（电路与系统专业论文）串联谐振感应加热电源研究.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者：t 厶法磊 日期：侈局年岁月落日 学位论文使用授权声明 本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。 根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部 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；本人授权郑州 大学可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学 位论文或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑 州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。 学位论文作者：形厶迄锄日期：侈卢年，月邙日 摘要 摘要 感应加热电源是一种开关型电源设备，它利用电磁感应将电能转化为热能。 由于其具有节能、环保、加热速度快及易实现自动控制等优点，已广泛应用于 金属熔炼、焊接、淬火等热加工和热处理行业。 本文以串联谐振感应加热电源为主要研究对象，介绍了感应加热的基本原 理及其研究现状。分析了应用于感应加热的两种基本电路拓扑的电气特性，得 出串联型的拓扑更适合小功率感应加热电源。分析了调功方式，选择了直流斩 波调功方式。由于传统模拟控制电路存在温漂，系统可靠性差，升级困难等缺 点，本文采用f p g a 来设计控制电路，并对其各个模块进行了详细的阐述。 设计了一台l k w 的小功率感应加热电源，开关频率在6 0 k h z 左右，采用 m o s f e t 作为开关管。控制核心采用a l t e r a 公司的e p 2 c 8 的芯片，对控制电 路进行数字化设计，提高了电源的性能。分析了逆变器的工作状态，描述了其 工作过程，在s a b e r 中对逆变器进行仿真验证。制作了一台样机，并给出了实 验波形，实验结果验证了本文理论研究与设计方案的可行性和正确性。 关键词：感应加热串联谐振b u c k 斩波器全数字锁相环m o s f e t a b s t r a c t 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 sak i i l do fs w i t c ht y p ep o w e rs u p p l yw h i c h m a k e su s eo ft h ee l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i o np r i n c i p l et oc o n v e r tt h ee l e c t r i c a lp o w e r t oh e a te n e r g y i th a st r e m e n d o u sa d v a n t a g e s ，s u c ha se n e r g y - s a v i n ge n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n , h i g hh e a t i n gs p e e da n di ti sa l s oe a s yt or e a l i z ea u t o m a t i o n i th a sw i d e l y b eu s e di nh e a tp r o c e s s i n ga n dh e a tt r e a t m e n ti n d u s t r y , s u c ha sm e t a ls m e l t i n g ， w e l d i n g , h a r d e n i n ga n ds oo n t h ea r t i c l eh a s m a i n l ys t u d yo ns 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 gp o w e r s u p p l y ，d e s c r i b e dt h eb a s i cp r i n c i p l e so fi n d u c t i o nh e a t i n ga n dd e v e l o p m e n t i th a s a n a l y z e dt h ee l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c so f t w ob a s i cc i r c u i tt o p o l o g y ，a