（电力电子与电力传动专业论文）igbt串联谐振型逆变器高频化技术的研究.pdf

声明 本人郑重声明 此处所提交的硕士学位论文 i g b t 串联谐振型逆变器高频化技术 的研究 是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间 在导师指导下进行的研究工作和 取得的研究成果 据本人所知 除了文中特别加以标注和致谢之处外 论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学 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己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意 学位论文作者签名 盈堡笠日期 堑生 鲨 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有权保管 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件 学校可以采用影印 缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文 学校可允许学位论文被查阅或借阅 学校可以学术交流为 目的 复制赠送和交换学位论文 同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表 传播学 位论文的全部或部分内容 涉密的学位论文在解密后遵守此规定 作者签名 查迎霪 导师签名 日 期 丝鳢 劣 盥至竺 日期 乡 华北电力人学顶十学位论文 第一章引言 1 1 谐振型逆变器的发震与现状 谐振型逆变器是固态感应加热电源的关键组成部分 它的发展水平与感应加热 技术和感应加热电源的发展 应用密切相关 感应加热技术于2 0 世纪初开始应用于工业部门 它通过电磁感应原理传递能 量 利用涡流对工件进行加热 感应加热与以煤 油 气为能源或箱式电炉加热截 然不同 它把电能直接送到工件内部转变成热能将工件加热 具有加热效率高 速 度快 加热均匀且具有选择性 可控性好 易于实现自动化 现场劳动环境好 作 业占地少 节电省力 产品质量稳定等优点 因此它不仅在熔炼 铸造 弯管 热 锻 焊接 表面热处理 粉未冶金等传统工业加热行业得到了广泛应用 而且还应 用于半导体的区域提纯 单晶片外延等现代热加工工业 近年来 随着采用感应加 热技术的微波炉 电磁炉的不断推广 感应加热技术已经进入人们的家庭生活 感应加热电源是感应加热技术应用的基础 2 0 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 电子管振荡式高频电源 这类传统电源装胃效率较低 热惯性大 寿命短 工作频率可调范围小 不能满足 不同工艺 负载的要求 5 0 年代以后 随着电力电子学及功率半导体器件的发展 固态感应加热电源技术不断成熟 目前固态感应加热电源已基本取代电磁倍频器和 中额发电机组 高频段的感应加热电源也正处在从传统的电子管电源向晶体管全固 态电源的过渡阶段 固态感应加热电源主要由整流 滤波和逆变三部分组成 其中 整流和滤波技术相对成熟 限制固态感应加热电源发展的主要是逆变器的发展水 平 因此固态感应加热电源的发展水平主要指其谐振型逆变器的发展水平 下面以 感应加热电源为背景介绍谐振型逆变器的发展与现状 中频 15 0 h z 1 0 k h z 范围 在国外 晶闸管中频感应加热电源已完全取代了 传统的中频发电机组和电磁倍频器 目前装置的最大容量已达数十兆瓦 我国于6 0 年代末开始研制晶闸管中频逆变电源 目前己形成1 0 0 k w 3 0 0 0 k w 2 0 0 h z 8 0 0 0 h z 系列化产品 但国产中频逆变电源大多采用并联谐振型逆变器结构 因此研究开发 更大容量的并联谐振型中频逆变电源和结构简单 易于频繁起动的串联谐振型中频 逆变电源是国内中频感应加热电源领域有待解决的问题 超音频 1 0 k h z 1 0 0 k h z 范围 晶闸管出现前超音频逆变电源基本是空白 需这一频段的应用场合基本由电子管高频电源替代 晶闸管出现后 一度曾通过改 变电路拓扑结构 以时 训分割电路和倍频电路构成晶闸管超音频逆变电源 7 0 年代 未8 0 年代初 现代半导体超微集成加工技术与功率半导体技术结台为歼发颞型功 华北电力人学硕十学位论文 率半导体器件提供了条件 相继出现了一大批新型电力电子半导体器件 主要有 g t o g t r m c t s i t h m o s f e t i g b t 等 以这些新型器件构成的结构简单 的全桥型超音频逆变电源逐渐占据了主要地位 其中以i g b t 应用最为普遍 这是 因为i g b t 容量大 使用起来方便可靠 1 9 9 4 年 日本采用i g b t 研制出 1 2 0 0 k w 5 0 k h z 电流源型并联谐振感应加热电源 西班牙在1 9 9 3 年也报道了 3 0 k w 6 0 0 k w 5 0 k h z 1 0 0 k h z 电流源型并联谐振感应加热电源 我国在7 0 年代开始 研制晶闸管倍频逆变电源 目前产品水平为2 5 0 k w 3 2 0 k w 1 0 k h z 15 k h z 8 0 年 代未浙江大学采用改进型倍频逆变电路研制了5 