k w 6 0 m h z 的产品；美国t h e r m a t o o l 公 司已有1 5 0 , - - - 8 0 0 k h u 5 0 k w , - - 2 m w 系列产品，德国e f d 公司已达到1 0 0 0 k w 3 0 0 l ( h z ， 1 2 0 k w 5 m h z 的水平。 1 2 2 国内感应加热电源现状 我国感应加热技术从5 0 年代：吁始孰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。到目前己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 1 0 0 4 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己经开始。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2 5 0 k w 5 0 k h z 超 音频电源已经产品化。近期，浙大已经研制出1 0 0 k w 2 5 0 k h z 的电流型感应加热电源， 而在电压型电源方面也取得了一定的成果，如5 0 k w 2 0 0 k h z 的产品已经实验通过。 1 2 3 感应加热电源的发展趋势 感应加热电源的水平与半导体功率器件的发展密切相关，因此当前功率器件在性能 上的不断完善，使得感应加热电源的发展趋势呈现出以下几方面的特点： 1 ) 大功率、高频率 电力半导体器件的大容量与其使用频率有着极密切的关系。早期的晶闸管和晶体管 由于受到容量与频率互相制约的影响，不能同时获得大功率、高频率的效果。随着新型 4 第一章概述 器件的发展，如m o s f e t ，i g b t ，m c t 等，未来的感应加热电源必将朝着大功率和高 频率两者相统一的方向发展，在这方面仍有许多基础应用技术需要进一步探讨【4 】。 2 ) 低损耗、高功率因数 新型功率器件的通念电阻很小，通态压降小，所以在高频工作条件下，损耗主要表 现在基极或门极驱动电路的损耗及器件的开关损耗上。随着功率器件的发展，再加上驱 动电路的不断完善和优化，使得整个装置的损耗明显降低。另外，由于感应加热电源一 般功率都很大，随着整个电网无功及谐波污染要求的提高，具有高功率因数的电源将是 今后的发展趋势。目前谐振技术的引入，方面降低了电源中开关器件的开通和关断损 耗，同时利用锁相技术将逆变器的工作频率锁定在槽路固有的谐振频率内，使得该电源 能始终运行在负载功率因数接近为1 的状态。 3 ) 智能化、复合化 智能化指的是功率半导体集成电路本身，包括过电压、欠电压、过电流、过热等检 测与保护功能。复合化指的是在一个功率模块内除了1 个或多个功率器件芯片外，还包 括相同数量的二极管等，在较小功率模块内也出现了保护电路与功率器件集成一体的电 路( p m ) 。因此，采用智能化与复合化的集成电路将使元器件数量减少，自动组装降低 了成本，电路本身具有诊断与保护等功能而提高了可靠性。随着感应加热生产线自动化 控制程度及对电源可靠性要求的提高，感应加热电源正朝着智能化控制方向发展，具有 计算机智能接口远程控制、故障自动诊断等控制性能的感应加热电源正成为下一代发展 目标。 4 ) 应用范围扩大化 采用感应加热方法对锻造钢坯透热，节水节电，无污染；在铸造熔炼方面可以实现 普通钢、特种钢、非铁金属材料的精细熔炼，同时可提高效率、无污染、金属成份可控； 感应钎焊效率高，对被焊母材无损伤，适用于精度高、批量大的工件和体积大、难移动 的母材局部钎焊及各类会属管材的焊接；各类零部件的表面热处理大量采用感应加热方 法；钢塑材料制造、铝塑薄膜加工以及食品工业、医药工业的封口工艺也大量地采用感 应加热的方式。 5 ) 数字化控制 电源的控制已经由模拟控制，模数混合控制，进入到全数字控制阶段。全数字控制 是一个新的发展趋势，已经在许多功率变换设备中得到应用。但是过去数字控制在感应 加热中用得较少。