n do b t a i n st h e s e r i e st y p et o p o l o g yi sm o r es u i t a b l ef o rl o w - p o w e ri n d u c t i o nh e a t i n gp o w e rs u p p l y i th a sa n a l y z e dt h em e t h o d sf o rp o w e rr e g u l a t i o n ，a d o p t e db u c k c h o p p e rs c h e m e t h et r a d i t i o n a la n a l o gc o n t r o lm o d eh a ss o m ed i s a d v a n t a g e ss u c ha sd r i f ta n dp o o r r e l i a b i l i t ya n du p g r a d ed i f f i c u l t i e s a sar e s u l to ft h e s es h o r t c o m i n g s ，t h ep a p e rm a d e u s eo ff p g at od e s i g nt h ec o n t r o lc i r c u i t s ，a n da n a l y z e dt h es u b m o d u l ei nd e t a i l s t h ep a p e rd e s i g n e dal k wl o w - p o w e ri n d u c t i o nh e a t i n gp o w e rs u p p l y , i t s s w i t c h i n gf r e q u e n c yi sa b o u t6 0 k h z ，a n du s e sm o s f e ta st h es w i t c hc o m p o n e n t t h ec e n t e rp a r t so fc o n t r o lc i r c u i t sw a si m p l e m e n t e do n ae p 2 c 8c h i p ，i m p r o v e dt h e p e r f o r m a n c eo ft h ep o w e rs u p p l y i th a sa n a l y z e dt h ew o r k i n gs t a t eo ft h ei n v e r t e r , a n ds i m u l a t e di nt h es a b e r , m a n u f a c t u r e dap r o t o t y p i c a l ，a n dg i v e st h ew o r k w a v e f o r m s ，e x p e r i m e n t sh a v ep r o v e dt h a tt h ed e s i g ni nt h i sp a p e ri sr e a s o n a b l e ，a n d t h ea n a l y s i so ft h ec i r c u i t sa r ec o r r e c t k e yw o r d ：i n d u c t i o nh e a t i n g ，s e r i e sr e s o n a n c e ，b u c kc h o p p e r , a d p l l ， m o s f e t i i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 1 绪论l 1 1 感应加热的基本原理及应用1 1 1 1 感应加热的基本原理。l 1 1 2 感应加热的优点和应用2 1 2 感应加热技术的发展现状及发展趋势3 1 2 1 国内外感应技术的发展现状。3 1 2 2 感应加热的发展趋势。4 1 3 论文的选题意义及主要工作5 1 3 1 选题的意义。5 1 3 2 本文主要工作。5 2 感应加热电源拓扑及调功分析7 2 1 逆变器拓扑7 2 1 1 负载谐振电路分析。