（电力电子与电力传动专业论文）基于三阶谐振变换器的高频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 i l i st h e s i sr e s e a r c h e s h i g hf 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 yb a s e do n t h r e e - o r d e rr e s o n a n tc o n v e r t e ra n di n t r o d u c e si t sb a s i cp r i n c i p l e ，t h et r e n do fi t sf u t u r e ， i n c l u d i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ec o n v e r t e r ，t h ec o n t r o lm e t h o da n da l s ot h es o f t w a r ea n d h a r d w a r ed e s i g n t h et o p o l o g y ，t h em a t h e m a t i cr e l a t i o n s h i pa n dp a r a l l e lc o n n e c t i o no ft h et h r e e - o r d e r c o n v e r t e ra r e d e e p l ys t u d i e d t h ep a r a l l e lc o n n e c t i o nc h a r a c t e r i s t i c i s m a i n l ys t u d i e d ， i n c l u d i n gi t st h e o r e t i ca n a l y s i sa n ds i m u l m i o n t h ep o w e rm o d u l a t i o na n ds p l la r es t u d i e d t h et h e s i sd e s i g n st h eb u c kc h o p p e r v o l t a g ed o u b l ec l o s e d l o o pp o w e rm o d u l a t i o nb a s e do nf u z z yc o n t r o lt h e o r ya c c o r d i n gt ot h e c h a r a c t e ro ft h ec o n v e r t e r a f t e ri n t r o d u c t i o no ft h et r a d i t i o n a lp l lm e t h o d ，t h et h e s i sa l s o d e s i g n st h es p l lb a s e do nd s pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e ro ft h 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 t h ea r i t h m e t i ca n df l o wc h a r to ft h ed e s i g na r e a l s or e s e a r c h e d 1 1 1 et h e s i sd e s i g n st h ec o n t r o lc i r c u i t p r e f e r e n c e sc a l c u l a t i o na n dt h ed r i v i n gc i r c u i to f p o w e rm o s f e ta n di g b t a f t e rt h a tt h i st h e s i sd o e ss o m ee x p e r i m e n t so nt h 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 , w i t h10k h zf r e q u e n c yf o rt h ec h o p p e ra n d30 0 k h zf r e q u e n c yf o r t h ei n v e r t e r a tl a s t ，t h es i m u l a t i o n ，s o f t w a r e ，h a r d w a r ea n da l s ot h e e x p e r i m e n t mr e s u l t sa r ea l lp r e s e n t e di nt h i st h e s i s