（核技术及应用专业论文）高频感应加热电源的研究.pdf

原创性声明 6 0 5 1 9 3 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，除了论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 含为获得南华大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：杉易盏影 日期：卅年月髟日 关于学位论文使用授权说明 本人同意南华大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保留学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：移幺盏无导师签名：赵漉日期：钞降臼 墅堑芝一一一 堕兰查兰型量兰垄尘望婴圭堂竺笙塞 高频感应加热电源的研究 论文摘要 摘要：感应加热电源在核技术领域有着广泛的应用，传统的电子管高频感应加 热电源因其工作效率低、使用寿命短、耗费大量的电能而与电能匮乏的今天格格 不入，研究高效节能的感应加热电源迫在眉睫，新型感应加热器件的发展为这种 研究奠定了基础。本课题主要研究了串联谐振高频感应加热电源，为核技术中固 体放射源制备所需的真空蒸发镀膜承担蒸发源，并制作了台1 0 0 k h z 、1 5 k w 可用于真空蒸发镀膜的全固态高频感应加热电源样机。 研究过程及方法：首先对感应加热和核技术的关系，感应加热的物理机理， 感应加热电源和感应加热器件的现状和发展进行了简要叙述。然后分析了感应加 热电源的基本结构，各种功率调节方式及它们的优缺点，设计了以i g b t 为开关 器件的斩波调功电路，并对电路进行了仿真。通过分析串联、并联谐振负载的特 性，及常见的串联谐振逆变器、并联谐振逆变器、e 类谐振逆变器的特点，设计 了以功率m o s f e t 为开关器件的串联谐振逆变器的主电路，并对电路进行了仿 真。研究了m o s f e t 驱动电路的基本要求、常规驱动方法，设计了以 r 2 1 1 0 为 核心器件的m o s f e t 驱动电路。通过对各种控制电路的研究，设计了以p w m 控制集成电路为核心的斩波调功控制电路，通过对锁相环数学模型进行仿真，设 计了以锁相环电路为主要器件的逆变器控制电路；设计了各种保护电路和霍尔传 感器电路。给出了高频隔离变压器、感应圈等感性部件的计算设计方法和制作工 艺。最后制作了样机，并利用计算机、f l u k e l 2 3 工业示波器和其软件测试了电源 在加热不同负载时的工作波形。 在认真分析锁相环控制电路的基础上，提出了改进整机频率跟踪性能，提高 启动成功率的两种方法：变带宽法和复合控制器法。给出了变带宽法的具体的应 用电路。 实验结果表明；该全固态高频感应加热电源工作稳定，输出频率约为 1 0 0 k h z ，输出功率约1 5 k w ，整机效率可达到9 0 ，电源能实现自动频率跟踪， 饶益花 南华大学同等学力人员坝j j 学位论义 输出功率可调，性能良好，保护功能齐全。能满足真空蒸发镀膜工艺的需要，具 有较好的实用价值和应用前景。 本课题的斩波调功电路有待于进一部利用软开关技术，减少开关损耗；文中 提出的复合控制器有待于实际的电路应用。 关键词：感应加热串联谐振逆变器 蒸发镀膜斩波锁相 环 皇避一 堕堂查堂塑兰堂坐叁墨堡主兰些堡兰 t h e s t u d y o f h i g h f r e q u e n c y i n d u c t i o n h e a t i n g p o w e r s u p p l y 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 yh a sa ne x t e n s i v ea p p l i c a t i o n i nt h ef i e l do fn u c l e a rt e c h n i q u e s b e c a u s eo fi t sl o we f f i c i e n c y ，s h o r t s e r v i c e 】i f ea n dl a r g ea m o u n to fe l e c t r i ce n e r g yw a s t e d ，t h et r a d i t i o n a l e l e c t r o nt u b ei n d u c t i o nh e a t i n gp o w e rs u p p l yc a n tm e e tt h ed e m a n do f t h es o c i e t yl a c k i n gi ne l e c t r i ce n e r g y s oi ti sn e c e s s a r yt or e s e a r c h f o ran e w h i g h e f f i c i e n t a n d e n e r g y s a v i n g 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 ，a n dt h ed e v e l o p m e n to f n e ws t y l ei n d u c t io nh e a t i n gd e v i c ep r o v i d e s t h eb a s i sf o rt h er e s e a r c h t h i sp r o j e c tf o c u s e so nt h es t u d yo fs e r i e s r e s o n a n th 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 gd o w e rs u p p l y ，w h i c hc a na c ta s e v a p o r a t i o ns o u r c ef o rv a c u u me v a p o r a t i o nm e t a l i z e df i l mi nn u c l e a r f i e l d w h e nas o li dr a d i a t i o ns o u r c ei sm a d e ，a n di nt h ep r o c e s so fr e s e a r c h ， al o o k h z 、1 5 k ws o l i ds t a t eh 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 i sm a d e t h et h e s i ss u m su pt h ep r o c e s sa n dr e s u l t so ft h er e s e a r c h i nt h e f o l l o w i n ga s p e c t s ：f i r s t l y ，a b r i e fi n t r o d u c t i o ni sg i v e na b o u t t h e r e l a t i o n s h i p o fn u c l e a rt e c h n o l o g ya n di n d u c t i o nh e a t i n g 、p h y s i c a l p r i n c i p l eo f i n d u c t i o nh e a t i n g 、t h ep r e s e n ts t a t u sa n dt h eh i s t o r yo f d e v e l o p m e n t i 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 de l e c t r o n i cd e v i c e s t h e n ，t h eb a s i c s t r u c t u r eo fi n d u c t i o nh e a t i n gp o w e rs u p p l y 、t h e a d v a n t a g e s a n dd e f e c t so fa l1 k i n d so f p o w e rr e g u l a t i n g m e t h o da r e a n a l y s e d a n dac h o p p e ra n dp o w e rr e g u l a t i n gc i r c u i tw i t h i g b ts w it c h d e v i c ei sd e s i g n e da n ds i m u l a t e d a f t e ra da n a l y s i so ft h ep e c u l i a r i t 5e s - 3 - 堑坚生一 。 童望查堂堕竺堂垄塑堡主堂垡丝壅 o fs e r i e sr e s o n a n tl o a da n dp a r a l l e ll o a d 、t h ec h a r a c t e r i s t i c so fn o r m a l s e r i e sr e s o n a n t c o n v e r t e r 、p a r a l l e lr e s o n a n t c o n v e r t e ra n dec l a s s c o n v e r t e r ，am a i nc i r c u i to fs e r i e sr e s o n a n c ew it hm o s f e ts w i t c hd e v i c e i s d e s i g n e da n ds i m u l a t e d 。a f t e ras t u d yo ft h eb a s i cr e q u i r e m e n t sa n d n o r m a ld r i v em e t h o do fd r i v e c i r c u i t ，am o s f e t sd r i v ec i r c u i tw i t h i r 2 1 1 0c o r ed e v i c ei s d e s i g n e d a i 。