7 2 1 2 逆变器工作状态分析1 0 2 1 3 电路拓扑的选择1 4 2 2 软开关技术1 5 2 3 串联感应加热电源的调功分析1 6 2 3 1 逆变调功1 6 2 3 2 直流调功2 3 2 3 3 调功方式选择2 3 i i i 目录 3 感应加热电源主电路设计2 4 3 1 感应加热电源的组成2 4 3 2 逆变器工作原理2 5 3 3 整流桥选取2 7 3 4 滤波电容选取2 7 3 5b u c k 斩波器参数的计算2 8 3 6 逆变器开关元件的选取2 8 3 7 负载电路参数的计算3 0 3 7 1 补偿电容3 0 3 7 2 加热线圈3 0 3 8 变压器设计3 1 4 控制电路设计3 4 4 1 功率控制电路设计3 4 4 1 1e p 2 c 8 外围辅助电路设计3 4 4 1 2a d 电路设计3 5 4 1 3p i 算法模块设计3 5 4 1 4p w m 模块设计3 6 4 2 频率跟踪电路设计3 6 4 2 1 锁相环工作原理3 7 4 2 2 过零检测电路设计3 8 4 2 3 阈值电路设计3 8 4 2 4f p g a 内部模块设计3 9 4 2 5 驱动电路设计：41 4 3 过流保护电路设计4 3 5 仿真和实验结果分析4 4 5 1 调功模块仿真j 4 4 5 2 逆变器主电路仿真4 6 目录 5 3 锁相环仿真4 8 5 4 电源工作波形4 9 6 总结5 2 参考文献5 3 附录分频系数计算模块v e r i l o g 代码5 6 致谢6 0 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果6 1 v l 绪论 1 绪论 1 1 感应加热的基本原理及应用 1 1 1 感应加热的基本原理 感应加热是一种采用电能来进行加热的方式，与电阻式加热不同，在感应 加热电源工作时，电源的加热线圈并不发热，它依靠电磁感应完成电能与磁能 的相互转换和传递。如图1 1 所示，图中电源即为感应加热电源，将加热负载 放在加热线圈中，在驱动信号的作用下，电源的输出电流为按某一频率交变的 方波或者正弦波。电流从螺旋型导线中通过，生成不断变化的磁场，不断变化 的磁场又会在加热负载上产生感应电压，这样负载上就会有电流流动，从而引 起负载发热，这就是感应加热的基本工作原理【。 图1 1 感应加热原理 涡流 在利用感应加热对负载进行加热时，能量需要进行三次转换，第一次转换 是将加热线圈中的电能转换为了磁能，第二次转换是将磁能转化为了负载中的 电能，第三次转换是将负载中的电能转化为了热能，从而实现了非接触式加热 的功能。 1 绪论 1 1 2 感应加热的优点和应用 感应加热与传统的通过燃烧进行加热的方式相比，具有以下优点： ( 1 ) 采用电能加热时，设备的功率是可控的，可以采集感应加热电源输出 的电流和电压，然后进行反馈控制，从而完成对功率的闭环控制，因此其自动 化程度高。 ( 2 ) 采用电能对负载进行加热时，由于没有燃烧燃料，因而不会污染人类 赖以生存的空气，对环境的危害很小，符合我国的基本国策。 ( 3 ) 该方式能够加快加热的速度，对于利用此方式来进行产品加工的单位 或者企业来说，在相同的时间内可以加工更多的产品，这样就可以明显地提高 单位和企业的经济效益。 ( 4 ) 该方式能够对结构比较复杂的加热负载进行小范围的加热，只是需要 根据负载的具体结构以及所采取的加热工艺来绕制不同型式的加热线圈，通常 情况下线圈需要定做。 ( 5 ) 该方式在加热时能量损耗较小，当电源前端有电能输入时，通过电能 和磁能之间的相互转换与传递，可以让加热负载的内部产生电流，该电流使得 负载自己发热，而使用燃料加热的时候，燃料燃烧直接生成热能，然后再通过 热传导将能量传递给要加热的物体或者工件，在传导过程中存在着较大的能量 的损耗，因而采用该方式能够减少对能源的浪费，可以减少生产成本，同时也 符合我国的基本国策。 ( 6 ) 该方式能够缩短加热时间，因此负载在高温下的时间较短，与燃烧方 式相比可以减少表面在空气的氧化。 目前，感应加热在汽车工业、塑料加工、电子工业等工业生产中有着广泛 的应用，在日常生活中，人们经常使用的电磁式即热热水器也属于这种加热方 式的范畴。 ( 1 ) 感应加热在汽车工业中的应用 为了发展我国的工业，新中国成立后我国从国外引进了一批感应加热装备 对汽车的零部件进行加工处型2 训，感应加热技术就是在这时候开始从我国起步 的，根据权威部门的统计数据，在2 0 0 9 年我国汽车销量超过了1 3 0 0 万辆，产 量突破了1 0 0 0 万辆。我国汽车行业的良好的发展，对汽车零部件生产部门有 着比较积极的意义，但是这也对这些部门的生产设备提出来更高的要求，比如 要求生产的零部件的质量性能要好、生产速度要快、能耗要小、设备对电网的 2 l 绪论 干扰要小，设备的工作要更加稳定，除此之外还有更高的环保要求。这样就对 感应加热装备提出了更高的要求。目前，利用感应加热来加工的零部件主要包 括齿轮、连杆和半轴等零部件，另外感应加热装备也可应用于加热固定汽车车 灯灯罩用的螺钉。 ( 2 ) 感应加热用于塑料加工 塑料拉丝、塑料造粒等塑料加工环节都需要加热工艺。传统的塑料加工设 备是采用电阻式的加热装置来实现加热的，电能浪费情况比较严重，如果改用 感应加热，就可以使原来的被加热物体变成本身发热的物体，也就是说可以使 料筒成为自发热体，这样就不需要进行外部的热传递，从而提高了热能的利用 率，节省了企业的电费支出。