k e y w o r d s ：i n d u c t i o nh e a t i n g ，3 - o r d e rr e s o n a n t ，p o w e rm o d u l a t i o n ，s p l l ， i i 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：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： ) 丧 善 v 蝴乒 第一章绪论 第一章绪论 1 8 3 1 年法国科学家法拉第提出了著名的电磁感应定律；1 8 3 4 年，楞次提出了楞次 定律；1 8 6 8 年f o u c a u l t 提出了涡流理论；其后h e a v i s i d e 提出的铁芯中电流的感生论 述了能量由绕阻向铁芯传输的问题，奠定了感应加热的理论基础。【1 】感应加热具有较高 的生产率和经济效益，工艺先进，几乎无环境污染、可控性好及易于实现生产自动化等 优点，在铸造熔炼、锻造毛坯加热、钢管弯曲、金属表面热处理、焊接、粉末冶金甚至 容器封口及光纤拉晶等领域获得了广泛的应用。本章系统介绍了感应加热技术的发展历 程，目前国内外感应加热电源的研究现状，并总结高频加热电源的发展趋势。最后介绍 本文的选题意义及主要研究内容。 1 1 感应加热技术概述 感应加热是利用处在交变磁场中的导体内产生的涡流和磁滞损失作用于金属而引 起热效应，在很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。在导 体中流过电流时，在它的周围便同时产生磁场。通过的电流为直流时，产生的磁场是固 定的，不影响导体的导电性能；而通过交流电时，产生的磁场也是交变的，会引起集肤 效应，使大部分电流向导体的表面流通，即有效导电面积减小，电阻增加。交流电流的 频率愈高，集肤效应就愈严重。由焦耳定律可知，由于电阻增加，使导体的发热量增加。 同时，由于电流沿表层流通，热量集中于导体的表层，因此可利用高频电流对导体的表 层进行局部加热。同样，在高频电流通过相距过近的导体，或者将直导体变成圆环、绕 成线圈时，其电流密度也会发生相应变化，引起所谓邻近效应和环形效应。当导体中通 过交变电流时，导体周围形成交变磁场，磁场的强弱直接与电流强度成正比。如果将材 料放在高频磁场内，磁力线同样会切割材料，在材料中产生感应电动势，从而产生涡流。 涡流也是高频电流，同样具有高频电流的一些性质。由于材料具有电阻，结果使材料发 热，利用感应涡流的热效应进行加热，叫感应加热。【2 】 如图卜1 所示，当感应线圈上通以交变的电流时，线圈内部会产生相同频率的交变 磁通，根据法拉第电磁感应定律：当通过导电回路所包围的面积的磁场发生变化时，此 回路中就会产生感应电势，当回路闭合时，则产生电流，电流的强度由表层向内层梯度 减小。由焦耳楞茨定律，电流作用于存在电阻的金属，产生热量。【2 】 交燮磁场 金属z 件 图1 - 1 感应加热示意图 f i g l 一1t h es c h e m a t i co fi n d u c ti o nh e a ti n gp o w e rs u p p l y 当感应线圈上通过上述交变电流f 时，线圈内部会产生相同频率的交变磁通妒，根 据电磁感应原理，交变磁通妒将会在金属工件中产生感应电势e 。由m a x w e l l 电磁方程 式，感应电动势e 的大小为： e ：n 哩 d f ( 卜1 ) 式中n 是线圈匝数，交变磁通妒是按正弦规律变化的，则有： 缈2 肘s i no t ( 卜2 ) 式中为交变磁通的最大值，则可得到感应电动势为： p = 。c o s o ) t ( 1 3 ) 因此感应电动势的有效值为： e ：2 , n 7 f n _ o r , , ：4 4 4 n f o 。( 1 - 4 ) 式中f 为交变电流的频率。在金属导体横截面内产生的涡流j ，与感应电动势和涡流 回路的阻抗z 相关： ，：墨：喜( - a )，= 一= f 2 = = = k l j z 0 辩+ x t 式中： r ：涡流回路等效的电阻( q ) a 己：涡流回路等效的感抗( q ) 感应加热电源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： 。，、，、，2 。4 7 3 n 2 f 2 m 2 r p = o 2 4 ，厂r = 1 r ( 1 - 6 ) 式中： p ：涡流作用在加热工件上所产生的热量( w ) 1 ，：电流有效值( a ) 感应加热过程实际是电磁感应生热并且热传导的过程，在这一过程中电磁感应生成 热量是主导，并且在一定程度上影响热传导的作用。