近两年来，电源的高性能全数字控制芯片已经开发成功，费用也已降 到比较合理的水平，欧美已有多家公司开发并制造出开关变换器的数字控制芯片及软 件。 全数字控制的优点是：数字信号与混合模数信号相比可以标定更小的量，芯片价格 也更低廉；对电流检测误差可以进行精确的数字校正，电压检测也更精确；可以实现快 速，灵活的控制设计。 江南人学硕+ 学位论文 1 3 本课题研究的内容及意义 1 3 1 主要研究内容 本文提出一种基于i g b t 的1 5 0 k h z 大功率串联谐振式感应加热电源，给出了系统 的总体设计方案，以高速t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 控制芯片为核心设计了系统的主电路和控 制电路，并在仿真的基础上进行实验，得出了实验结果。具体主要有以下几方面内容： 1 ) 对比分析了几种常见的感应加热电源的拓扑结构，得出了它们各自的优缺点， 进而提出一种新型的拓扑，并采用专业仿真软件p s p i c e 对新型拓扑进行了研究； 2 ) 本文通过对高频感应加热电源的功率调节问题进行分析，采用不控整流加软斩 波调压作为电源输出功率控制的方法，将感应加热电源的功率控制问题转换为 b u c k 变换器的控制问题，给出了功率控制方案； 3 ) 针对系统参数具有非恒定性，随时间、环境及自身温度的变化而变化的特性， 研究和设计了基于d s p 的数字锁相环技术，实现对负载频率的跟踪控制； 4 ) 设计并搭建了基于d s p 的硬件控制平台，包括了控制电路、采样电路、故障保 护电路、驱动电路等外围电路。 1 3 2 课题研究的意义 目前国内串联谐振感应加热电源在中小功率领域已经有了长足的发展，随着频率和 功率的提高，感应加热电源的研制又遇到很多有待解决的问题，例如如何改善开关器件 在高频下的开关环境，使得逆变器在现有器件的条件下提高工作频率；如何提高整机容 量，使其朝着高频率、大功率的方向发展；相对于整泸坼输出，魄率的调节方式，晶闸管 整流调功方式使得电网侧功率因数很低，对电网造成很大：二一扰，限制了其在大功率 场合的使用；斩波调功方式大部分还是采用的硬斩波电路形式，斩波功率器件损耗巨大， 限制了电源功率和频率的提高。如何达到集高效率、高功率因数等优点于一身，是感应 加热电源亟待解决的问题。 传统的感应加热电源控制多采用模拟电路的方式，电路结构复杂而且随着环境的变 化，电路的可靠性明显降低：模拟电路还存在元器件老化、系统升级改造困难等缺点。 随着电子信息技术的发展，高速数字信号处理芯片( d s p , d i 舀t a ls i g n a lp r o c e n s o r ) 的出现，使得电源领域采用数字化控制成为了可能，也成为主要发展趋势之一。有了高 速数字处理芯片的支持，采用数字化的控制策略不仅可以较好的解决模拟控制中的有关 问题，而且还增加了模拟控制中较难实现的一些控制功能，其主要优点有：控制灵活， 系统升级方便只需修改相应的控制算法，而不必对硬件电路加以很大的改动。数字 控制系统的控制方案体现在控制程序上，一旦相关硬件资源得到合理性配置，只需通过 修改控制软件或指令，就可以提高原有系统的控制性能；控制系统可靠性提高，易于标 准化。 国内的感应加热电源还没实现全数字化控制，电源的核心控制部分( 功率控制、频 率跟踪) 仍然采用模拟电路来实现。因此加强本课题的研究，解决基于d s p 的软件锁 相环及装置的微机化具有重要实用价值。 6 第一章概述 此外，目前大功率高频( 1 0 0 一- - 2 0 0 k h z ) 感应加热电源多采用m o s f e t 开关器件， 而m o s f e t 一般单管功率比较小，并且价格比较贵，相同功率和频率下，相比采用 m o s f e t ，采用i g b t 可使开关管的成本降为原来的1 2 1 3 。本文对基于i g b t 的 1 5 0 k h z 大功率感应加热电源进行了研究，提出了切实可行的方案，对于降低感应加热 电源的成本具有显著的经济效益和现实意义。 