感应加热方式用于塑料生产时，有以下优点：l 、 与传统的方式相比，能够有效地缩短塑料加工设备的预热时间，这样就可以提 高设备的产能；2 、采用该方式要比传统的方式省电，能够减小塑料生产企业的 生产成本；3 、能够降低设备表面的温度，能够改善车间的生产环境。 ( 3 ) 感应加热用于电子工业【5 】 感应加热在电子工业中可用于晶体的生长、半导体器件的掺杂、元器件回 收等场合。 ( 4 ) 感应加热在其他领域的应用 感应加热可以应用的场合有很多，例如可以对建筑用的钢筋进行热处理， 可以用于钢管的涂塑，人造宝石的熔炼等场合，人们日常生活中经常使用的电 磁式热水器、电磁炉也采用感应加热方法。 1 2 感应加热技术的发展现状及发展趋势 1 2 1 国内外感应技术的发展现状 二十世纪五十年代晶闸管的出现，引起了感应加热技术的一场革命。从此 以后，感应加热的应用范围越来越广，世界各国都十分关注感应加热技术的发 展，投入了很大精力进行研究，使感应加热装置得到了稳步的发展。 在中频范围，主要采用晶闸管作为开关管。国外的装置容量可达数十兆瓦， 2 0 世纪6 0 年代末国内开始研制晶闸管电源，目前国内的装机容量可达3 0 0 0 w 。 在超音频范围，主要采用i g b t 和m o s f e t 作为开关管。英国、法国、瑞 士等国的超音频感应加热电源可达数百千瓦。国内清华大学电力电子厂在9 0 年 3 1 绪论 代研制成2 5 0 k w 3 0 k h z 5 0 k h z 的i g b t 并联型感应加热电源【6 1 ，目前，国内超 音频电源的研制水平大致在5 0 0 k w 5 0 k h z t 7 1 ，由于国内起步较晚，与国外的水 平仍有较大的差距。 1 2 2 感应加热的发展趋势 感应加热技术的发展趋势主要为以下几个方向： ( 1 ) 大容量化 为了使感应加热电源能够输出更高的功率，通常有两种方法可以实现：第 一种方法是通过将电路中的半导体开关管并联或者串联起来，在不改变开关器 件的情况下使得电源能够输出更大的电流或者电压，从而提高单台电源的功率。 第二种方法是将多台感应加热电源串接或者并接起来工作，从而提高整个功率 装置能够输出的功率【8 】。在采用第一种方法时，应当考虑半导体开关管的并联 均流或者串联均压问题，这是因为当并联和串联的半导体开关管较多时，由于 主电路所采用的开关器件的电气特性并不是完全一致的，电路中的某些开光管 上可能会流过超过限制的电流或者承受超过限制的电压，这样电源就很容易发 生故障。 ( 2 ) 高频化 为了能使感应加热电源能够在提供功率不变的情况下减小电源的体积，提 高电源工作频率是一种可行的方案。但是半导体开关管的开通和关断是非理想 的，在开关时会有开通功率损耗和关断功率损耗，如果提高电源的工作频率， 在相同时间段内，开光管的开关次数会增加，相应的，在这段时间内开关管功 率损耗也会增加，这样的话电源效率就会下降，在散热不好的情况下，半导体 开关管可能会严重发热，从而引起炸管现象，造成电路故障。虽然半导体感应 加热电源可以利用控制电路调整电源的工作频率使负载工作在准谐振状态来减 小半导体开关管的功率损耗，但是，在感应加热电源在功率比较大的情况下， 工作频率的提高对电路拓扑，开关管，驱动电路，散热，控制方式，电磁兼容 等方面的要求将更加的严格，因此，为提高电源工作频率，人们需要更多的实 践经验的积累。 ( 3 ) 负载匹配 由于功率开关管的电流限制，感应加热电源通常需要利用匹配变压器对负 载进行阻抗匹配，但在大功率和高频的情况下，匹配变压器上的功率损耗也是 4 l 绪论 很大的，如何通过减小变压器的损耗来提高电源的传输效率仍需要进一步的研 究和实践。此外，还可以改变电路的拓扑，通过取消匹配变压器而利用静电耦 合匹配电路来实现阻抗的匹配 9 1 ，从而实现功率的高效传输。 ( 4 ) 控制的智能化 计算机和通信的技术的应用和发展，给感应加热电源的智能化控制【1 0 】提供 了良好的机遇，目前人们研究的主要热点包括模糊控制，远程控制等。 1 3 论文的选题意义及主要工作 1 3 1 选题的意义 传统的感应加热电源控制系统采用模拟器件搭建而成，存在以下一些缺点： ( 1 ) 用分立的元器件搭建，由于数目较多，可靠性较低； ( 2 ) 电路的一致性较低，需要较多的人工调试； ( 3 ) 在产品升级换代时，需要对控制电路的硬件做改动。 而数字化控制可以克服这些缺点，随着单片机、d s p 、f p g a 的出现，感 应加热电源的数字化控制已成为一种趋势，它在克服上述缺点的同时，还能存 储大量的相关信息，并与上位机进行通信，从而实现整个加热过程的控制、监 控和诊断。 本文采用以f p g a 为核心的数字化控制方法，存在诸多优点，是感应加热 电源发展的一个主要方向。 