t e r as t u d yo fa l lk i n d so fc o n t r o l c i r c u i t ，ac h o p p e rr e g u l a t i n gc i r c u i tw i t hp w mi n t e g r a t e dc i r e u i ti s d e s i g n e d a f t e ras i m u l a t i o no f t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fp h a s el o o p l o c k e d ( p l l ) ，ac o n v e r t e rc o n t r o lc i r c u i ti sd e s i g n e dw i t hp l la si t sm a i n c i r c u i t l a t e ro n ，a 1 1s o r t so fp r o t e c t i o nc i r c u i ta n dh a l ls e n s o rc i r c u i t a r ed e s i g n e dt o o t h ec a l c u l a t i o n 、d e s i g nt e c h n i q u e sa n dt e c h n o l o g yo f i n d u c t i v ep a r ts u c ha sh i g h f r e q u e n c yi s o l a t i n gt r a n s f o r m e r 、i n d u c t i o n c o i1a r e p r o v i d e d ，a tl a s t ，ah 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 r s u p p l y i sm a d ew i t hi t so u t p u tm e a s u r e da n dt e s t e dw h e nt h es y s t e mi s h e a t e di nd i f f e r e n tl o a d b yu s i n gc o m p u t e r 、f l u k e 1 2 3 i n d u s t r y o s c i l l o s c o p ea n d i t ss o f t w a r e a f t e rac l o s es t u d yo fp l lc o n t r o lc i r g u i t ，t w ow a y so fi m p r o v i n gt r a c e f r e q u e n c ya n d r a t eo fs u c c e s si ns t a r t i n ga r eg i v e n ：o n e i s v a r y i n g b a n d w i d t h ，a n dt h eo t h e r i s c o m p o u n dc o n t r 0 1 t h e r e l a t e dc i r c u i to f v a r y i n gb a n d w i d t hi sg i y e n 。 t h ee x p e r i m e n ts h o w st h a tt h es o l i ds t a t eh i g h f r e q u e n c yi n d u c t i o n h e a t i n gp o w e rs u p p l yc a nk e e pw o r k i n gs t e a d i l yw i t hi t so u t p u tf r e q u e n c y a b o u ti o o k h z ，i t so u t p u tp o w e ra b o u t 1 5 k w i t se f f i c i e n c yi sa b o u t9 0 p e r c e n t t h ep o w e rs u p p l yc a nt r a c el o a dr e s o n a n tf r e q u e n c y a u t o m a t i c a ll y a n dt h eo u t p u tp o w e ri ss e l f r e g u l a t i n g w i t hs om a n yg o o d c h a r a c t e r is t i c s a n ds a t i s f a c t o r yp r o t e c t i v ef u n c t i o n ，t h ep o w e rs u p p l y c a nm e e tt h e r e q u i r e m e n t so fv a c u u me