0 k w s 0 k h z 晶闸管超音频逆变电 源 9 0 年代丌始 国内丌始采用i g b t 研制超音频逆变电源 目前的制造水平为 1 0 0 0 k w 5 0 k h z 与国外i g b t 感应加热逆变电源的发展水平有一定距离 在高频 1 0 0 k h z 及以上 范围 国外目前 f 处于从传统的电子管电源向晶体 管化全固态电源的过渡阶段 以模块化 大容量化m o s f e l f 功率器件为主 其中 西班牙采用m o s f e t 的电流源型并联谐振逆变电源制造水平达到6 0 0 k w 4 0 0 k h z 德国在1 9 8 9 年研制的电流源型m o s f e t 并联谐振型逆变电源水平达到 4 8 0 k w 5 0 2 0 0 k h z 比利时i n d u c t oe l p h i a c 公司生产的电流源型m o s f e t 并联谐振 逆变电源水平可达l o o o k w 1 5 6 0 0 k h z 美国应达公司目前已推出2 0 0 0 k w 4 0 0 k h z m o s f e t 高频感应加热逆变电源 高频逆变电源采用的另一种功率器件是s i t 1 9 8 7 年f 1 本丌始研制1 2 0 0 k w 2 0 0 k h z s i t 感应加热逆变电源 目前制造水平可达 4 0 0 k w 4 0 0 k h z 由于s i t 存在很大的通态损耗以及市场运作原因 s i t 感应加热电 源未能得到充分发展 在我国 2 0 k w 3 0 0 k h z m o s f e t 高频感应加热电源于9 0 年 代由浙江大学研制成功 目前 国内高频感应加热逆变电源的最高水平为 4 0 0 k w 5 0 0 k h z 由保定红星高频有限公司研制生产 逆变器的发展水平与半导体功率器件的发展密切相关 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 早期的半导体功率器件受到容量和频率相互制 约的影响 不能同时获得大功率 高频率性能 随着新型器件的出现及其性能的不 断完善 如m o s f e t i g b t 等 逆变器呈现出向大功率 高频率发展的趋势 1 2 ig b t 的发展与现状 i g b t 是19 8 3 年美国g e 公司发明的新型功率器件 它的设计和制造采用了双 极 m o s 复合器件技术 简称b i m o s 技术 使i g b t 器件本身综合了m o s 管与双 极晶体管的优点 具有和g t r 一样的功率处理能力 和m o s f e t 类似的丌关特性 在通态压降低的同时开关速度加快 1 9 8 8 年解决了i g b t 的挚住问题后 由寄生 n p n 晶体管引起 大功率 高速i g b t 已成为众多逆变电源的首选器件 目前i g b t 的研制仍处于不断发展之中 从制造方法和结构上说已有三种类型 n p t i g b t 同 华北电力人学硕十学位论文 质单晶硅片制成非穿通型i g b t p t i g b t 传统外延法制成穿通型i g b t s d b i g b t 硅片直接键合法制成1 g b t 其中 n p t l l g b t 概念首先由西门子公司 于1 9 8 9 年提出 在 9 9 6 年率先推出1 2 0 0 vn p t i g b t 1 9 9 9 年 i n f i n e o n 公司推 出6 0 0 v 5 0 an p t i g b t 其通态压降为1 9 5 v 关断时徊j 为3 0 n s 目前n p t i g b t 已经可以做到6 5 0 0 v 6 0 0 a 的水平 n p t i g b t 具有正温度系数饱和压降和特别高 的鲁棒性 r u g g e d n e s s 这些优点佼它成为1 0 0 k h z 范围内中 大功率电力电子应 用的主流开关器件 但是 制造n p g l g b t 的设备线精度极高 o 3 u r n 以下 非常 昂贵 并非所有公司都有能力生产 p t i g b t 的明显优点是通态压降较小 但在高 温高频开关状态工作时 通态压降 阈值电压及关断时间等关键参数随温度升高而 恶化 s d b i g b t 由同本于1 9 8 6 年提出 它综合了n p t i g b t 和p t q g b t 的优点 目前 f a i r c h i l d 公司已有小功率单管投向市场 可见 i g b t 器件具有广阔的发展 空间 它代表了大功率固态功率器件的发展方向 大功率 高频i g b t 逆变器的研 究也将成为逆变电源发展的新方向 1 3 论文选题意义 感应加热电源整流部分工作频率为5 0 k h z 采用普通晶闸管即可满足频率要 求 而晶闸管相对其他半导体功率器件的容量要大许多 因此为感应加热电源向大 功率发展方向上提供了广阔的发展空间 逆变器的工作频率随负载要求而定 而半 导体功率器件容量和频率相互制约 因此逆变器的发展水平成为大功率 高频率感 应加热电源的主要限制 研究i g b t 谐振型逆变器的高频化技术的主要意义如下 1 目前国内外固态高频感应加热电源产品主要是m o s f e t 高频电源和s i t 高 频电源 m o s f e t 为多子器件 不存在存储时闻 因此开关速度快 非常适于用傲 高频逆变器的功率器件 