1 3 2 本文主要工作 本文提出一种基于f p g a 的串联谐振式感应加热电源，给出了系统主电路 的设计方案，利用e p 2 c 8 芯片设计了系统控制电路，在此基础上进行了实验， 得出了实验结果，论文主要工作如下： 1 、研究现有的感应加热电源，分析了两种基本拓扑的电气特性，并根据电 源的设计要求选择了串联谐振式的拓扑结构，分析了电源的调功方式，选择了 直流斩波调功； 2 、分析了逆变器的工作状态，描述了其工作过程，在s a b e r 中对逆变器进 行了仿真验证； 3 、采用f p g a 来设计控制电路，将功率调节电路和频率跟踪电路集成在一 5 1 绪论 块f p g a ，并进行了仿真，在设计时采用状态机方案，与v e r i l o g 的其他设计方案 相比，状态机的设计程序层次分明，结构清晰，便于修改； 4 、根据设计参数搭建了实验电路，并对实验波形进行了分析。 6 2 感应加热电源拓扑及调功分析 2 感应加热电源拓扑及调功分析 2 1 逆变器拓扑 感应加热电源中逆变器的负载为感应线圈和加热负载，负载电路可以认为 是电阻和电感的串联，如果不采取措施改变负载的电抗，电源的功率因数是很 低的，因此，可以按照所需工作频率的要求选择合适的电容连在逆变器的输出 端，使电路的电抗接近于零，从而增加电源的功率因数，根据所选择的电容连 接方式的不同( 与感应线圈串联或者并联) ，可分为串联谐振型逆变器和并联谐 振型逆变剁1 1 。除了这两种基本的电路拓扑外，还有几种电路拓扑【1 1 之2 1 可供选 用，这里不做分析。 d 2 d 4 图2 1 逆变器拓扑 2 1 1 负载谐振电路分析 ( 1 ) 串联谐振 如图2 2 所示，三个元件和电压源是串联在一起的。 图2 2 串联电路 d 2 d 4 2 感应加热电源拓扑及调功分析 假设图2 2 中电压源的输出电压为 e = e m s i n c o t 则电路中流过的电流为 j ：量：l z r j x ( 2 1 ) ( 2 2 ) 式中，x 的值为 x 母墨喇一去= 后c 嚣c o o ) 亿3 ) 其中： 1 2 面 、，厶l 此时，电感、电阻、电容上的电压分别为 或= j o ) l i = j 投) l e 么 岛= 面= 岛= 去j = 去耋 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 由式( 2 2 ) 可知，当电压源的负载相当于电阻时，电路中流过的电流最大， 电阻的功率达到最大值，这时x = 0 ，国= c o o ，电路处于谐振点，其频率为 厂：i 丢 ( 2 8 ) 2 三刁厉 ( 2 8 ) 这时，三个元件上的电压分别为 壹一占= j 啦 e r = e 8 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 2 感应加热电源拓扑及调功分析 丘= 壶争j q f , 其中q 二警= 瓦彖。由式( 2 l 。) 可以看出，当电源频率等于谐振频率时， 负载电阻上的压降等于色。此时电路的功率因数为 c o s ( o - 兰= l ( 2 1 2 ) 如果电压源的输出频率是可以改变的，那么电路中电抗跟随频率变化的曲 姥由兀因气昕呆 图2 3 串联电路电抗变化曲线 根据上述分析，可以得到串联谐振电路的基本特性： l 、当电压源的频率等于谐振频率时，负载相当于一个电阻，输出最大电流， 相应的，在实际应用中，如果开关管的开关频率等于负载谐振电路的谐振频率， 即满足式( 2 8 ) ，输出的电流最大，如果开关频率不等于谐振频率，电路中的电 流会减小，加热负载的功率会随之变小。 2 、该电路的谐振频率跟电容与电感的值有关，对于感应加热电源来说，加 热线圈的电感与负载的大小和体积相关，当缠好加热线圈后，应当根据工作频 率选取合适的c 值，使得加热负载在最佳加热频率时能够得到更大的功率。 ( 2 ) 并联谐振 改变图2 2 中电路的连接方式，可以得到并联谐振电路。 2 感应加热电源拓扑及调功分析 图2 4 串联谐振电路 计算电路的总阻抗： 2 = 雨面虿r 2 瓦+ 0 7 萌2 l 2 蕊； r + ，缈( 国2 c + r 2 c - 三) 当虚数项为零时， = 1 r 2 压 当电源的角频率满足式( 2 1 4 ) 时，电路谐振。 当负载电阻很小时，电路的电抗为 x 互圣 x l + x c 匠 型堡 ( 旦一堕) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 2 1 2 逆变器工作状态分析 ( 1 ) 串联逆变器工作状态分析 由于输入端为稳压电容，可以认为它的电压输入没有波动，而四路驱动信 号使开关管按照某一频率进行开关操作，这样在负载电路两端将会承受交变的 矩形波电压，并且其频率等于驱动信号的频率，由于负载电路中三和c 的存在， 使得电路针对谐波的电抗很大，因此负载电路中的电流近似为正弦波，在电路 工作时，为了避免上下桥臂的直通短路，在上( 下) 桥臂驱动信号变为低电平 1 0 2 感应加热电源拓扑及调功分析 之后需要经过段时间下( 上) 桥臂的驱动信号才变为高电平，这段时间就是 我们常说的死区时间。 