v a p o r a t i o nm e t a l i z e df i l m ，a n d i ss u r et oh a v e a na p p l i c a t i o nv a l u ea n dag o o dp r o s p e c t - t h ec h o p p e ra n dr e g u l a t i o nc i r c u i ti nt h i sp r o j e c ti ss t i l le x p e c t e d 4 饶益他南华人学同等学力人员硕j 学位论文 t or e d u c e s w i t c hl o s s e sw i t ht h e h e l po f s o f t s w i t c h t e c h n i q u e t h e c o m p o u n dc o n t r o l i se x p e c t e dt ob ep u ti n t op r a c t i c e r a oy i h u a ( n u c l e a rt e c h n o l o g ya n di t sa p p ic a t i o n ) d i r e c t e db yz h a ol i h o n g k e y w o r d s ：i n d u c t i o nh e a t i n g ：s e r i e s r e s o n a n tc o n v e r t ：e v a p o r a t l o n m e t a l i z e df i i m ：c h o p p e r ：p h a s el o o pl o c k e d ( p l l ) 5 皇堕翌l 一一 堕兰查兰型兰兰塑墨堡主兰垡丝兰 第一章概述 1 1 课题的研究意义 感应加热是利用电磁感应的原理将电能转换成热能的。感应加热在核技术领 域有着广泛的应用，比如：托卡马克装置【i i 就是利用电磁感应产生的大电流对等 离子体进行欧姆加热，使其温度升高。在核电站的管道1 2 1 建设中，尤其在核岛内 使用的核级不锈钢管道建设中，鉴于管道将长期在高温高压下运行，管道的加工 工艺非常受重视，一般都采用感应加热对管道进行热处理和机械加工，比如钢管 的弯制等。资料显示：在压水堆低中放废物玻璃化日l 处理过程中，专家推荐的最 佳策略是用等离子喷管处理可燃废物，用冷坩埚处理不可燃废物，而冷坩埚熔炉 就是采用感应加热方式工作的。另外，核仪器核装置制造时，金属部件的表面处 理i ，机械加工，真空管的制作和封口，都可应用感应加热。可以说感应加热电 源技术为核技术的应用和发展提供了技术支持，核技术领域为感应加热电源提供 了更高要求和应用平台，两者相互依托、相互促进。 人类应用感应加热能源，已有近9 0 年的历史，传统的感应加热电源如晶闸 管中频电源、电子管高频电源在使用中存在一些缺点，如效率低、寿命短、耗电 量大等，这些缺点在电能缺乏的今天愈显突出，社会在呼唤高效节能的感应加热 电源；二十世纪九十年代电力电子器件的快速发展为解决这一矛盾提供了基础， 如今国内外同行都在致力于用现代的功率开关器件取代晶闸管、电子管的感应加 热电源研究，中低频感应加热研究领域已有可喜成绩，但在高频大功率感应加热 研究领域还有许多技术问题有待解决，如可靠性、调功方式、负载适应性等，故 研究全固态高频感应加热电源替代电子管高频感应加热电源、提高效率、节约电 能势在必行。 本课题研究的高频感应加热电源旨在为核技术中固体放射源制备时所需衬 底箔、覆盖箔、或夹层箔提供真空蒸发镀膜电源，当然本高频感应加热电源同时 可用于金属熔炼、透热、热处理和焊接等。在膜制备技术中利用高频感应加热电 源去承担蒸发源，即利用高频感应加热在真空条件下，激发气体放电或蒸发物质 垡垄垄 塑望查兰堕箜堂生曼堡兰竺丝壅 实现镀膜，这种镀膜技术具有如下特点：( 1 ) 蒸发速率大，比常规电阻蒸发源大 l o 倍左右；( 2 ) 蒸发源的温度均匀稳定，不易使被镀材料产生飞溅现象；( 3 ) 蒸发 源次装料，无需送料机构；( 4 ) 温度控制比较容易，操作比较简单；( 5 ) 不污染被 镀膜层；( 6 ) 与化学方法制各膜技术相比，不污染环境。 1 2 课题目的及任务 本课题研究并制作输出功率为1 5 k w ，工作频率为1 0 0 k h z 的感应加热电源， 提供仝套工艺生产技术图纸。 具体任务如下： 1 以中等规模集成电路为基础研究逆变器控制电路。 2 研究提高控制电路动态性能的实用电路。 3 ，研究并设计各部分电路，适当提供工艺方法。 4 利用m a t l a b s i m u l i n k 对主要电路进行仿真研究。 5 ，研究模糊控制在感应加热电源中应用。 6 整机调试，测出实验波形并分析。 1 3 感应加热的特点【5 】 加热温度高，而且是非接触式加热，不会对被加热的工件产生污染。 加热效率高，能够节约大量的能源。 温度容易控制，生产的产品质量稳定。 作业占地少，生产效率高。 作业环境好，几乎没有热、噪声和狄尘等污染a 可以局部加热，能生产高质量的产品、节能。 加热速度快，被加热物的表面氧化少。 