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：【3 】 ( 1 ) 具有精确的加热深度和加热区域，可以加工形状复杂的工件； ( 2 ) 加热效率高、速度快，可减小表面氧化现象，工件表面脱炭较轻； ( 3 )加热温度由工件表面向内部传导或渗透； ( 4 )采用非接触式加热方式，在加热过程中不易掺入杂质； ( 5 )热辐射、噪声和灰尘少，节能环保； 2 第一苹绪论 ( 6 )自动化程度高，产品质量稳定，可以频繁的停机和启动； ( 7 )表面淬火后工件表层有较大压缩内应力，工件抗疲劳破断能力较高。 感应加热热处理也有一些缺点。与火焰淬火相比，感应加热设备较复杂，而且适应 性较差，对某些形状特别复杂的工件难以保证质量。 固态感应加热电源是感应加热装置的关键设备之一，它的作用是利用电力电子器件 将工频交流电能转换为加热工件所需的高频交流电能。固态感应加热电源一般由整流 器、直流滤波电路、谐振逆变器、负载谐振槽路和控制电路等部分组成，各部分相对独 立但又紧密联系，其电路拓扑结构如图1 - 2 所示。【4 】 ( 1 )整流环节； ( 2 )直流滤波环节； ( 3 ) 谐振逆变器环节； ( 4 )谐振槽路环节； ( 5 )控制、驱动及保护环节 在应用领域方面，感应加热主要是应用于机械加工工业中，如金属熔炼、透热、热 处理和焊接等过程，目的是提高这些工件的耐磨性和抗疲劳破断的能力，感应加热己成 为冶金、国防、机械加工等部门及船舶、飞机汽车制造业等不可缺少的加热方法；其次， 在半导体生产加工工艺中，感应加热被用于半导体器件的区域提纯，单晶生长和掺杂； 感应加热也广泛应用于电视显像管和阴极射线管制造中的排气和密封收缩贴合工艺过 程。此外，感应加热己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 水器等都是可以用感应加热作为加热手段。可见，感应加热技术已得到越来越广泛的应 用。 k缸肌鼯pf册舯 图1 - 2 感应加热原理框图 f i 9 1 2t h es c h e m a ti co fi n d u c ti o nh e a ti n gp o w e rs u p p l y 1 2 感应加热的发展状况和趋势 1 2 1 国外感应加热电源发展状况 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 江两大学硕士学位论文 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 1 0 0 5 0 0 k h 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 0 k h 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 k h z ，德国的电子管高频电源水平约为ll o o 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；德国e f d 公司已达到1 0 0 0 k w 3 0 0 k h z ，1 2 0 k w 5 m h z 的水平。在高频应用方面，日本采用大容量高频器件s i t 技术比较成熟，做了很多s i t 感应加热电源的研究工作。但s i t 元件价格较高，导通时压降高，因此效率相对于其 他可控元件偏低，除日本以外较少有s i t 高频产品问世。【5 儿6 j 【7 j 在超音频( 1 0 一l o o 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 i 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i g b t 应用最为普遍，这是因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。1 8 儿9 j 在中频( 1 5 0 h z - l o 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 rh e a t 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 h z 产品。【1 0 j 【l l 】 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。 1 2 2 国内感应加热电源的发展状况 我国感应加热技术从5 0 年代开始就被广泛应用于工业生产当中。在机床制造、纺织 机制造、汽车、拖拉机工业等部门应用最早，当时的感应加热技术，绝大部分来自于前 苏联。5 0 年代末，我国自主开发出了电子管式高频电源与机械式中频发电机。6 0 年代末 我国开始研制晶闸管中频电源。改革开放以来，感应加热技术己应用到我国工业的各个 部门，到目前已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。【1 2 】 在高频电源方面，s i t 电源和m o s f e t 电源是取代电子管高频电源的主要方向。