改变开关管的开关的频率，则逆变器输出电压和电流的频率也会跟着改变， 根据式( 2 3 ) ，负载电路的阻抗特性也会发生变化，有三种状态： 如果今；，负载电路呈感性； 2 x x t l c 如果序；，负载电路呈容性；。 2 x 4 l c 如果户；，负载电路呈纯阻性； 2 x 4 l c 首先分析感性状态，其输出的电压和电流波形如图2 5 ，假设半导体开关管 k l 和半导体开关管的驱动信号先前为高电平，即这两个管子是导通的，由 图2 5 中电压和电流的波形可以看出，半导体开光管k l 和半导体开光管的 驱动信号应当在电流的方向改变之前就已变为低电平，为了防止电路中出现短 路故障，在半导体开光管k l 和半导体开光管瞄的驱动信号变为低电平时，半 导体开关管k 2 和半导体开光管k 3 的驱动信号需要过一段时间才能变为高电平， 这时负载谐振电路上的电流仍从负载左侧向右侧流动，电流从反并联二极管d 2 和反并联二极管d 3 中流过，形成电流通路。经过一段时间后半导体开光管k 2 和k 3 的驱动信号变为高电平，此时电流还从d 2 和d 3 中流过，当d 2 和d 3 的流 过的电流变为零之后，负载谐振电路上的电流才从负载右侧向负载左侧流动， 由正极、半导体开关管k 2 、负载谐振电路和半导体开关管k 3 回到负极，k 2 ，k 3 的驱动信号变为高电平后逆变器电路中的电流是从半导体开光管所并联的反向 二极管d 2 ，d 3 自然转移到半导体开光管k 2 ，k 3 的，k 2 和k 3 上的电流不会突变， 并且由零值开始变大，功率管上的损耗很小，因此在感性状态时，开关管在驱 动信号由低电平变为高电平时的功率损耗很少，可是开关管k l 和开关管瞄的 驱动信号由高电平变为低电平时，开关管上的电流由非零值被强制变为零，这 时的功率损耗比较大。 2 感应加热电源拓扑及调功分析 图2 5 负载感性电压电流波形 图2 6 负载容性电压电流波形 图2 7 负载纯阻性电压电流波形 当逆变器工作在容性状态时，负载电路上的电压和电流波形如图2 6 所示， 假设开关管k l ，瞄的驱动信号先为高电平。负载上的电流在半导体开关k i ， 的驱动信号还为高电平时就已改变方向，电流从负载右侧流向负载左侧，并且 流过分别与瞄和k l 并联的反并联二极管d 4 和d l 。这时令半导体开关管k i ，瞄 的驱动信号变为低电平，这两个开关管漏源两端的承受的电压就由零变为输入 端电压的1 2 ，于是反向二极管d l 、d 4 突然遭受反压，由于二级管的反向恢复 性质，功率管的驱动信号由高电平变为低电平时的功率损耗较大，二极管上的 电流迅速恢复到零，在电路中存在分布电感，使得开关管两端出现较大的电压 尖峰，影响开关管的寿命，并且会造成功率损耗。因此，串联谐振型逆变器一 般不工作在容性状态。 当逆变器工作在纯阻性状态的时候，负载上的电压电流波形如图2 7 ，由图 中可以看出，逆变器是在电流近似为零时完成开关管的导通关断操作的，因此 其半导体功率管上的损耗相比于其他两种工作状态要小。 从上面的分析可知，串联谐振型逆变器工作的理想状态是纯阻性状态，在 这个状态下，开关管的功率损耗为最小，但是由于在实际运行时负载谐振电路 的参数是不断变化的，如果负载参数的变化使得负载的谐振频率在工作时变大 1 2 性状态。 ( 2 ) 并联逆变器工作状态分析 根据该电路拓扑的电气特性，其输出电流和电压分别为矩形波和正弦波， 并联逆变器也有三个工作状态： 1 如果p ；，负载电路呈容性； 2 ，r 4 l c 1 如果序；，负载电路呈感性； 2 万d l c 1 如果产；，负载电路呈纯阻性； 2 x 4 l c 当逆变器工作在容性状态时，负载电路上的电流电压波形如图2 8 所示， 假定半导体开光管k l ，瞄的驱动信号为高电平，k 2 ，k 3 的驱动信号为低电平，并 且电流电压都已经换向结束。那么电路中电流从电源正极经过k l 和负载，k 3 回到负极，负载电路左侧的电位高于右侧的电位。经过一段时间后，将k 2 ，k 3 的驱动信号变成高电平，电路中的电流开始换流，之后再将k i ，磁的驱动信号 变为低电平，由于电流超前于电压，负载电路左侧的电位仍高于右侧的电位， 这时k l 和k 两端的漏源电压为负，再经过一段时间，电压改变方向。 当逆变器工作于感性状态时，负载电路中的电流电压波形如图所示2 9 ，在 开关管k l ，k 的驱动信号变为低电平时，负载电路右侧的电位已高于左侧的电 位，因而不存在开关管漏源两端为负向电压的情况，但是由于开关管在关断时 属于硬关断，电路中的功率损耗和e m i 都比较大。 阻性状态为理想状态，但跟串联型逆变器一样，为了保证逆变器的安全工 作，在实际应用中应当使逆变器的工作稍稍偏离最佳状态。 