1 4 本章小结 本章首先讲述了感应加热电源的原理及其特点，然后介绍了感应加热电源国内外的 发展现状及其发展趋势，最后提出了一种基于i g b t 的1 5 0 k h z 大功率倍频式串联谐振 感应加热电源，并确定了以后的主要研究内容。 江南大学硕士学位论文 第二章感应加热电源主电路方案分析与确定 本章首先介绍了感应加热电源逆变器的拓扑结构，详细剖析了串联谐振和并联谐振 逆变器的特点。并根据大功率高频场合的特殊需求，确定了在本设计中采用的串联谐振 电路形式，最后，对常见的串联逆变器的功率调节方法的优缺点进行了比较，最终选择 了软斩波调功的方式。 2 1 感应加热电源拓扑结构的分析与选择 根据负载谐振形式的不同，可以将感应加热电源逆变器分为串联谐振式逆变器和并 联谐振式逆变器两种逆变结构【5 1 。图2 1 和图2 2 分别给出了两种逆变器的拓扑结构【6 】， 下面对串联谐振电路和并联谐振电路进行简要分析。 图2 - 1 串联谐振逆变器结构 f i g 2 1s e ri e sr e s o n a n ti n v e r t e rs t r u c t u r e 2 1 1 串联谐振逆变器 图2 - 2 并联谐振逆变器结构 f i g 2 - 2p a r a l l e lr e s o n a n ti n v e r t e rs t r u c t u r e 采用电容与负载串联的逆变电路称为串联谐振逆变器，也称电压谐振型逆变器，其 结构如图2 1 所示。此电路具有以下特剧7 】： ( 1 ) 串联谐振逆变器的开关器件承受的反压比较小。串联谐振逆变器中电流为正弦 波，换流时反并联二极管续流，所以开关器件承受的反压仅为反并联二极管的正向导通 压降，是非常低的。这一特点正是i g b t 、m o s f e t 等器件要求的。一般这些器件内部 都集成有反并联二极管，非常适合于串联谐振逆变器。可以直接使用这些反并联二极管， 而无须外加反并联二极管。 ( 2 ) 串联谐振逆变器起动比较简单。串联谐振逆变器可以自激工作，也可以他激工作。 但是，他激工作时如果他激频率和负载谐振频率相差比较大时，就会使无功电流增大， 效率变低，输出有功功率减少，功率器件发热就比较严重。 ( 3 ) 串联谐振逆变器对负载槽路布线工艺要求比较低。在高频线路中，线路对各种分 布参数较为敏感，其中比较重要的分布参数之一是引线电感。在工业实际应用中，一般 负载总是离电源有一定的距离，即逆变侧负载的两根引出线一般较长。在串联谐振逆变 器中，分布电感只会改变串联回路中电感量的大小，而不会影响负载电路的结构。可以 采用集中参数的做法，将这一引出线的分布电感归总为负载感应器的一部分。因此串联 谐振逆变器对负载槽路布线工艺的要求较低，调试比较简单。 第二二帝感j 啦力热l 乜源主l 也路方案分析。j 确定 ( 4 ) 串联谐振逆变器采用大电容滤波，当发生上、下桥臂短路故障时，由于电容电压 不会突变，因此瞬时放电电流将会很大，远远超出了功率器件的额定电流，如果不能在 器件的允许短路时间内将器件关断，就会造成器件的永久损坏。但是，这一缺点可以通 过设计性能优良的短路保护电路，在器件的允许短路时间内将器件关断，从而避免损坏 开关器件。 ( 5 ) 串联谐振逆变器的补偿电容要求耐压高，必须采取措施来降低补偿电容上的电 压。 2 1 2 并联谐振逆变器 采用电容与负载并联的逆变电路称为并联谐振逆变器，也称电流谐振型逆变器，其 结构如图2 2 所示。此电路具有以下特点【8 】： ( 1 ) 并联谐振逆变器由于其负载电路的电感、电容本身构成振荡回路，因此它对负载 的适应能力强，运行可靠。 ( 2 ) 并联谐振逆变器换流期间，逆变开关器件有可能承受反压，而用于高频感应加热 电源的自关断器件m o s f e t 承受反压的能力低【9 】。如果用反并联二极管予以保护，则会 出现环流，损坏器件。因此，每一桥臂必须串入与开关器件相同等级的快速恢复整流二 极管，以承受反向电压。但是，这会增大各臂的通念损耗。目前国内高压大容量的快速 恢复整流二极管难以买到，而且价格十分昂贵。 ( 3 ) 并联谐振逆变器起动比较困难，起动时间较长。并联谐振逆变器一般只能工作在 他激状态，当工作频率不等于负载固有谐振频率时，就动不起来，所以并联谐振逆变器 起动前必须预先测定负载固有频率，然后将触发脉冲频率调整到与其近似相等，才能起 动。起动后，随着工件温度的升高，负载参数发生变化，负载谐振频率也发生变化，这 时如果触发频率不能迅速跟踪谐振频率，将有可能使逆变器停止振荡甚至造成逆变颠 覆，这就要求控制电路必须能够快速而稳定的工作，从而增加了控制系统的难度。 ( 4 ) 在并联谐振逆变器中，逆变侧负载的两根引出线的分布电感将改变负载电路的结 构，从而影响逆变器工作。因此，并联谐振逆变器对负载槽路布线工艺的要求较高。 ( 5 ) 并联谐振逆变器采用大电感进行滤波，在负载发生短路时，由于电感电流不能突 变，所以电流上升率得到抑制，保护起来就比较容易，不易损坏功率器件。但在大功率 的感应加热电源中，此电感的体积会非常庞大，从而使整个装置的体积增大。 ( 6 ) 并联谐振逆变器对补偿电容的耐压要求不高，只要达到负载两端正弦电压的峰值 即可，市场上也比较容易买到。 2 1 3 感应加热逆变器拓扑结构的选择 串联谐振式逆变器的输入端并接有大电容，逆变器将直流电压变换为交流电压，因 此也称为电压源型逆变器v s i ( v o l t a g es o u r c ei n v e r t e r ) ；电流型逆变器的输入端串接有 大电感，形成平稳的直流电流，逆变器将输入的直流电流变换为交流电流输出，因此也 称为电流型逆变器c s i ( c u r r e n ts o u r c ei n v e r t e r ) 。电压型逆变器的直流输入电压可以来 自整流器，通常为二极管不控整流，亦可来自其他直流电压，如电池。直流电源若为整 流器，通常需要电容c 滤波或l 、c 滤波环节向逆变器供电，逆变器的输出再通过一个 9 江南大学硕士学位论文 交流滤波器对交流负载供电。其中直流电容器电容量较大，电压稳定，因而构成一个电 压源：而电感的主要作用是限制逆变器直流电源中的高频电流。设置电容器c 是必要的， 电感l 则不一定，可以取消电感l 来减小逆变器重量体积，降低成本，但交流电源的电 流波形中则含有大量谐波电流。 ( 1 ) 从电路原理的角度来看，两种电路是完全对偶的。这种对偶性主要表现在以 下几个方面，如表2 1 所示。 表2 - 1 两种逆变器的比较 t a b 2 1c o m p a r is o i lo f t h et w oi r i v e r t e r s 串联谐振逆变器并联谐振逆变器 切换开关的电流流向双向性单向性 电压阻隔能力单向性双向性 输出电压 方波 正弦波 输出电流正弦波方波 反并联二极管需要不需 串联快恢复二极管不需需要 线圈基频电压 逆变器产生的电压乘以品质因数q逆变器产生的电压 流过线圈上的基频电流逆变器产生的电流逆变器产生的电流 乘以品质因数q 构造简单较复杂 短路承受能力差佳 关断时问容忍度较差较佳 ( 2 ) 从设计的角度两种逆变器的比较： 高频感应加热的设计有三个要点：器件、工艺的可实现性和满足工件的加热要求。 高频化的首要前提是器件( 其中包括快速二极管) 具有高速的开关特性。大容量的快速 二极管的反向恢复特性较差、恢复时间较长。在高频感应加热电源中，通常是逆变器工 作于弱感性状态以避免二极管的反向恢复问题。但是二极管的开通也有延时，这是因为 载流子的注入需要一定的时间。因此感性工作状态避免了二极管的反向恢复短路电流， 但开通延时却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，因此在任何状态下，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。从理论上讲，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。 ( 3 ) 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 1 0 第二章感心加热l 乜源主l u 路方案分析j 确定 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，例如工件的表面淬火。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，相应的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。 高频化相应的带来一些问题，主要有两点：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，d i d t 和d v d t 高，对器件不利，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。 综合比较串联谐振逆变器和并联谐振逆变器的优缺点，从适合高频大功率应用的角 度，本课题选用串联谐振逆变器电路拓扑。 2 1 4 串联谐振逆变器的工作原理 图2 1 为串联谐振逆变器的结构图。串联谐振逆变器的输出电压为近似方波。由于 电路工作于谐振频率附近，此时振荡电路对于基波具有最小阻抗，所以负载电流i o 接近 于正弦波，同时为避免逆变器上、下桥臂间的直通，换流必须遵循先关断后开通的原则， 在关断与开通问留有足够的死区时间。图2 3 分别示出容性负载和感性负载的输出波形。 当串联谐振逆变器在低端失谐状态时( 容性负载) ，它的工作波形见图2 3 ( a ) 。由 图可见，工作于容性负载状态时，输出电流的相位超前于电压相位，因此在负载电压仍 为正电压时，电流先过零，上、下桥臂间的换流则从上( 下) 桥臂的二极管换至下( 上) 桥臂的开关管。由于开关管寄生的反并联二极管具有较慢的反向恢复特性，使得在换流 时会产生较大的反向恢复电流，而使器件产生较大的开关损耗，而且在二极管反向恢复 电流迅速下降至零时，会在与开关管串联的寄生电感中产生很大的感应电势，而使开关 管受到很高电压尖峰的冲击。 当串联谐振逆变器在高端失谐时( 感性负载) ，它的工作波形见图2 3 ( b ) 。由图可 见，工作于感性负载状态时，输出电流的相位滞后于电压相位，其换流过程是这样进行 的，当上( 下) 桥臂的开关管管关断后，负载电流换至下( 上) 桥臂的反并联二极管中， 在滞后一个死区时间后，下( 上) 桥臂的开关管再在电流自然过零后加上开通脉冲，负 载电流就从二极管换至与之并联的同桥臂的开关管。由于开关管中的电流是从零开始上 升的，因而基本实现了零电流开通，其开通损耗很小。另一方面开关管关断时电流尚未 过零，此时仍存在一定的关断损耗，但是由于开关管的关断时间很短，预留的死区时间 不长，并且因死区而必需的功率因数角并不大，所以适当地控制逆变器的工作频率，使 之略高于负载电路的谐振频率，就可使上( 下) 桥臂的开关管向下( 上) 桥臂的反并联 二极管换流，其瞬间电流也是很小的，即开关管关断和反并联二极管开通是在小电流下 发生的，这样也限制了器件的关断损耗。 江南大学硕士学位论文 从上述分析可知，串联谐振逆变器在适当的工作方式下，开关损耗很小，因而可以 工作在较高的工作频率下。这也是目前串联谐振逆变器在半导体高频感应加热电源中受 到更多重视的主要原因之一。 厂 ，、 ， ，、厂_ i 、 ， ! = ( a ) 容性负载( b ) 感性负载 图2 - 3 串联谐振逆变器负载输出波形 f i g 2 - 3l o a ds e t i e sr e s o n a n ti n v e r t e ro u t p u tw a v e f o r m s 2 2 串联谐振式感应加热电源常用功率调节方式 串联谐振式感应加热电源的调功方法可分为两类：逆变调功和直流侧功率调节。 2 2 1 逆变调功 逆变调功的方法目前主要有：脉冲频率调制法( p f m ) 、脉冲密度调制法( p d m ) 、 脉冲宽度调制法( p w m ) 、脉冲均匀调制( p s m ) 四种。 ( 1 ) 脉冲频率调制法( p f