但由于其电流容量小 致使制造大容量电源时需很多器件 或多桥并联 这不仅使电源体积增大 而且给电路设计带来很多困难 因此使大功 率m o s f e t 高频电源的发展受到限制 s i t 器件具有大电流 高耐压 大的输出功 率和高的工作频率 但其通态压降相对较大 制造工艺负载 成本高 且s i t 高频 电源技术目前仍为日本所垄断 难以向市场进 步推广 s i t h 也是高频大功率领 域的一种较为理想的器件 目前还处于开发研究阶段 从i g b t 的发展与现状可知 它是技术相对成熟且极具发展前景的功率器件 在功率和频率方面具有较好的协调 性 在功率大的同时工作频率相对较高 非常适于研制大功率高频逆变电源 i g b t 高频逆变电源的研制成功 将可以代替目前普遍占主导地位的m o s f e t 高频逆变 电源 克服m o s f e t 高频逆变电源单桥容量小的缺点 为高频固态感应加热逆变 电源的大容量化丌辟一条捷径 2 从工程角度看 i g b t 单管容量较m o s f e t 单管容量大很多 在相同功率 华北电力人学硕十学位论文 逆变电源中 需并联的器件或并联桥数可显著减少 从而简化电路设计 电源结构 设计和安装 降低电源装胃的故障率 另外 由于同容量i g b t 价格低于m o s f e t 所以采用i g b t 制作大功率 高频逆变器更容易降低逆变电源成本 使逆变电源具 有优良的性能价格比 3 从我国固态感应加热电源发展现状来看 我国未能实现工作频率高于5 0 k h z 的i g b t 感应加热电源 国外i g b t 感应加热电源频率可完全覆盖超音频段 因此 i g b t 高频逆变器的研制成功将有助于填补这一空白 缩小与国外感应加热电源技 术水平的差距 4 并联谐振型逆变器和串联谐振型逆变器具有对偶的结构 同时也具有对偶 的优缺点 因此都有各自的适用范围 据调研 我国的i g b t 感应加热电源大都采 用并联型结构 国外的并联谐振型和串联谐振型i g b t 感应加热电源技术则都相对 成熟 其熔炼用i g b t 感应加热电源一般采用串联型结构 因此 研制i g b t 串联 谐振型逆变器有利于发挥其所长 对扩大我国感应加热电源产品的多样化以适应负 载的多样性具有积极的意义 1 4 论文主要工作 本文对i g b t 高频谐振型逆变电源进行研究 着重研究控制电路的设计方案和 实现方法 同时研制5 0 k w 1 0 0 k h z l g b t 串联谐振型感应加热电源样机 对i g b t 感 应加热电源的高频化技术进行理论和技术方面的研究和探讨 主要工作内容如下 1 系统总体方案设计 通过分析串联谐振型和并联谐振型逆变器的结构特 点 选择研制i g b t 高频逆变器的电路形式 分析串联谐振型逆变器工作过程 确 定逆变器工作状态 了解谐振型逆变器频率和功率控制方法 选择频率逆变器频率 和功率控制方案 2 对谐振型逆变器频率跟踪控制电路进行分析 设计频率跟踪电路 使之能 够实现无相差频率跟踪 另外 解决目的串联谐振型感应加热电源因负载固有谐振 频率变化引起的负载功率因数角不恒定问题 3 设计i g b t 高频驱动电路 该电路应能同时满足驱动频率和功率要求 同 时应具有较高抗高频干扰能力 4 对串联谐振型逆变器短路故障进行理论和仿真分析 从主电路和控制电路 两方面出发设计行之有效的短路保护电路 解决目前串联谐振型逆变器短路保护不 及时问题 同时该保护电路应尽量避免拒动和误动问题 5设计 制作5 0 k w 1 0 0 k h z l g b t 感应加热电源样机 并进行调试 实验结 果分析 总结 华北电力人学硕十学位论文 第二章谐振型逆变器 2 1 谐振型逆变器结构与选择 谐振型逆变器主要应用于固态感应加热电源中 固态感应加热电源一般都采用 交一直一交 的变频原理 电源主电路在结构上可以分为四部分 整流电路 滤 波电路 逆变电路 负载电路 这四部分分别对应三个频率 工频 直流 逆变频 率 当然 电源装置还包括控制电路和保护电路 感应加热电源装骨的基本构成框 图如图2 1 所示 陪躲叫e 二战臂亡二 图2 一l 感应加热电源基本结构框图 谐振型逆变器主要有两种形式 电流源型串联谐振型逆变器和电压源型并联谐 振逆变器 感应加热电源也 f 是从其所采用的逆变器角度进行区分的 谐振型逆变 器电路原理图分别如图2 2 2 3 所示 科 写描 乙出 嗣 嗣 图2 2 电压源型串联谐振逆变电路图2 3 电流源型并联谐振逆变电路 两种逆变器在电路拓扑结构上对偶 电压源型逆变器在整流电路后采用大电容 滤波 输入电压为直流 逆变器输出功率为 j d 丝 z 其中 u d 一一滤波电容端电压 z 一负载等效阻抗 为了获得最大功率输出 逆变器负载阻抗应尽量减小 由电路理论可知 串联电路 在谐振状态阻抗最小 因此电压源型逆变器必须匹配串联谐振负载电路 同理 电 眇 华北电力人学硕十学傍论文 流源型逆变器在整流电路后采用大电感滤波 输入电流为直流 必须匹配并联谐振 负载电路 从而形成以上两种谐振型逆变器结构 串联谐振型逆变器和并联谐振型逆变器电路拓扑结构上的对偶性导致两种逆 变器电路特性 工作波形的对偶关系 主要表现在以下几个方面 3 1 表2 串联谐振型逆变器并联谐振型逆变器 拓采j 人电容滤波 恒压源供电采川人电感滤波 恒流源供屯 扑负载为串联谐振电路负载为并联浩振电路 耋吉 