图2 8 负载容性电流电压波形 1 3 图2 1 0 负载纯阻性电流电压波形 2 1 3 电路拓扑的选择 由于负载连接方式以及前端所用器件的不同，两种结构的电路具有以下差 别： 1 由于串联谐振型逆变器在输入端并联了稳压电容，因此可以近似为电压 幅值不变的电源供电，它通过半导体开关管的开通和关断操作，使负载上承受 交变的矩形波电压，该电压的幅值等于稳压电容上的电压，频率为驱动信号的 频率，当半导体开关管的驱动信号频率跟串联负载电路谐振频率相差的不算太 大时，输出的电流可以近似为正弦波，并联谐振型逆变器的输入串联了稳流电 感，可以近似为电流幅值不变的电源供电，其输出电流为交变的矩形波，当半 导体开关管的驱动信号频率在并联负载电路谐振频率附近时，输出电压可以近 似为正弦波。 2 串联谐振型逆变器的负载连接方式为谐振补偿电容与加热线圈串联，当 空载时负载电阻相当于零，当驱动信号的频率等于谐振频率时，负载电抗也等 于零，这样就会在电路中生成很大的短路电流。并联谐振型逆变器的负载连接 方式为谐振补偿电容与加热线圈的并联，当驱动信号的频率等于谐振频率时， 电路中的等效电抗很大，不会生成较大的电流，因此可以空载工作。 3 由于在输入端没有串联大的电感器件，串联谐振型逆变器比较容易启动， 比较适合用于需要经常启动的工作场合；而并联谐逆变器启动时间较长，并且 常常在起动后发生故障，通常需要很复杂的启动电路。 4 串联谐振型逆变器在前端并联了大电容用于稳压，并联谐振型逆变器在 前端串联了大电感用于稳流，由于电容和电感的电气特性，导致前者的短路保 1 4 2 感应加热电源拓扑及调功分析 护和直通保护比较困难，而后者的开路保护比较困难。 如果采用并联拓扑，就需要考虑到它的启动问题，因此本文选择了串联谐 振型的拓扑结构。 2 2 软开关技术 理想状态下的开关元件，开通时间和关断时间都为零，假定图2 1 1 中的开 关元件为理想的。那么在进行开关操作时电路中电压和电流的波形如图2 1 2 所 示，可以看出它的功率损耗为零。但实际应用中的开关器件( 例如m o s f e t ) ， 它的开通和关断时间并不为零，m o s f e t 管在进行开关操作时电流和电压的波 形如图2 1 3 所示。 图2 1 l 理想开关 胁胁一 图2 1 3m o s f e t 管开关操作电流电压波形 1 5 2 感应加热电源拓扑及调功分析 由图2 1 3 中可以看出，它在开通和关断时都有功率损耗，并且伴随着电压 或电流尖峰。在对设备效率要求不高的情况下，这样的开关能够工作在低频场 合，但频率过高时，功率管上的热量来不及散出去的话会烧坏管子，为了解决 此问题，人们提出了软开关技术。软开关是指零电压开关( z v s ) 或零电流开 关( z c s ) ，可分为软开通和软关断，文献2 3 对软开关技术做了分类，并介绍了该 技术的发展，详见表2 1 。 表2 1 软开关发展 提出时闻 软开关技术开关电源应用 2 0 世纪7 0 年代串联或并联谐振半桥或全桥 2 0 世纪8 0 年代初有源箝位z v s主要是单端 2 0 世纪8 0 年代中准谐振或多谐振单端或桥式 2 0 世纪8 0 年代末秽相全桥z v s - p 州单端或桥式 2 0 世纪8 0 年代末z v s z c s - p 惭全桥 2 0 世纪9 0 年代初e v t z c t - p w m 移相全轿混合z v s z c s - i 硎全桥 2 3 串联感应加热电源的调功分析 根据功率控制部位的不同，可以将调功方法大体上分为两类【1 0 】： 1 、逆变调功：在逆变器环节进行调功，通过改变半导体开关管的开关状态 ( 例如开关频率) ，从而完成有效的调功。 2 、直流调功：通过调节逆变器的直流输入电压，来调节逆变器的输出功率。 2 3 1 逆变调功 在逆变环节进行调功，就是通过改变逆变器的驱动信号来调节电源的功率， 我们经常采用的方法有： 1 、脉冲频率调制法； 2 、脉冲密度调制法； 3 、移相调功； 下面对这三种调功方法进行分析，在分析时所用的电路拓扑为串联谐振型 逆变器。 脉冲频率调制法： 1 6 2 感应加热电源拓扑及调功分析 由于输入电压的脉动比较小，我们认为它的幅值是固定不变的，当改变驱 动信号的频率时，逆变环节的输出的电压的频率会跟着驱动信号的频率变化， 但是幅值保持不变，根据2 1 1 节的分析，负载电路中的电抗发生了改变，从而 改变了输出功率。图2 1 4 为采用此方法调功时的电压和电流的关系图。 j i - 。1 ，v l i v i 。l ，v i “ 4 v 。囊i o v o 图2 1 4 脉冲频率调制法调功 当驱动信号的角频率为c o 时，由于输出电压是跟随半导体开光管的开通和 关断而交变的，因此它的角频率也为国，可由式2 1 6 来表示该电压 圪= 车警s i n ( 删) ( 2 1 6 ) n = l ，3 ，5 基波电压为 矿：丝s i n c o t )( 2 1 7 ) 基波阻抗为 z = r + j c o n l - ，嘉 ( 2 朋 由于谐波的阻抗很大，因此可以认为感应加热线圈中只是流过角频率为c o 的正弦波电流。