容易实现自动控制，节省人力资源。 对工件容易做到加热均匀。 能加热形状复杂的工件。 1 4 感应加热的物理机理 如图1 - 1 所示，通有电流的线圈在它周围会产生磁场；特别是当高频交流电 通过时，线圈周围会出现交变磁场。工件导体放入磁场时，磁力线会切割工件， 饶益花 南华大学l 司等学力人员硕士学位论文 在工件导体中产生感应电动势，从而产生涡旋电流。 设线圈匝数为n 1 ，通入电流大小为i ，、频率为，的交流电，并令工件的等效 圈数为，线圈内的磁通为毋，线圈内的工件导体上感应电动势为e ，由法拉第 电磁感应定律： p ：一丝 ( 1 - 1 ) d t 假设中是按正弦规律变化，设巾= o 。s i nc o t ，由式( 1 - 1 ) 可得： e = 一n q b 。珊c o st o t = 一2 叫中。c o s c 0 t( 1 - 2 ) 则感应电动势e 的有效值为： e ：丝! 坠 ( 1 - 3 ) 4 2 由于工件导体本身电阻的存在，当涡流流过工件时，会引起工件发热，根据 焦耳楞茨定理有： q = o 2 4 i ；r t ( 1 - 4 ) 其中q 为工件导体的发热量，2 为流过工件导体内的涡流，r 为阻碍涡流 的电阻，为通电时间。 从式( 1 - 2 ) 可知，涡流的频率与线圈的电流同频率，由于高频电流的集肤 效应，工件导体的涡流分布不均匀，电流分布情况可以表示如下： i = i o e 5 ( 1 - 5 ) 式中i 。为导体表面电流密度； x 为电流透入深度，c m ； 占为电流分布带的宽度，c m 涡流密度降为表面电流密度的，即3 6 8 处的深度称为电流分布带的宽度占，可表示 为： 6 = 去劈- s o ，s 历 图11 感应加热原理 f i g 1 1t h ep r i n c i p l e o f i n d u c t i o nh e a t i n g ( 1 6 ) 式中；p 为金属电阻率，q c m2 c m ： “为金属的相对导磁率： 厂为电流的频率，h z 。 在电流透入深度范围内工件吸收的功率为吸收总功率的8 6 ，5 ，因此j 成为 选择加热电源频率、制造感应圈选用铜管材的重要参数之一。其功率密度在被加 热工件内的分布可方便地通过频率的选择和感应线圈的合理设计而得到。 1 5 感应加热电源的现状与发展 感应加热电源是感应加热的关键设备之一，感应加热电源的发展与感应加热 用器件( 主要指电力电子学及电力半导体器件) 的发展密切相关1 6 1 7 l 。 上个世纪初玻璃管汞弧整流器的发明标志着电力电子学的起源，而上世纪5 0 年代末半导体硅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。在上世纪5 0 年代前，感应加热电源主要有：工频感应熔炼炉、电磁 倍频器、中频发电机组和电子管振荡式高频电源。上世纪5 0 年代末硅晶闸管的 出现引起了感应加热电源技术及应用得到了飞速发展。至今在中频 ( 1 5 0 h z - 1 0 k h z ) 范围内，晶闸管中频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。国外装置的最大容量已达到数十兆瓦，国内也已形成 2 0 0 h z - 8 k h z ，功率为1 0 0 k w 3 5 0 0 k w 系列产品，可以配备5 吨以下的熔炼炉 及更大容量的保温炉，也适应于各种金属透热，表面淬火等热处理工艺。 在超音频( 1 0 k h z 1 0 0 k h z ) 频段内，由于晶闸管本身开关特性等参数的限 制，给研制该频段的电源带来了很大的技术难度，它必须通过改变电路拓扑结构 才有可能实现，浙江大学在上个世纪7 0 年代开始研制晶闸管倍频逆变电源，产 品水平为2 5 0 叫o o k w l 肌1 5 k h z ，后来在上个世纪8 0 年代又采用改进型倍频逆 变电路的双谐振回路耦合使负载呈非线性。时变加热负载参数与谐振回路参数匹 配调试较复杂 8 1 1 9 1 。 上个世纪7 0 年代末和8 0 年代初，现代半导体微集成加工技术与功率半导体 技术的结合，为开发新型功率半导体器件提供了条件，相继出现一大批全控型电 力电子半导体器件，极大地推动了电力电子学发展，为固态超音频、高频电源的 研制提供了坚实的基础。 。堕堇焦南华大学同等学力人员硕十学位论立 -_一一一 在高频( 1 0 0 k h z 以上) 频段，目前国外正处于将传统的电子管电源向晶体管全 固态电源转化的过渡阶段，以模块化、大容量化m o s f e t 功率器件为主。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 ，德国在 1 9 8 9 年研制的电流型m o s f e t 感应加热水平达4 8 0 k w 5 0 2 0 0 k h z 、比利时 i n d u o t o e 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 。