功率器什需反并联二极管 为谐振电流提供 功率器r 需串联同容始一极管 承受谐振电 构通路路产生的反向电压 f 输入电压为直流输入电流为直流 作输出电乐为矩形波 输山电流近似止弦波输出电流为矩形波 输出电压近似止i 玄波 特 般i 作在感性准睹振状态一般i 作任容性准喈振状态 性 电压源供电 逆变器换流需死区时间电流源供电 逆变器换流需重替时间 电压源供电 浪涌电流犬 短路保护困难 电流源供电 电流冲击小 短路保护容易 开路保护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聪谐振电路负载匹配方法较灵活 优 串联谐振型逆变器对负载电路拓扑结构要求前联谐振型逆变器对负载线路寄生参数敏 缺 较低 负载引线可适当加k感 负载引线不寅过k 点 功率器件需承受反压 高速大容量二极管选 功率器件不需要承受反压 扦困难 调功方式灵活 一股采 l j 调 直流电压调功 串联谐振型逆变器和并联谐振型逆变器电路拓扑结构和工作特性上的对偶关 系使之具有相互对偶的优缺点 作为感应加热电源而言 两种逆变电路在具有一定 的局限性的同时又都有各自适宜的应用场合和范围 在高频逆变器的设计中 需多 角度对逆变电路形式进行权衡 选择 避免逆变器实现上的难点 充分发挥电路形 式的优点 下面从i g b t 高频逆变器实现的角度出发对两种逆变电路进行分析 1 从器件选择的角度来看 并联谐振型逆变器负载电路本身为谐振电流提供 通路 但需要功率器件具有承受反压的能力 而m o s f e t i q b t 模块内存在反并 联二极管 不能承受反压 因此要求逆变器桥臂串联同功率开关器件容量相当的二 极管以承受反压 目前大容量快恢复二极管的制造水平有限 选择较困难 串联谐 振型逆变器不能为谐振电流提供通路 需在逆变桥臂增加续流二极管以提供续流通 路 因此功率开关器件不需承受反压 这比较适合i g b t 的特性 由于续流二极 管只在功率因数角对应时问内通有电流 逆变器工作在准谐振状态时 对此二极管 华北电力人学硕十学位论文 的容量要求较小 选择相对容易 2 从结构工艺来看 串联谐振型逆交器对负载电路布线要求较低 而并联谐 振型逆变器对其负载电路的布线要求相对较高 无论感应加热电源用于何种用途 毫无疑阔负载和电源之闽会有一定距离 需要有导线连接 由于导线电感和电阻的 存在 必然会对负载电路产生 定的影响 考虑线路电感和电阻时串联和并联谐振 负载电路的电路图如图2 4 2 5 所示 o l j l 寸一卜 一 i h r l i 曩c t 见 i ji ji i u h月圭 图2 4 串联谐振负载电路拓扑图图2 5 并联谐振负载电路拓扑图 图中 i h 一负载电流u h 一一负载电压 厶 r 一一逆变器输出端到谐振电容间的线路电感 电阻 l r 谐振电容到感应线圈问线路电感 电阻 c 一谐振电容l r 一 感应线圈与负载耦合电感 电阻 图2 4 中 负载引出线的分布电感厶 和厶 的存在只能影响负载电路中的能量 分布 不会影响负载电路的结构 厶 和厶 较大时 通过减小感应线圈电感量l 就 可对负载电路电感进行调整 因此 串联谐振负载电路可以适当的增加电源和负载 的距离来减少负载高频电磁辐射对电源控制电路的影响 图2 5 中 分布电感厶 的存在可以通过减小感应线圈电感量l 进行调整 但厶 的存在不仅影响负载电路中的能量分柿 还会使负载电路拓扑结构发生变化 因此 该段线路不宜过长 并联谐振型逆变器对负载电路布线要求相对较高 3 从谐振电容的选择来看 并联谐振电路属于电流谐振 谐振电容电压较低 在提供无功能量 o 5 c u 2 一定的情况下 需较多电容并联 谐振电容成本增加 因此 一般需采用倍压电路 这无疑使负载电路相对复杂 串联谐振电路属于电压 谐振 谐振电容电压为谐振电压 qu h 在要求提供无功能量 定时 电容成本 相对较低 可有效降低电源成本 综合以上几点 采用串联谐振型逆变器结构研制i g b t 高频逆变电源 2 2 频率跟踪方法选择 对于感应加热电源来说 其负载等效电感l 和电阻r 都是随加热过程而变化的 因此 即使谐振电容c 不变 负载固有谐振频率f 也是变化的 为了保证逆变器始 终工作在谐振或准谐振状态 就要求逆变器的触发脉冲频率f 也随之变化 这种变 华北电力人学硕十学位论文 化必须自动进行 手动调节是跟不上的 即逆变器必须具有频率跟踪功能 逆变器 的频率自动跟踪功能必须采用自激触发方式 那就是用逆变器输出电压 电流等物 理量作为同步信号 产生触发脉冲 使逆变器稳定的工作在谐振或准谐振状态 实 现频率跟踪的方法较多 主要有 r c 进相法 定角控制 电压电流信号交角等 1 r c 进相法 是各种频率跟踪方法中最简单的 种 该法通过互感器采样 负载谐振信号 并经过r c 网络进相 获得超前谐振信号 定角度口或列问t 的触 发信号 其中 卿陀喀等钏阳t g2 去 式z 叫 铲詈 式2 2 调整r c 网络参数r c 值 即可获得不同的移楣角 保证所要求的进楣角度或时糟j 实现频率跟踪和功率因数角控制 从式2 1 可以看出 逆变器触发脉冲超前负载 谐振信号的相角是随频率变化的 即逆变器的功率因数角随负载谐振频率变化 在 大频率范围跟踪时 逆变器输出的功率因数变化也将很大 逆变器功率因数角增大 还会增加功率器件负担 引起其损耗增加 同时 该法存在阻容元件受温度影响及 线性度问题引起的控制精度问题 