通过 技术引进，国内已有s i t 电源产品问世，9 0 年代初辽宁电子设备厂研制成功8 0 k w 1 5 0 k h z 的s i t 高频感应加热电源产品，1 9 9 6 年天津高频设备厂和天津大学联合开发的 7 5 k w 2 0 0 k h z 的s i t 高频感应加热电源产品代表了国内s i t 电源的最高水平。由于m o s f e t 4 第一苹绪论 的容量较小，提高高频电源的容量需要多个m o s f e t 并联或者逆变器并联，需要相应的电 力电子技术和控制技术作为基础，研究成果多集中于国内院校，如浙江大学研制的 2 0 k w 3 0 0 k h z 的m o s f e t 高频电源样机，江南大学本世纪初研制的1 k w 2 删z 的m o s f e t 超高 频电源样机等。江南大学已经开发出2 m h z 1 k w 的超高频感应加热电源，应用到钢丝表面 处理之中。国内现阶段的m o s f e t 电源总体上仍处于研究阶段。【1 3 】【1 4 】【1 5 】 在超音频领域的研究工作八十年代已经开始。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了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。1 9 9 5 年浙江大学研制完成了5 0 k w 5 0 k h z 的 i g b t 超音频电源已经通过浙江省技术鉴定。1 9 9 6 年北京有色金属研究总院和本溪高中频 电源设备总厂共同研制完成了l o o k w 2 5 k h z 的i g b t 超音频电源产品，是国内较早的超音 频感应加热电源产品。2 0 0 3 年浙江大学三伊公司研制成功l o o k w l o o k h z 的i g b t 固态电 源。总的来说，国内目前的超音频电源研制水平大致为5 0 0 k w 5 0 k h z ，与国外的水平相 比还有一定的差距。1 1 6 j 1 2 3 固态感应加热电源的功率调节、拓扑结构及控制技术研究现状 ( 一) 固态感应加热电源的功率调节 对于固态感应加热电源的功率调节方式来说，目前主要分为：整流器侧功率调节和 逆变器侧功率调节两类。中小功率的固态感应加热电源一般采用逆变器侧功率调节以简 化主电路，而对于中大功率的固态感应加热电源，主要采用整流器侧功率调节以使谐振 逆变器获得最佳的工作性能。 1 、整流器侧功率调节 整流侧功率调节即调整整流输出电压，调整整流电路输出电压的方式大致有两种， 一种采用晶闸管全控整流，另一种是经不控整流后用斩波器进行调压【1 7 】。 晶闸管全控整流功率调节通过调整晶闸管的导通角，从而调整整流电路输出电压( 或 电流) 的大小来调整负载功率。采用晶闸管全控整流，当控制角较大( 即深控) 时，电路 的功率因数很低，换流的过程中电流出现畸变，对于电网的污染较为严重，而且故障出 现时动态响应比较慢。 不控整流加斩波调压功率调节通过斩波环节，调整整流电路输出电压的大小来调整 负载功率，负载就通过锁相措施让逆变器工作在谐振或者接近谐振的工作频率处。该模 式采用不控整流方式，大大降低了系统对供电电网的干扰，且提高了功率因素；对于斩 波主开关器件工作在硬开关状态的问题，可以加入软开关措施解决。因此，本课题选择 此种功率调节方式。 2 、逆变器侧功率调节 目前中小功率应用领域常采用不可控二极管整流，功率调节则通过对谐振逆变器的 控制或通过直流降压斩波器来完成。逆变器侧功率调节的控制策略灵活多样，比如文献 1 8 、 1 9 提出了脉冲密度功率控制( p d m ) 方法，该方法的突出优点是电源侧的输入 功率因数较高、易于数字化实现，还克服了脉宽功率调节( p w m ) 、调频功率调节( p f m ) 、 移相功率调节( p s m ) 等方法的缺点，改善了功率器件的换流条件。其主要不足是电源 江南大学硕士学位论文 的功率调节是分级脉动的，难以连续调节输出功率，并且当功率调节比例较大时，电源 的输出功率波动较大，所以比较适合大惯性负载。 文献 2 0 提出了一种新颖的非对称补偿的移相功率调节控制方法( a v c ) ，该方法 克服了目前已有的逆变侧功率调节方法如p w m 控制、移相控制( p s m ) 等难以保证开 关器件z c s z v s 的缺点。但是，该控制方法的逆变器输出波形不好，易产生较大的电 磁干扰，并且控制相对复杂，比较适用于负载谐振频率变化不大的中小功率场合。 ( 二) 谐振逆变器的拓扑结构 谐振逆变器是固态感应加热电源中最重要的组成部分，它通过负载谐振槽路来创造 功率器件的零电压开关( z v s ) 或零电流开关( z c s ) 条件，所以其开关损耗相对于脉宽 调制( p 1 】l m ) 的硬开关模式要小的多，其开关频率可以得到更高的提升以满足被加热负 载的需要。谐振逆变器的电路拓扑结构千差万别，没有一种固定的模式。在拓扑结构的 选择上，主要考虑电源容量的大小、谐振频率的高低、电源的成本等因素。