应用高频电源的另一功率器件为静电感应晶体管( s i t ) ，主 要以f | 本为主，电源水平在上个世纪9 0 年代末达到了1 0 0 0 k w 2 0 0 k h z 、 5 0 0 k w 4 0 0 k h z ，s i t 开关速度比m o s f e t 快，但它存在很大的通态损耗，即导 通时器件两端还存在几伏的电压。随着m o s f e t 、i g b t 性能的不断改进，s i t 将失去它存在的价值。 我国从上个世纪6 0 年代末期开始研究中频感应加热电源，至今在中频电源 行业已有几百家企业，功率最高到3 5 0 0 k w ；目前正在推行将现代电力电子半导 体器件( v d m o s 、i g b t 、s i t ) 取代s c r 的研究开发1 0 】【l l 】 1 2 】【1 3 】【14 1 ，其中应用i g b t 作开关器件，工作频率在超音频范围以下，已有部分产品出现，在高频电源领域， 更多的是采用电子管，少量的采用s i t 器件【1 3 】【1 4 】。国内浙江大学在上个世纪9 0 年代研制成2 0 k w 3 0 0 k h zm o s f e t 高频电源，已被成功应用于小型刀具的表 面热处理和飞机涡轮叶片的热应力考验实验中。上个世纪九十年代末天津高频设 备，一1 和天津大学联合开发出7 5 k w 2 0 0 k h z 的s i t 感应加热电源 1 4 1 。现在江南大 学已经开发出2 m h z l k w 的超高频感应加热电源应用到钢丝表面处理f l ”。总的 来说，与国外的水平有一定的差距。 目前感应加热电源正朝模块化、高频化、智能化方向发展。 1 6 感应加热电源用器件的现状与发展”印 自1 9 5 5 年以来，电力电子技术以各类功率半导体器件为基础，成为电能变 换和控制的现代电子工业技术。电力半导体器件的飞速发展大大拓宽了电力电子 技术的应用范围。目前电力半导体器件正向大容量、高频率和智能化等方向发展。 电力半导体器件按工作方式可分两类，其中一类是传统的双极型器件，它是电流 控制型器件，包括晶闸管s c r 、g t o 、g t r 等，其特点是由门极电流来驱动器 件，另一类是新型的电压控制型器件，包括功率m o s f e t 、i g b t 、m c t 等，其 特点是栅极为绝缘体，只需很小的栅电流便可驱动器件。由于感应加热电源的发 饶益花 南华大学同等学力人员硕士学位论文 展依赖于电力电子技术的发展，所以下面对这两类中与感应加热电源有关的电力 半导体器件发展概况说明。 1 6 1 传统双极型半导体电力电子器件发展概况 晶闸管( s c r ) 于1 9 5 7 年问世，属于半导体电力电子器件第一代产品，是当 前具有最高耐压容量与最高电流容量的器件，其最大电流额定值8 0 0 0 a ，电压额 定值1 2 k v 。现在研制的光控晶闸管，其额定值可达8 k v 4 0 0 0 a 。国外发达国 家除大容量的晶闸管和特殊品种外，一般产品己停止生产。由于晶闸管不能用门 极控制其关断，需要复杂的辅助换流关断电路其发展受到一定限制。 晶体管( g t r ) 出现于上世纪七十年代，现有产品的水平为 1 8 0 0 v 8 0 0 a 2 k h z 、1 4 0 0 v 6 0 0 a 5 k h z 、6 0 0 v ，3 1 0 0 k h z 。它在开关电源、电极 驱动、通用逆交器等中等频率和中等功率容量的电路中广泛应用。其缺点是存在 二次击穿、安全区易受各种参数影响、过流能力低等问题。 1 6 2 新型压控半导体电力电子器件发展概况 随着上个世纪八十年代m o s 器件的发展，m o s 型功率器件及以此为基础的 电压控制器件在电力电子装置中获得了很大发展和广泛的应用。上个世纪九十年 代，新型压控电力电子器件发展很快，并成为第三代高压大电流、高速高频、集 成化的电力电子器件，它们包括功率m o s f e t 、i g b t 等。 功率m o s f e t 是多子导电的器件，其结构较复杂。该器件显著减小了开关时 间，开关频率很容易达到1 0 0 k h z 冲破了电力电子装置中2 0 k h z 的长期障碍， 目前的产品己达到6 0 v 2 0 0 a 2 m h z 5 0 0 v 5 0 a 1 0 0 k h z 。功率m o s f e t 是低电压 范围内最好的功率开关器件，但在高电压时其最大缺点是导通电阻随耐压的2 5 次方急剧上升，给高功率应用带来很大的困难。上个世纪八十年代开发出 v v m o s ( v 型槽结构) 、v d m o s ( 垂直双扩散结构) 、d m o s ( 双扩散结构) 才 使其从中小功率向大功率扩展，各大公司相继投产高耐压、大电流、开关速度快 的高功率m o s f e t 。一举打破了双极型功率器件独占市场的局面。上世纪九十 年代末期功率m o s f e t 产业界纷纷将开发能力转向采用l u m 工艺的沟槽栅 ( t r e n c hg a t e ) m o s f e t 研制，不断推出新产品扩大市场。1 9 9 8 年国际整流器 公司宣布用于开关电源的功率m o s f e t ，其结构采用c o o l m o s 工艺技术，其晶 体管性能比当时现有的器件高5 倍。