2 定角控制 是指在逆变器运行过程中保持功率因数角的恒定 一旦功率 因数角确定 就不再受负载电压与频率 电流大小的影响 定角控制法一般通过连 接在负载两端的变压器取得负载电压信号 以此产生超前脉冲来控制逆变器工作 脉冲的产生可采用差压法和锁相法来实现 所谓差压法就是测出负载电压的峰值电 压 并取其分压值与负载电压比较而确定超前角度 这种方法由于利用电容充放电 来达到定角目的 由于阻容元件受温度影响及线性度问题 因而精度很难得到提高 而锁相法则是利用锁频锁相技术固定超前角度 这种方法对频率和负载的适用范围 大且控制精度较高 是一种理想控制方法 目前该控制技术在国内基本上是空白 3 电压电流讯号交角法 利用互感器采样负载电压 电流信号 两信号相 减形成综合信号u c 以u c 的过零信号产生脉冲去触发逆变器的功率开关器件 该 法可通过改变电流采样信号 电压采样信号的相对大小改变逆变器触发脉冲相位引 前时问 电流电压取交角法存在着与r c 进相法类似的缺点 即逆变器功率因数 角随负载频率变化 在大频率范围跟踪时 随着跟踪频率的上升负载功率因数角口 会随之增大 可能造成逆变器功率器件损坏 因而在生产过程中必须不断调整电位 器参数以达到逆变器工作在最佳状态的目的 在更换负载而使得负载谐振频率有较 大变化时 也必须重新调整电流互感器电位器与电压互感器电位器参数 增加了电 源使用调试的复杂度 另外 在串联谐振逆变器突加负载时 反馈电压信号的突然 加大 使取得的引前时1 b j 很大 负载功率因数角也很大 对逆变器的安全造成威胁 华北电力人学硕十学位论文 综上所述 逆变器频率跟踪控制采用锁相法实现 23 功率调节方式选择 采用可控关断器件作为逆变器件的串联谐振型逆变器有多种不同的调功方式 常用的主要有调压调功和调频调功两大类 i 1 调压调功方式 调压方式分为直 流端调压和脉宽调压 直流端调压分为相控整流和斩波方 式 传统的感应加热电源 般采用相控整 流调压方式 通过控制晶闸管导通角控制 整流输出电压值 这种方式电路简单成熟 控制方便 主要缺点是在深控下网侧功率 因数低 动念确应慢 随着可控关断器件 u n u e 2 u u e 4 u 图2 6 脉宽凋压波形图 的发展 近年来斩波调压方式被应用于感应加热电源 斩波方式采用不控整流加 d c d c 变换改变整流输出电压值 这种方式具有网侧功率因数高 电压动态响应快 保护容易等优点 但受器件发展水平限制 电源功率一般都较小 而且直流变换环 节的加入 电源的可靠性将会降低 脉宽调压又称为桥内移相调压方式或单脉宽调制方式 调压原理是通过调节逆 变桥移相桥臂驱动信号与基准桥臂驱动信号的相位差而改变输出电压隙宽 输出电 压脉宽等于移相桥臂滞后基准桥臂的角度 逆变桥电路如图2 2 所示 桥臂驱动 脉冲波形和输出电压波形如图2 6 所示 其中u g l u e 4 为基准桥臂脉冲 u 9 2 u 邸 为移相桥臂脉冲 脉宽调压克服了相控和斩波调压的缺点 从理论上说是较为理想 的控制方式 但在实现上存在一定的困难 主要是频率的跟踪不易实现 负载不易 一直工作在谐振状态 2 调频讽功方式 采用可控关断器件的逆变桥可以工作在任馁负载情况下 也就是说逆变器可工作在任何频率 在负载等效参数r l c 一定的情况下 负 载阻抗随逆变嚣频率变化而变化 逆变器输出功率p 也随之变化 当逆变器频率等 于负载固有谐振频率时逆变器输出功率最大 调频方式不需调压环节 控制简单 缺点是在低功率输出时负载功率因数低 功率器件承受较大的无功能量交换 在开 关过程受较大电压或电流冲击 且功率器件损耗较大 由于电源样机功率较大 不宣采用斩波调压调功方式 而调频调功方式对功率 器件性能要求较高 为此 逆变器功率控制采用相控整流调压调功方式 2 4 功率器件的选择 9 华北电力人学硕一t 学位论文 功率器件的发展水平是限制逆变器发展水平的主要因素 纵观固态感应加热电 源的发展历史 其发震与进步与功率器件的发展息息相关 i g b t 逆变器高频化技 术研究的前提就是i g b t 器件的发展水平和发展空间 从第一章介绍的i g b t 器件 的发展与现状柬看 i g b t 在大功率 高频领域极其发展前途 经过对i g b t 器件 产品的调研 本文选用a p t a d v a n c e d p o w e r t e c h n o l o g y l 公司生产的 a p t g u l 8 0 a 12 0 型i g b t 其参数见表2 2 表2 3 表2 4 i s o l n i c1 1 1 a x i i 1 1 1 1r m l i n g sj 茛2 2 v 1 1 j i t 出t 一t 1 t o ll g t c a k d u nv t 矗t 3 2 r 1 2 t h 0 j 2 5 2 5 0 i l 1 t i i l t i l i 二c h l u r tc e n t l g o is o1 i c f pl i i c d t i i c c r l t l n j 2 5 一 1 6 j 0 v 埘 l l r it n t r lv f 砒l a i r t 士2 钻 n m i l r n 1 1 1l n c r1 i s x i p n 1 ml2 i t 4 l r l i l i c f l w s t l mtj p t r u l l l