为了降低电 源的成本和复杂程度，小功率感应加热电源的拓扑结构多为单管结构【2 l j 瞄j 或双管结构 2 3 1 1 2 4 1 ，这两种拓扑结构在功率级别为几个千瓦的开关电源和家用电器中有着广泛应用。 双管谐振电路比单管谐振电路有更大的灵活性，可以在功率容量、功率调节方式和直流 利用率上有更大的选择空间，其拓扑结构多种多样，广泛应用于电磁炉、电磁热水器等 中小功率应用领域。在大功率感应加热电源中，新的拓扑创新并不多，目前采用的几乎 都是单相h 桥结构，国内外学者的研究热点主要集中在对其控制和保护方面。从谐振槽 路和谐振逆变器的结构特点上来分，谐振逆变器主要分为电压型( 串联谐振) 和电流型 ( 并联谐振) 两种。本文将在第二章中详细分析比较。 虽然近年来也不时有一些新的拓扑结构出现，但基本上是以h 桥电压型或电流型结 构为原型的改进或是组合，拓扑上并没有实质的突破，其实际使用效果也有待进一步验 证。 ( 三) 固态感应加热电源的控制技术 由于固态感应加热电源的晶闸管相控整流器的控制技术已经非常成熟，所以固态感 应加热电源的控制目前主要集中在对其谐振逆变器的控制上。为了改善谐振逆变器的器 件换流条件、提高电源的输出功率因数，谐振逆变器应工作于准谐振状态【4 j ，因此逆变 控制电路需采用锁相电路对负载的固有谐振频率进行动态跟踪。目前逆变锁相控制方法 主要分为：定时控制【2 5 j 和定角控制【2 6 】两种。由于这两种控制方法都没有考虑负载变化对 逆变开关器件换流状态的影响，所以当负载变化范围较大时，其控制效果将会变差，采 用数字化智能控制是逆变锁相控制的一种有效手段。 固态高频感应加热电源由于工作频率高、保护电路要求严格，普通的微处理器在处 理速度上难以胜任，所以目前一般采用模拟控制或数模混合控制电路【z 。但模拟电路存 在诸多固有缺陷，若用数字化控制代替模拟控制，不仅可以常规模拟调节器难以克服的 缺点、便于通过程序软件的改变方便地调整控制方案和实现多种新型控制策略，而且还 可以减少元器件的数目、简化硬件结构，从而提高系统的可靠性。数字化控制也有助于 实现固态高频感应加热电源运行的智能化。 6 第一苹绪论 随着电子技术的发展，数字化控制技术也经历了由低端的单片机到高端的d s p 、f p g a 或a s i c 等的发展历程。低端单片机( 如5 1 系列) 由于指令处理速度的限制，很难满足 高频逆变控制电路的要求，目前主要用作数字显示和通讯等外围功能。数字信号处理器 ( d s p ) 是近年来迅速崛起的新一代可编程器件，与单片机相比，d s p 具有更快的c p u 、 更高的集成度和更大容量的存储器，因此d s p 在很多应用领域得到了广泛的应用，主要 完成主电路控制、系统实时监控及保护、系统通信等功能。 ( 四) 负载谐振槽路的拓扑结构 感应加热电源的感应器和负载可以等效为电阻和电感的组合，一般把由感应器、负 载、谐振电容构成的电路称为谐振槽路，其形式多种多样，最常用的为二阶谐振槽路【2 8 】 和三阶谐振槽路【2 9 1 。高阶谐振槽路【3 0 】【3 1 1 可以看作是由基本的二阶谐振槽路组合而成的 复合谐振电路，由于这种电路的谐振频率点多、设计复杂、锁相电路设计困难，因此在 大功率电源中应用较少。常用的二阶谐振槽路有：l c 串联谐振槽路和l c 并联谐振槽路； 常用的三阶谐振槽路有：c c l 谐振槽路和l l c 谐振槽路2 9 】【3 们 3 1 1 。本文将在第二章详细分 析。 1 2 4 固态感应加热电源的发展趋势 当前感应加热电源技术的研究重点： ( 1 )提高开关频率的同时，降低器件开关损耗； ( 2 )提高开关频率的同时，降低寄生参数对电源工作状态的影响； ( 3 )在提高电源容量的前提下，使逆变器输出电压低于l k v ，保证不需要串联过 多器件而产生均压困难； ( 4 )电源功率调节方式简洁，同时不会提高开关损耗。 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【3 2 】： ( 1 ) 高功率因数、低谐波 由于固态感应加热电源一般功率都很大，传统的晶闸管相控整流器会对电网造成严 重的谐波污染。随着电网对用户的功率因数和谐波污染指标的要求越来越严格，具有单 位功率因数、低谐波污染的p w m 整流器将会得到越来越广泛的应用，“绿色 固态感 应加热电源必将成为今后的发展方向。 ( 2 ) 高频化 目前工业加热领域对固态高频感应加热电源的需求很大，但是由于目前电力电子器 件制造水平的限制，固态高频感应加热电源在高频段还难以完全替代电子管电源。另外， 固态高频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 蔽以及驱动电路均有许多特殊要求。因此，实现固态感应加热电源的高频化仍有许多技 术问题需进一步研究。 ( 3 ) 大容量化 在电力电子器件的制造水平尚未有本质突破的情况下，固态感应加热电源的大容量 化只能从电路的拓扑结构和控制方法上寻找解决方案。