其表达式为 ，：竺o s i n ( 删) ( 2 1 9 ) 枷+ j c o l - _ ，亳 将c o = 2 7 r f 代入上式，能够得到该电流幅值与驱动信号频率的关系，其关系 如图2 1 5 所示 1 7 2 感虑加热电源拓扑及调功分析 图2 1 5 电流幅值与频率的关系 由图中可以看出，改变驱动信号的频率，就可以改变电路中电流的大小。 而感应加热电源输出的有效功率是输送给电阻负载的，当电流改变时，电阻负 载上得到的功率也跟着改变。因此，采用这种方式能够完成调节电源功率的功 能。 当驱动信号的频率等于谐振频率时，电流最大，如果驱动信号的频率不等 于谐振频率，电路中的电流会减小，输出的功率也会减小。功率具体变化情况 如下： 厂 云面1 时，如果厂增大，则功率减小。 采用这种方法调节功率的最大好处是设备简单、成本低、比较容易实现， 由于是采用改变驱动信号频率的方法来进行调功的，因此逆变器的工作频率并 不等于负载的谐振频率，因此，采用这种方法的缺点如下： 1 、在低功率输出时，负载功率因数较低； 2 、在进行加热时，为了稳定输出功率，驱动信号的频率是不断在改变的， 假定负载在加热时阻值变化较大，驱动信号的频率也会发生较大的变化，这样 透入深度可能就满足不了加热工艺的要求。 由于这种方式的弊端，限制了它在很多场合的应用。通常情况下，只有当 负载需满足一定的条件，使得驱动信号在频率改变不大的情况下能够完成改变 功率的功能，并且负载对加热工艺要求不高时才采取这种简单的调功方式。 脉冲密度调制法： 控制电路在感应加热电源工作时采取间断的方式输出驱动信号，即在一段 1 8 2 感应加热电源拓扑及调功分析 时间内输出驱动信号，在另外一段时问内停止输出驱动信号，之后再输出驱动 信号，电源在整个工作时间内都这样工作，这样负载只是在有驱动信号时才从 电源得到能量，如果驱动信号在整个控制时间内都输出，则输出最大功率。当 有间断时间时，随着间断时间的加大，输出的功率会相应的减小，该方法调功 的原理如图2 1 6 。 1 、在全部工作时间内输出驱动信号 i 八八r八八厂、八一 vv vv vv 厂 r r juuu 一 图2 1 6 脉冲密度调制法调功 由于电路中的电流不断的增大衰减，因而用它来实现功率闭环控制比较困 难，因而这种调功方法通常用于功率开环场合，由于在调功过程中驱动信号的 频率并不变化，功率开关管的损耗比采用脉冲频率调制法时要小。 移相调功： 通过改变四路驱动信号的相位来改变功率。在其他两种控制方法中，半导 体开关管k l 和驱动信号的相位相同，k 2 和k 3 驱动信号的相位相同，而采 用移相调功时，四个半导体开关管驱动信号的相位各不相同。通常使一个桥臂 的驱动信号与输出电流的相位保持不变，那么通过调节两个桥臂驱动信号的相 位差就能调节逆变器的功率。采用这种方法进行调功时，根据输出电压相位与 输出电流相位之间的不同关系，可以分为三种调功方式，这里对其一一做介绍。 感性移相调功方式【l o 】：负载电路上基波电压的相位超前正弦波电流的相位。 驱动信号，输出电压和电流的波形如图2 1 7 。 1 9 2 感应加热电源拓扑及调功分析 图2 1 7 电压相位超前电流相位 在图2 1 7 中，q d l ，q d 2 ，q d 3 ，q d 4 分别为四个开关管的驱动信号，假定驱 动信号的角频率为国，则输出电压可由下式来表示 圪2 喜鲁c o s 争c 亿2 。， n = 1 , 3 ，5 输出基波电压为 y ：警c 。s ( 刎) (221)2万 、- 7 其输出电流的值近似为 卜筠c o s 色2i n ( 讲丝2 ) ( 2 2 2 ) 万l z i r 7 因此，当变化时，负载上流过的电流的幅值也跟着变化，输出的功率就 会改变。 加热负载上得到的功率为 = 磐( c o s 争4 ( 2 2 3 ) 电压和电流的相位差满足下式 2 感应加热电源拓扑及调功分析 t a n 等= 筝 ( 2 2 4 ) 2尺 、7 对式( 2 2 4 ) 进行变换，就可以得到驱动信号与电流相位差和驱动信号频率的 关系 ：p 1 2 历r r c t a n f l - ( 2 2 5 ) 根据式( 2 2 3 ) 和式( 2 2 5 ) n - 知，输出功率跟相关，其关系曲线如图2 18 ， 驱动信号的频率也与相关。可见采取这种方式改变功率时，驱动信号的频率 也要发生变化。 、 j 髟 ， n ：! | ；i l 入| ；n 图2 1 8 功率随变化曲线 容性移相调功方式：基波电压的相位滞后正弦波电流的相位。驱动信号， 输出电压和电流的波形如图2 1 9 。 l 广 广 一 厂 厂 一 厂 厂 r 厂 广 一 周用厂 d 卜_ i 丫l 图2 1 9 电压相位滞后电流相位 2 1 2 感应加热电源拓扑及调功分析 电压和电流的频率等于驱动信号的频率，两桥臂的相位差为，那么负载 上得到的功率为 = 簧( c o s 争 ( 2