i p r g i卜1 5 t 1厶3 rj a t 婶n l j v d n a l n i cc h a r a c l e r i s l i c s 表卜3 c i n p u tc a p a c i t a r w k q v i 峙4 c 名 o t l l p u tc o t l n 0j l v 2l v i4 r n f f 腊 r e r s 2r r a n s f i z r a p a c i a n c c 卜i m iz 01 8 q n l t iq a t 2c t l a r 2 c v a t 1 5 v 日f l 1 j a t cl i m i t t c rc h a r g ev 洲 v1 1 n c j a t ec u l l e c m rc h a r g e 1 c 1 9 i l a j 7 二 k u r n 一 i k l r m t ei n d u c t 6 c s v d i n g 2 5 c i 6 t rr i s e m c v o i t i5 v 2 0 f 心 t u m o l l l1 c l a i1 1 1 c v j 6 0 0 v 9 1 i rl 矗il i m e l c is l r o 扰 4 1 l 刚 u r n o ns t t c h i n t m e t g i5 f 吐1 l i f o o n 讯 i t c h m gi 1 e r 9 30 7si t 订 t 讲 r l t l n n s u c h l n ln c r 9 3 守 4 j s i j t u m o nf e l a x r i m ei n d u c t i v es j x i l e h i n gl1 3 fj1 6 f r r 1 s cf i i il t v m 5 v 2 r l n 1 l i f o t i 1i c a x 21 1 c v n 舶v l4 7 i f i a l j c lc1 辩1 a i t 瓤l 7 5 l iu r n o i ls i t c h l n gj n c r g y jj t d lu r e l m 轧 i t c h i n gi i n c l 蛰o 匕r l n i i 讲 t l lr l o f fs u i t c h i n g 婴e 1 05 m ir a t i n g s q 2 5 cu n l p s so t h e r i s es p e c i f i e d 表z 一4 e l e c 1 1 c n lc h a r a e t e r i s t i c s l a c o l l e c l t n lt l n i l l crb r e a l d t h 1 o h a f 2 ev c n f vl c7 j f l a i i m jv o v 2 5 c 7 5 l i j c t s z e t t lg a l ev n t l f 州 i c u f r e ln l v f l v 卜1 2 5 7 5 1 0 t n u 1 5 7 1 2 5 c 39 扩 v c e c o i l t o rh j f l l v o l t u g c l f 8 l a 1j 1 2 5 3 f v t i t 1 1 i l cl h lc 寸1 l l d n i c l c li c 6i l l nr i t f o 辩f 川t ff 一k f l 州啦 v t 1 6 誓 v c t t t v 2 5 0n 华北电力人学硕十号 位论文 利用a p t g u l8 0 a 1 2 0 型i g b t 丌发5 0 k w 10 0 k h z 逆变电源的可行性分析如下 1 频率要求 从附录l 中可知 a p t g u l8 0 a 1 2 0 型i g b t 的丌关时问t 1 为 t j t d o n t r t d o m t f 1 6 n s 2 6 n s 1 4 7 n s 1 0 0 n s 2 8 9 n s 测试条件 v g e 15 v v c e 8 0 0 v l c 一1 8 0 a r g o 8 3 t 1 2 5 c i g b t 开关时间占逆变器工作周期的比例为 d 2 t 1 i 2 t f 2 2 8 9 1 0 9 1 0 0 1 0 3 00 5 8 5 8 可见 从丌关速度上讲 a p t g u l8 0 a 1 2 0 型i g b t 完全可满足1 0 0 k h z 逆变器的频 率要求 2 功率要求 在结温t 2 5 时 a p t g u l8 0 a 1 2 0 型i g b t 的额定电压 v c s 1 2 0 0 v 额定电流i c s 1 8 0 a 串联谐振型逆变器功率器件承受的证反向电压 为逆变器直流输入电压与线路寄生电感产生的感应电压之和 为避免i g b t 过压损 坏 i g b t 电压一般留有2 3 倍裕量 因此 逆变器直流输入电压选定为4 5 0 v 逆变器输出电压基波u a b 为 u 2 4 2u 2 z 2 4 5 0 4 0 5 v hm 则逆变器的输出电流为 一 丘 l2 5 u c o s p 4 0 5c o s l0 此时 i g b t 的电流裕量为18 0 1 