多台电源的串、并联技术是在器 7 江雨大学硕士学位论文 件串、并联技术基础上进一步实现电源装置大容量化的最有效手段。但是，器件的串、 并联必须妥善解决器件的均压和均流问题，这对器件的筛选、缓冲电路以及电源的布局 布线要求非常严格。由于m o s 管的单管电压和电流容量较小，当制作高频大功率电源 时不得不采用多管并联、多桥并联结构，对固态高频感应加热电源的工艺布局要求很高。 同时，电源的驱动电路和保护电路也变得非常复杂，电源的维护也比较困难。 ( 4 ) 负载匹配 感应加热电源多应用于工业现场，它的负载对象各式各样。而谐振逆变器与负载是 一有机的整体，负载匹配与否直接影响到电源的有效利用率和运行可靠性。对于采用匹 配变压器作为负载匹配手段的电源装置，如何实现匹配变压器的高效率，从磁性材料选 择到绕组结构的设计已成为重要课题。另外，以三阶谐振电路代替二阶谐振电路以实现 高效、低成本阻抗匹配也是一种非常有效的手段，这种拓扑的研究目前已经成为研究热 点。 ( 5 ) 数字化、智能化控制 随着固态感应加热电源自动化控制程度以及对电源可靠性要求的提高，固态感应加 热电源正向数字化、智能化控制方向发展。采用高性价比的数字化控制电路不仅可以充 分发挥微处理器的实时数据处理能力，而且可以克服模拟控制电路元件易老化、温度漂 移、对电磁噪声敏感等缺点，还可以实现电源工作状态的实时监测和控制，确保电源的 高效稳定运行。此外，具有计算机智能接口、远程控制、故障自动诊断等功能的固态感 应加热电源必将成为下一个发展目标。 1 3 本文研究的意义及主要内容 1 3 1 本文研究的意义 固态高频感应加热电源在现代工业中有着广泛的应用和很大的市场需求，提高固态 感应加热电源的综合性能对于提高加热效率、节约能源、提高产品质量有着非常重要的 意义。虽然国内外学者对高频感应加热电源的拓扑结构、控制技术等方面进行了广泛而 深入的研究并取得了大量研究成果，但还是有许多问题尚未解决，在理论上和技术上仍 存在很大的研究空间。固态感应加热电源是由整流器、谐振逆变器、谐振槽路及控制电 路构成的统一有机整体，提高电源的整体综合性能应从这几部分着手。 目前国内高频感应加热电源的研制己取得长足的进步，但是，随着频率的提高，感 应加热的研制又遇到很多问题亟待研究，例如如何改善开关器件在高频下的开关环境， 使逆变器在现有器件的条件下提高工作频率：如何提高整机的容量，使其朝高频率、大 功率的方向发展：针对逆变桥输出功率调节现有的调节方式，如何达到集拓扑简单化、 高功率因数等优点于一身等。 高频感应加热电源在特种钢加工、管材加工、晶体加工、超导体热加工等方面都有 很广泛的应用。但现阶段国内高频感应加热电源多采用真空电子管振荡器电源，其它工 业发达国家以往也多采用电子管振荡电源实现高频大功率的应用。由于电子管电源具有 需要工频升压变压器，电源效率低( 6 0 - 7 0 ) ，电子管使用寿命短，在使用前需要预热 8 第一章绪论 等缺点，使得随着电力电子技术和固态高频器件s i t 、i g b t 和p o w e rm o s f e t 的发展，电 子管电源逐步被固态感应加热电源所取代成为可能。 由于具有效率高，器件使用寿命长开关损耗和通态损耗小，同时无噪声，启动方便 等优点，固态高频感应加热电源在研究领域受到越来越多重视。但由于s i t 电源价格偏 高，器件本身的导通损耗较大，以及现阶段m o s f e t 电源的容量限制，使得国内使用高频 设备的厂家大多数仍使用电子管振荡器电源。尽管电子管感应加热电源需要特别的输入 升压变压器，电源整体效率比较低，经济效益不高，但更换国外先进设备一次性投资很 大，很多厂家只能退而求其次，接受这个现实。因此研究半导体固态高频感应加热电源 在国内有很紧迫的现实意义。 具有调频控制输出电压不受宽电压输入时占空比缺失的影响、高频工作时能够克服 变压器漏感影响较大的弊病、在效率较高和在空载时变换器仍能对输出电压保持调节作 用等特点的三阶谐振变换器，近几年在提高开关频率、减小电力电子装置体积，提高功 率密度的发展趋势下，逐渐成为一个研究热点。课题根据目前国内外高频感应加热电源 发展中存在的问题，将三阶谐振结构应用在感应加热电源中，以应用全控功率器件为基 础，利用比较成熟的电力电子技术设计高频感应加热电源，改进高频感应加热电源拓扑 结构，改善高频感应加热电源整体性能，对工作在高频状态下的三阶谐振回路电源的特 性和三阶谐振逆变器并联系统进行深入的分析和研究。 在固态高频感应加热电源中，由于工作频率较高，固态器件的开关损耗逐渐增大， 受线路寄生参数影响较严重，对驱动的要求比较严格，因此结合控制方式对开关的动态 过程研究成为现在的热点之一。在p o w e rm o s f e t 高频电源中，提高电源容量通常采用 器件并联或者逆变器并联等方案。因此对固态高频感应加热电源的研究对提高电源容 量，降低开关损耗使系统稳定工作有重要意义。 1 3 2 本文研究的主要内容 本文提出了基于三阶谐振变换器的高频感应加热电源系统的总体设计方案，利用高 速t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a d s p 控制芯片设计了控制电路，并在此基础上进行仿真和实验，得 出了实验结果。