沟槽结构功率f e t 缩小了器件元胞体积， 饶益花 南华大学同等学力人员硕上学位论文 增强了器件的雪崩击穿能力，有效地减小了导通电阻，降低了驱动电压。这类器 件现在广泛应用于各种移动信息终端和电源电路中。现在沟槽结构功率m o s f e t 的产品型号规格超过1 0 0 种，漏源额定电压为2 5 、5 5 、1 0 0 、1 5 0 、2 0 0 、4 0 0 v ， 其低导通电阻最小分别为3 5 、5 - 8 、9 、2 0 、4 0 mq 。 绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 是将m o s f e t 与双极晶体管结合在一起的新型 器件。它是r c a 公司和g e 公司1 9 8 2 年发明的。是目前最具活力的电力电子器 件，经过工艺上不断改进与技术创新，己经发展到第四代。i g b t 具有双极结型 晶体管与m o s f e t 双方的优点，具有开关速度快、功耗小、电流密度高、耐电 压高等优点，是一种有发展前途的电力电子器件。市售i g b t 系列产品耐压与电 流容量为6 0 0 1 2 0 0 v 8 6 0 0 a ，实验室研究水平为1 6 0 0 v 1 2 0 0 a 、2 8 0 0 v 1 0 0 a 。 超快速i g b t 是国际整流器公司开发的新产品，重点在于减少i g b t 的拖尾效应， 使其快速关断，关断时间不超过2 0 0 n s ，如采用特殊高能辐射分层技术，关断时 间可在l o o n s 可用在大功率电源或变换器、电机控制等。 1 7 小结 本章主要阐述了感应加热技术和核技术的相互依托，相互促进的关系，确定 了本课题研究目标研制用于核技术固体放射源制备所需高频感应加热电源， 同时，说明了感应加热的特点、感应加热的物理机理、对感应加热电源的现状和 发展及感应加热用器件进行了综述。 饶益花 南华大学同等学力人员硕士学位论文 第二章感应加热电源分类与分析 2 1 感应加热电源的基本结构比较分析 半导体感应加热电源实质上是个a c 。d c a c 装置：它先将来自公共电网 的三相交流电或单相交流电经过整流器转变成直流电，再通过逆变器将直流电转 变成负载所需频率的单相较高频率的交流电，所以最基本的结构是整流电路、逆 变器电路、控制电路、负载匹配电路等几个部分。主要的拓扑结构如图2 1 所示。 不同的控制方式下，拓扑结构有所区别。图2 1 ( a ) 是采用不控整流，逆变器工 作在谐振状态，中间用直流直流变换器调功，主电路较复杂，但调功精度高。 图2 1 ( b ) 采用可控整流调功，逆变器工作在谐振状态；或者采用不控整流，在 逆变器内实现调功，主电路简洁，故障少。 ( b ) 图2 1常见感应加热电源拓扑结构 f i g 2 1t h e n o r m a li n d u c t i o nh e a t i n gp o w e rs u p p l yt o p o l o g i c a ls t r u c t u r e 2 2 感应加热电源的控制方式 2 2 1 感应加热电源调功方法 由图2 1 可知，感应加热电源调功可以在不同的部位实施。在整流电路部位 调功可采用调压调功，在逆变器电路部位调功可采用脉冲频率调制调功、移相调 功、定频调宽调制调功等几种方法。 2 2 1 1 调压调功 就是调整电路输入真流电压或电流的大小来调整给逆变器输入功率甜，负载 则通过锁相措施让逆变器工作在谐振或准谐振工作频率处。调整电路输入直流电 饶益花 南华大学同等学力人员硕上学位论文 压或电流有两种方法，一是在整流电路部位采用晶闸管全控整流 1 7 】，二是经不可 控整流后采用斩波器( b u c k 电路) 进行调压。图2 2 所示为三相晶闸管半控整 流电路的感应加热电源主电路；图2 _ 3 所示电路为不可控整流电路和斩波电路的 感应加热电源主电路。 i - l t i jf 一。jf 一，jfj 目2 王d 3 z r v ” v 9 卜 一 负载i 2王z sz s 一目2 王z 叫l 图2 2晶闸管半控整流的感应加热电源主电路 f i g 2 2t h e i n d u c t i o nh e a t i n g p o w e rs u p p l ym a i nc i r c u i to fs c r h a l f - c o n t r o l l e dr e c t i f i e r 图2 3 不可控整流电路和斩波器组成的主电路 f i g 2 3t h e m a i nc i r c u i tm a d eo f u n c o n t r o l l e dr e c t i f i e rc i r c u i ta n dc h o p p e r c i r c u i t 调压调功具有以下特点： 负载部分通过锁相环电路调整频率使其工作在谐振频率附近，这样合理 利用了软开关技术，逆变器部分的开关损耗就可以减小到很小。 同时由于工作在谐振频率附近负载电压和电流间的相位角接近0 ，对于 在加热过程中负载参数变化不大的工件来说，通过检测负载上的电压或 电流就完全可以反映负载的功率，从而可以实现精度较高的功率调节， 特别适合要求功率调节较精确的场合。 