2 5 i 4 所阻a p t g u l8 0 a 1 2 0 型i g b t 可满足5 0 k w 逆变器的功率要求 3 功耗要求 从第三章串联谐振型逆变器工作原理分析中可知 功率器件的开 关损耗主要是通态损耗和关断损耗 逆变器功率因数角 般控制在1 0 左右 这里 取1 0 则逆变器关断时电流i o f f 为 k 4 2 i h s i n l 0 4 2 1 2 5 xs i n l 0 3 i a 查附录1 中t u r n o f f e n e r g yl o s sv sc o l l e c t o rc u r r e n t 曲线 此时i g b t 的关断损耗最 大为5 m j 逆变器工作频率为1 0 0 k h z 时 i g b t 的关断损耗p l 为 p 5 x 1 0 3x 1 0 0 x 1 0 3 5 0 0 w 通态损耗p 2 为 只 f h 3 3 x 1 2 5 4 1 3 w 则 g b t 的功率损耗p d p l p 2 5 0 0 4 1 3 9 1 3 w 从附录i 中可知 i g b t 最大允许 功耗为1 0 1 4 w 在以上设计的工作状态下 i g b t 功耗完全满足要求 华北i 乜力人学硕十学位论文 第三章串联谐振型逆变器控制与保护技术 3 1 串联谐振型逆变器工作状态分析 利用可控关断器件 如i g b t m o s f e t 作开关器件的感应加热逆变器从理 论上讲共有三种工作状态 容性状态 感性状态 阻性状态 对于串联谐振型逆变 器 当逆变器工作频率f f o 时 逆变器工作于感性状态 逆变器工作于不同状态时 功 率器件的换流方式各不相同 并因此使逆变器具有不同的安全性能 下面对串联谐 振型逆变器的三种工作状态分别进行理论和仿真分析 3 1 1 理论分析 串联谐振型逆变器工作于阻性状态时 功率器件在换流时承受的电压和电流冲 击最小 但阻性工作状态只是一个是理想的工作点 实际中难以控制实现 而且 当逆变器负载发生突变时 逆变器很容易偏移到容性工作状态 串联谐振型逆变器工作于容性状态时 负载电流i 超前于负载端电压u a b 见 图2 2 t 1 t 3 开通后 u a b 为正 负载电流i 正向流通 当1 过零变负后 d d 3 承担续流任务 t i t 3 关断 由于d i d 3 正在导通 t 2 t 4 承受正向电压 t 2 t 脉冲到来后开通 d j d 3 承受反压关断 反向负载电流i 完全转移到t 2 t 4 中 在这 过程中 t l t 3 为零电流关断 关断损耗几乎为零 d l d 3 为零电流开通 开通损耗为零 d 1 d 3 中电流转移到t 2 t 4 中时 t 1 t 3 和d i d 3 承受浪涌电压 冲击 t 2 t 丌通电流不为零 需承受电流和浪涌电压冲击 存在开通损耗 在换 流过程中 电流转换发生在异臂器件之间 二极管反向恢复电流的存在有可能引起 桥臂直通 导致电压型电源短路 因此 工作于容性状态时 逆变器对二极管反向 恢复时闯要求较高 在高频逆变器中尤其重要 串联谐振型逆变器工作于感性状态时 负载电压u b 超前于负载电流i 在t t 3 导通期间 u a b 为 f 电流i 也正向流动 t t 3 关断后 电流仍正向流动 由 d 2 d 4 承担续流任务 这时负载电压u b 反向 t 2 t 4 承受二极管的导通压降 t 2 t 4 脉冲到来后 由于d 2 d 4 渡过正向负载电流使t 2 t 4 不能导通 负载电流过零 变负后 t 2 t 4 以零电流开通 在这 过程中 t 2 t a 为零电流导通 开通损耗几 乎为零 t l t 3 为小电流关断 关断电流的大小取决于功率因数兔的大小 t j t 关断过程中承受浪涌电压冲击 但当逆变器工作在感性准谐振状态时 浪涌电压较 小 可由阻容吸收电路吸收 感性工作状态的换流过程发生在同臂器件之间 可以 华北电力人学硕十学位论文 有效的避免因续流二极管的反向恢复电流引起的电源短路 3 1 2 仿真分析 通过理论分析知道 串联谐振型逆变器可实现感性和容性两种工作状态控制 本文利用p s p i c e 仿真软件对这两种工作状态进行了仿真分析 确定了串联谐振型逆 变器适宜的工作状态 仿真电路图如图3 1 所示 图3 1 串联谐振型逆变器仿真电路图 州v s l 十 一v 惦l 一 v 褂i v n 2 一 p 勺 p o b 二f 乜一二 图3 2 容性工作状态驱动脉冲波形和负载电压电流波形 图3 3 容性工作状态i g b t 电流波形和二极管电流波形 华北电力人学硕十学位论文 逆变器工作在在容性状态时 负载参数为 c 0 0 9 u f l 40 5 2 3 u h r 1q 驱动脉冲和负载电压电流仿真波形见图3 2 i g b t 及萁反并联二极管电流波形见 图3 3 由图3 2 3 3 可以看出 容性工作状态负载电流超前负载电压 换流 流顺序为t 1 t 3 一d 1 d 3 一t 2 t 4 一d 2 d 4 一t l t 3 i g b t 工作在非零电流丌 通 零电流关断状态 二极管工作在零电流开通 非零电流关断状态 换流时续流 二二极管和i g b t 需承受较大电流冲击 逆变器工作在感性状念时 负载参数为 c 0 1 1u f l 4 0 5 2 3 u h r 1q 驱 动脉冲和负载电压电流仿真波形见图3 4 i g b t 