内容主要包括以下几个方面： ( 1 ) 、对感应加热电源三阶谐振变换器的电路特性进行了深入研究，分析了电源谐 振电路的拓扑结构特性以及基本变量之间的数学关系；对三阶谐振变换器并联结构的特 点进行了详细的理论分析，同时对由于逆变单元输出电压的差异对逆变器单元并联的影 响进行了理论分析和仿真验证； ( 2 ) 、在对高频感应加热电源的功率调节方案详细对比研究后，采用不控整流加斩 波调压作为电源输出功率控制的方法，并研究设计了基于模糊控制的功率控制方案；根 据l l c 谐振逆变器的相位特性，研究了基于d s p 的软件锁相控制( s p l l ) ，为感应加 热电源的数字控制打下基础； ( 3 ) 、研究了感应加热电源主电路的设计，开关器件的驱动电路和保护电路的设计， 并在高频感应加热电源样机上进行了实验，验证本文设计的正确性与可靠性。 9 第二章基于三阶谐振变换器的高频感应加热电源特性研究 第二章基于三阶谐振变换器的高频感应加热电源特性研究 常用二阶l c 串联谐振电路由于结构简洁、设计容易，所以在感应加热领域得到了 广泛应用。由于感应器和工件的等效电阻比较小，为了满足电压型谐振逆变器负载匹配 要求，通常谐振逆变器的出口都需要再接一个高频变压器来和谐振电路达到阻抗匹配。 大功率高频变压器的设计制造相当困难，而且体积大、损耗高。当需采用多个逆变器单 元并联输出以提高感应加热电源容量时，匹配变压器的制造、安装就成为一个比较棘手 的问题。 三阶l l c 谐振电路综合了二阶l c 串联和并联电路的优点。由于其具有电流变换能 力，通过改变回路参数可以方便地调整谐振电路的等效阻抗，因此可以取代二阶l c 谐 振电路所必须的高频匹配变压器，不仅提高了效率，而且逆变器的并联也变得相对容易。 【2 9 】 本章首先对高频感应加热电源的拓扑以及负载谐振回路进行了研究。在此基础上， 详细分析了基于l l c 谐振变换器的高频感应加热电源电路特性，对电压型l l c 感应加热 电源的结构和控制方法进行研究，并完成了相关的仿真验证。 2 1 负载谐振变换器概述 ( 一) 软开关的概念 谐振变换器的概念早在6 0 年代就出现了。当时的谐振变换器电路是为了强迫关断导 通的闸流管或晶闸管而提出的。这是因为它们导通后不能靠自己的栅极( 或控制极) 的信号关断，必须在阳极电流下降到零以后才能自然关断。在谐振变换器中利用谐振现 象，开关器件中的电流可以振荡到零点从而实现器件的关断。后来，随着自关断器件在 这些需强迫关断的场合代替晶闸管，谐振变换器受到冷落。但是，随着软开关技术的提 出，谐振变换器又重新引起人们的极大兴趣【l 4 1 。 传统的高频开关变换器都是工作在强迫开通和关断的硬开关状态，由于开关器件都 是非理想的，开通和关断都不能瞬时完成。因为电路和器件寄生参数的存在，可能出现 容性开通和感性关断的状态。因此，在开关过程中产生器件上的电压和电流峰值重叠的 现象。从而产生较大的开关损耗。这种过程如图2 1 所示。 v c & 图2 - 1 硬开关时器件的电压、电流波形 f i g 2 - 1t h e v 0 1r a g ea n dc u r r e n tc u r v eo fh a r ds w it c h i n g 随着科学技术的发展，在生产、科研等各领域对开关变换器的需求越来越大，对 体积、性能和效率的要求也越来越高。通过提高开关频率可以减小变换器的体积、提高 效率、降低成本。因此现代变换器的工作频率不断提高。但这也显现出了传统的变换器 江南大学硕士学位论文 控制中享有盛誉的p w m 方式的缺点：随着工作频率的提高，因为硬开关的原因，开关损耗 大幅度上升，而抵消了高频变换器的高效率、小体积等优点。而且随着频率的提高，设 备的e m i 也大幅度提高，限制了电力电子设备的使用。 ， 软开关的原理是利用电感和电容对开关器件的电流和电压轨迹进行整形，使之在电 流为零或电压为零的情况下开关，从而实现所谓的软开关。其原理如图2 2 所示。在理 论上此时开关器件的开关损耗为零。软开关技术可以减少、有时甚至完全消除器件的开 关过程损耗，去掉吸收缓冲回路，进一步提高变换器的工作频率、提高效率、减小体积。 通过对电压电流的整形可以减d 、e m i ，提高变换器的可靠性。因此，软开关变换器是电 力电子设备高频化、小型化、静音化、无污染的重要途径，是现代电力电子研究的重要 方向- j 3 3 1 。 v c h c 图2 - 2 软开关时器件电压、电流波形 f i g 2 - 2t h ev o l t a g ea n dc u r r e n tc u r v eo fs o f ts w i t c h i n g 为了实现软开关，必须为开关器件提供电压或电流自然过零的条件，这一功能一般 通过电感和电容的谐振来实现。利用负载谐振为开关器件提供软开关条件就是一种重要 的形式。