由于主电路结构复杂，控制环节多【1 8 】，从而引起故障的因素增多。 采用晶闸管整流时( 图2 2 ) ，在深度控制下电路的功率因数很低，换流 的过程电流出现严重畸变5 1 ，对电网谐波污染较大，同时出现故障时动 态响应比较慢；采用不可控整流和斩波器调压时( 图2 3 ) ，控制电路得 饶益花 南华大学i 划等学力人员硕士学位论文 到简化，电网侧有较高的功率因数， p 1 0 但由于斩波器功率器件工作在大电 流开关状态，对器件是一个严重考 o 5 验，功耗较大，直流变换环节的加 0 入，整机效率和可靠性有所降低。 z 2 ”斛频率删调功( p f m ) 即4 意等篙慧黝嚣。 以r 、l 、c 串联负载为例，脉冲频 f r e q u e n c y a n d o u t p u tp o w e r 率调制调功是通过改变逆变器给负载的工作频率，改变负载阻抗i z h 从而改变输 出功率。当负载输入频率，等于负载的谐振频率石时，输出功率p 为d ( p o 为谐 振时输出功率) ，采用标么值作图，则输出功率随负载工作频率之间关系如图2 4 所示。 脉冲频率调制调功的特点如下 j9 】： 通过调整负载工作频率来调整输出功率，它的主电路采用不可控整流电 路，这样就简化了主电路，降低了成本；改变逆变器的工作频率实现起 来也比较简单。 整流电路采用不可控整流电路，这就要求逆变功率开关元件承受较高的 浪涌电压或浪涌电流，对逆变器功率开关元件安全不利。 如果负载在加热过程中的参数变化大，那么系统工作的频率要在一个相 当大的频域内变化，负载适应性不够好。工作频率在功率调节过程中不 断变化，导致集肤深度也随之而改变，在某些应用场合如表面淬火等； 集肤深度的变化对热处理效果会产生较大的影响，这在要求严格的应用 场合中是不允许的。不过如果负载的q 值较高( q 为负载的品质因数，表 示负载电抗与电阻的比值) ：或者要求输出功率调节范围不是很大，则较 小的频率调整就可以达到稳定功率的要求，采用这种办法就比较好。 在具体实践中，用扫频的办法并不是真正调节负载功率：而是通过调节 负载电压或者电流来近似表示功率。因为功率的表达式p = u l c o s a，n 为负载电压与电流之间的相位差。实际控制时相位角的余弦较难实观， 所以就采用了把相位角限制在一定范围内，调节负载电压( 或电流) 保持 恒定的方法来近似实现功率的恒定。因此这种调功方法是比较粗糙的。 塑堕垄 一 堕兰查兰塑竺堂查叁墨堡主堂堡堡壅 在高频的工作场合，如果采用脉冲频率调制调功，由于没有对n 给出恒 定的控制，在低负载时就会出现负载功率角较大而电流又能满足电流恒 定的情况，这样不仅换流时开关器件的拖尾电流或与功率开关器件并联 的反向二极管的反向电流以及功率开关器件上的缓冲电路的释放电流比 较明显，损耗大。 2 2 1 3 移相谓功 就是通过控制逆变器功率开关器件之间的开通相位来进行调功的。在如图 2 5 所示的电路中，让q 3 q 4 的导通时刻之间的相位差1 8 0 0 o o 内连续变化，逆 变桥的输出电压u 。b 和输出功率就会从额定值到零之间变化。改变q 。q 2 与q 3 q 4 触发脉冲之间的相位角，就可以改变输出电压的有效值和输出功率。图2 6 是固 定频率下移相p w m 控制的工作波形，观察负载上的电压波形，功率的调节与电 压脉宽的改变有关；所以也有人称这种方式为脉宽调制( p w m ) 2 0 l 。 d 8d 9d 1 0l 叫 2zzs 一z 垫io 芝 3 8 0 vu 。l 一 负载l v l 叫 d 5d 6d 7 一目z s - d 4d 2 2 2zz l 图2 5 移相调功原理 f i g 2 5t h ep r i n c i p l eo f p h a s e - s h i f t a n dr e g u l a t i n g 通常把脉冲不变的桥臂称为定相臂，另一个称为移相臂，实际应用当中对 于定相臂与移相臂的不同选择，如图26 所示，会涉及到二极管的反向恢复电流 问题或者开关器件拖尾电流问题。另外负载的工作频率也会产生升高和降低的问 题，也有人称它为p f m p w m 【2 j 2 2 1 。图2 6 ( a ) 一般适合于高频电源和内建反 并联二极管反向恢复问题比较严重的器件，如m o s f e t 等；图2 , 6 ( b ) 适用于 存在关断尾部电流、关断损耗占主导的双极型器件，如i g b t 、s i t 等。当然具 体情况还需根据具体要求来确定。 移相调功有以下特点： 移相调功的整流部分可以采用不可控整流电路，简化了主电路：如果功率 堡! 垄_ 一一 。 堕些查鲎旦箜堂查里堡兰兰堡丝苎 开关器件的工作频率不变，电路的工作频率会在调功过程中变化较小，特 别在负载的品质因数较高的时候，因而与扫频调功方式相比具有更好的负 载适应性。 q 1 q 3 q 2 母4 _ 1 广 厂r i r r 1 广”1 臃、叨 澎凶 ( a )( b ) 图2 6 移相调功的工作波形 f i g 2 6t h e w a v e f o r mo f p h a s e - s h i f ta n dr e g u l a t i n g 逆变器的功率开