及其反并联二极管电流波形见图 3 5 由图3 4 3 5 可以看出 感性工作状态负载电流滞后负载电压 换流顺 序为t i t 3 一d 2 d 4 一t 2 t 4 一d l d 3 一t l t 3 i g b t 工作在零电流开通 非 零电流关断状态 二极管工作在非零电流开通 零电流关断状态 换流时续流二极 图3 4 感性工作状态驱动脉冲波形和负载电压电流波形 图3 5 感性工作状态i g b t 电流波形和二极管电流波形 理论分析和仿真分析证明 串联谐振型逆变器工作在容性状态时 i g b t 和二 极管承受电流冲击 换流过程中对二极管的快恢复特性要求较高 因此 应尽量避 免逆变器工作在容性状态 工作在感性状态时 i g b t 和二极管无电流冲击 无丌 华北电力人学硕 学位论文 通损耗 关断损耗取决于功率因数角 换流过程中对二极管的快恢复特性要求不高 因此 逆变器i l 丁以安全工作在感性 状态 在实际装置中 负载谐振频率是变化的 当负载频率变化速度超过频率跟踪控制电路动作速度时 逆变器工作状态可能偏移 到容性工作状态 为避免这一现象的发生 逆变器功率因数角选大些为好 但由于 逆变器开关器件的损耗与功率因数角有关 功率因数角越大 器件丌关损耗越大 同时受到的浪涌电压冲击也会增大 权衡两个因素 最后确定i g b t 串联谐振型逆 变器工作在感性准谐振状态 功率因数角控制在1 0 左右 3 2 逆变器控制电路组成 厂 j 波形变换卜 1i 巳流检测卜 ll 起动控制 1 o 一 l 磊习 呖嘲 錾阐趋巫巫卜区匦弘题玉 l j i v f 需骶 两两再 l 一 曩籀态 蔷i g b t 厂 虫 兰兰竺 i 控制 驭厂一 玉兰吐 j 功年u 齄 一保护环肖i 流控谁q 卜卜 一其他保刍叶占叶 图3 6 逆变器控制系统框图 逆变器控制电路主要由锁频锁相电路 相位补偿电路 死区形成电路 保护电 路 驱动电路组成 完成锁频锁相 相位补偿和逆变器工作状态控制 死区形成 逆变器保护 i g b t 驱动的功能 串联谐振型逆变器控制系统框图如图3 6 所示 3 3 锁频锁相原理 感应加热电源在加热过程中 被加热工件的物理性质 电阻率 导磁率等 会 随温度的升高而不断变化 从而引起负载电路固有谐振频率随之变化 从本章第一 节逆变器状态控制分析中可知 逆变器工作频率与负载谐振频率的不同关系对应着 逆变器的不同工作状态 为了保证串联谐振型逆变器在设定的安全工作状态下工 作 逆变控制电路必须具有频率自动踩踪功能 以跟随负载谐振频率变化 另外 由于逆变器开关器件的损耗与功率因数角有关 因此希望控制逆交器负载功率因数 角在要求的范围内 即希望逆变控制电路能实现相位锁定 锁频锁相电路就是实现 频率跟踪和相位锁定功能的控制电路 锁频锁相电路一般采用锁相环 p h a s el o c kl o o p p l l 实现 锁相环由鉴相 器 p h a s ed e t e c t o r p d 环路滤波器 l o o pf i l t p r l f 压控振荡器 v o lr a g e c o n t r 0 1 e do s c i l l a t o r 一v c 0 三个基本部分组成 华北电力人学硕十学位论文 3 3 1鉴相器 鉴相器是一个相位比较装置 用来检测输入信号0 t 和反馈信号e t 之间 的相位差o t 它的输出是与0 t 成函数关系的误差信号l l t f 0 t 鉴 相特性f 0 t 可以是多种多样的 有 f 弦特性 三角特性 锯齿特性等等 由 于三角鉴相特性线性范围宽 实现简单 所以本文采用三角鉴相特性 ilii 厂 厂 一 一7 厂 广 厂 厂 uouj f h t u 2 t u f oo1 j0l0 l 0o i 1l1 图3 7 同或门鉴相器 a 原理图 b 波形 c 真值表 三角鉴相器可用门鉴相器和低通滤波器串接构成 门鉴相器是一种电平触发型 数字鉴相器 以异或门 同或i 和或门鉴相器为代表 他们对两个相比脉冲的占 空比都有一定要求 异或门 同或门 鉴相器 与或门鉴相器比较 其鉴相特性斜率大了一倍 输出信号频率也大一倍 故经过低通滤波器后 u i t 纹波较小 所以 本文采用同或门鉴相器 图3 7 给出了同或门鉴相器的原理图 工作波 形与真值表 假设u t u t 两个方波信号的周期相 同 相差为0 占空比为l l 分析可得同或 门鉴相器的输出平均误差电压为 最 一u m 一 万 堡一2 j o 眈墨巧 玎 矽 s2 刀 根据式3 一l 可以画出同或门鉴相器的鉴相特性 同或门鉴相器的鉴相特性斜率为 弘 争 u d j i 莎 一3 耳一2 石一丌 石2 玎 3 露 眭 图3 8 同或门鉴相器鉴相特性 式3 一l 如图3 8 所示 从图中可以得出 式3 2 掣 华北l 乜力人学硕十学位论文 3 32 环路滤波器 环路滤波器的作用是滤除误差电压u t 中的高频分量和噪声 以保证环路所 要求的性能 增加系统的稳定性 环路滤波器具有低通特性 它可咀起到鉴相器中 低通滤波器的作用 更重要的是它对环路参数调整起着决定性的作用 常用的环路 滤波器有r c 积分滤波器 无源比例积分滤波器和有源比例积分滤波器三种 其电 路形式 传递函数见表3 1 表3 1 r c 积分滤波器无源比例积分滤波器有源比例积分滤波器 上 r i r c 广 o t r 一卜 电路形式 r t 耻nj 蹦 u f u diu 1c