尤其在单相逆变器中，利用负载谐振电路实现的软开关变换器结构简单，控制 容易，而且可以满足一些特殊电源的要求。 ( 二) 负载谐振变换器的种类 负载谐振变换器的分类方式有很多：根据电源性质可以分为电流型和电压型；根据 电路结构可以分为并联谐振型和串联谐振型：根据组成谐振槽路储能元件的个数分为简 单二阶谐振型和多阶谐振型等等。 目前用于高频变换器的开关器件的漏源极之间均不能承受反压。为了保护开关器件 不因为反压而损坏，将其用于电流型逆变电路时，每个桥臂的开关器件都必须串以额定 电压、电流及频率特性与桥臂的主开关元件相当的二极管。随着逆变器容量的增大，给 所串联二极管提出了较高的要求，有时甚至根本无法满足要求。而在电压型串联逆变器 中，为了使谐振回路电流连续流动，给反相无功电流续流，每个桥臂的功率开关管需反 并联一个二极管，只要逆变器的工作状态合理，对二极管的反向恢复特性无太高要求， 极易满足。因此目前在高频段更适宜采用电压型串联谐振逆变器，也得到更多的研究， 其结构如图在传统上负载谐振变换器的研究中，一般根据负载与谐振元件的连接方式分 类，常用的普通二阶谐振电路分为：串联谐振变换器、并联谐振变换器。由三个以上储 能元件构成的电路，根据连接方式常用的有：l c c 型，l l c 型，l l c c 型等等【3 4 】。 随着谐振槽路中储能元件的增多，电路拓扑组合大量的增加。如由两个储能元件构 1 2 篓三雯茎三三堕堕堡壅垫矍竺壹堡堡垦塑垫皇塑堑竺塑垄 成的谐振槽路，根据负载电阻与谐振元件的连接方式不同，存在8 种电路拓扑；由三个 储能元件( 一个电容、两个电感或一个电感、两个电容) 与负载电阻组成的电路，其拓扑 就有3 6 种之多。而由四个储能元件( 一个电感与三个电容、一个电容与三个电感或两个 电感与两个电容) 构成的谐振电路达n 1 8 2 种。由于不同拓扑的谐振特点不同，所以会给 电源带来不同的性质。因此多个储能元件构成的谐振电路为改善负载谐振逆变器功能并 为适应多种要求提供了可能。虽然多阶谐振电路有上述优点，但是随着储能元件的增多 也给这些元件参数的设计带来困难。阶数越高要设计的元件参数越多，负载的谐振频率 也不止一个，这有时是电源设计的优势，但也有时会给电路带来控制困难。所以大量文 献在介绍实用的谐振变换器时一般为两阶、三阶和四阶居多，当然也有利用六阶电路设 计电源的论文发表【3 5 】。 2 2 高频感应加热电源的拓扑分析 二阶谐振回路是最基本的谐振拓扑。根据电源性质和软开关的形式可以给出以下基 本的单管谐振电路结构2 1 】【2 2 】。图2 3 和图2 4 是零电压和零电流谐振开关的结构图。 图2 - 3 零电流谐振开关结构 f i g 2 3t h es t r u c t u r eo fo c u r r e n ts w i c h t i n g c 图2 - 4 零电压谐振开关结构 f i g 2 - 4t h es t r u c t u r eo f0 - v o l t a g es w i c h t i n g 净到牛o - fc 写萝 。i d ， 卸一 1 i j 2 、l ci i jl | l 。i d 2 一 l 到 2 i 图2 - 5c 1 a s s e 型谐振电路图2 - 6 双管谐振电路 f i g 2 - 5t h ec l a s s er e s o n a n tc ir c u i tf i g 2 - 6t h e2 一s w i t c h i n gr e s o n a n tc i r c u i t 经典的c l a s s - e 型电路通过并联在功率器件两端的电容来吸收原本存在的寄生电 容，降低器件在开关过程中的能量损耗。虽然c l a s s e 型电路非常适合在超高频领域中 使用，但是其负载适应能力差，所以在负载参数范围比较大的感应加热中应用有很大的 局限性。图2 - 5 所示为c l a s s - e 型电路用于感应加热基本结构。图中l 和c 代表负载等效电 感和电容。【3 6 】【3 7 】 图2 - 6 所示的是双管谐振电路。在功率器件两端并联一个辅助谐振回路，用来降低 在高频下开关损耗。但是电路结构稍嫌复杂，在高频应用中可能会引入寄生振荡【3 8 】。 在大功率感应加热电源中多采用的全桥结构，如图2 - 7 所示的电压型逆变器【3 9 】和图 2 - 8 所示电流逆变器1 4 0 1 。对大功率的感应加热电源研究绝人多数集中在这两种拓扑上。 电压型串联谐振和电流型串联谐振从主电路拓扑上看，有很多对偶的特性，电压型的前 江南大学硕士学位论文 级为电容储能式，属于电场能，相当于电压源。而电流型的前级为电感式储能，属于磁 场能，相当于电流源。下面比较两种逆变器的特点： 表2 - 1 电压型和电流型谐振逆变器特性比较 t a b l e2 - 1t h ec h a r a c t e r is t i c o fc u r r e n ta n dv o l t a g er e s o n a n ti n v e r t e