（控制理论与控制工程专业论文）大功率MOSFET感应加热电源的数字化研究.pdf

摘要 摘要 本文以感应加热电源为研究对象 阐述了感应加热电源的基本原理及其发展趋势 对感应加热电源常用的谐振回路和拓扑结构进行了分析 选择了更适合高频感应加热电 源的串联谐振型逆变器 分析了各种功率调节的方式 选择了有利于提高逆变频率和功 率的直流侧斩波调功的调功方式 分析了m o s f e t 的特性 选择了对逆变电路一致性 要求相对较低的变压器功率合成方式 感应加热电源运行时需要对谐振频率进行跟踪 传统的频率跟踪电路大都采用基 于c d 4 0 4 6 的模拟锁相环 但传统模拟锁相环存在着频率跟踪范围较窄 动态响应较慢 可靠性差 死区时间需要用辅助电路实现等一些缺点 本文对锁相环原理进行了分析 根据其数学模型 针对传统锁相环的缺点提出了一种基于数字信号处理器 d s p 的数字 锁相环 d p l l 的实现方法 文中对这种数字锁相环 d p l l 的算法及软硬件设计进行了 洋细的阐述 本文同时设计了感应加热电源的功率闭环控制系统 将功率控制问题转化 为b u c k 斩波器的电压控制问题 根据感应加热电源功率控制的特点 设计了带电流截 止环节的功率闭环控制系统 并详细阐述了其基于d s p 的软硬件实现方法 由于 m o s f e t 的电流等级较小 大功率的感应电源需要通过功率合成扩容 给出了变压器合 成的功率合成方法 设计了一台6 0 k w 的大功率m o s f e t 高频感应加热电源实验样机 其中斩波器频 率为10 k h z 逆变器工作频率为3 0 0 k h z 控制核心采用t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 控制芯片 对感应加热电源进行数字化设计 提高了系统性能 最后 本文还给出了 m a t a l a b 仿真 软硬件设计方案和实验结果 关键词 感应加热 串联谐振 功率控制 锁相环 功率合成 a b s t r a c f a b s t r a c t t h 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 t t 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 a sw e l la sa n a l y z e dp o w e rr 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 gp o w e r s u p p l y i tc a nb ep r o v e dt h a tp o w e rr e g u l a t i o ni nt h ec o m m u t a t es i d ei s p r o p i t i o u st o 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 s ot h i sp a p e rc 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 kc h o p p e r i n gp o w e r r e g u l a t i o n m e t h o da st h es u b j e c ti n v e s t i g a t e d b e s i d e s i ta n a l y z e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fm o s f e ta n d c h o s et r a n s f o r m e rp o w e rc o m b i n a t i o nw h i c hh a sa r e l a t i v e l yl o wd e m a n do fi n v e r t e rc i r c u i t c o n s i s t e n c y t h et r a d i t i o n a la n a l o gs i m u l a t i o np h a s e 1 0 c k e d l o o pb a s e do nt h ec d 4 0 4 6i sm o s t l yu s e d i nt h ei n d u c t i o nh e a t i n gp o w e rs u p p l y f r e q u e n c yt r a c k i n gc h a n n e l b u tt h et r a d i t i o n a l s i m u l a t i o np h a s e l o c k e dl o o ph a ss o m es h o r t c o m i n g s s u c ha st h en a r r o wf r e q u e n c yt r a c k s c o p e t h es l o wd y n a m i cr e s p o n s e t h eb a dr e l i a b i l i t y t h en e e do fu s i n ga u x i l i a r yc i r c u i tt o r e a l i z ed e a dt i m ea n ds oo n am e t h o do fi m p l e m e n t i n gd i g i t a lp h a s e l o c k e dl o o p d p l l b a s e do nd s pi sp u tf o r w a r di n t h i sp a p e r a c c o r d i n gt ot h em a t h e m a t i c sm o d e lo fp h a s e l o c k e dl o o p p l l t h ea l g o r i t h mo ft h ed i g i t a lp h a s e l o c k e dl o o p d p l l a n dt h e s o f t w a r ea n dh a r d w a r eo ft h ed e s i g nh a v ec a r d e do nt h ed e t a i l e de l a b o r a t i o ni nt h ep a p e r t h e p o w e rc l o s e d l o o pc o n t r o ls y s t e mh a sb e e nd e s i g n e d t h ep o w e rc o n t r o lo ft h ei n d u c t i o n h e a t i n gp o w e rs u p p l yt r a n s f o r mt ot h eb u c kc h o p p e rv o l t a g ec o n t r 0 1 c l o s e d l o o pc o n t r o l s y s t e mw i t hd e a d l i n ec u r r e n tn e g a t i v ef e e d b a c kh a sb e e nd e s i g n e d a c c o r d i n gt ot h ei n d u c t i o n h e a t i n g sc h a r a c t e r i s t i c t h er e a l i z a t i o nm e t h o db a s e do nt h ed s ps o f t w a r ea n dh a r d w a r ei s e l a b o r a t e di nd e t a i l b e c a u s eo ft h el o wc u r r e n tl e v e lo fm o s f e t i tn e e d st oe x p a n dp o w e r c a p a c i t yb yt r a n s f o r m e rp o w e rc o m b i n a t i o n a ni n d u c t i o nh e a t i n gp o w e rs u p p l yi sd e s i g n e db a s e do nt h e o r e t i c a la n a l y s i s t h ep o w e r o fw h i c ha r e6 0 k ww i t ht h ef r e q u e n c y10k h zf o rt h ec h o p p e ra n d3 0 0k h zf o rt h ei n v e r t e r t h es p e c i a ld s p c h i po ft m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 aw h i c hp r o d u c e db yt ic o m p a n yi su s e da sm a i n c o n t r o l l e ro ft h ep o w e rt os i m p l i d e dt h es y s t e m 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 d e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ea l lp r e s e n t e di nt h i sp a p e r 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 sr e s o n a n t p o w e rc o n t r o l p l l p o w e rc o m b i n a t i o n 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 期 口衫 i 乙 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 二毒l 址导师签名 第一章绪论 第一章绪论 1 1 感应加热电源的基本原理和用途 1 9 世纪初人们发现了电磁感应现象 得知处于交变磁场中的导体会产生感应涡流 引起导体发热 但是在开始阶段人们并没有想到利用这一现象 相反则是尽力抑制这种 效应 直到1 9 世纪末期人们才开始有目的的利用这一原理进行对金属的熔炼 热处理 压力加工前的透热等 由此就出现了各种各样的感应加热设备 感应加热电源是随着电 力电子技术 微电子技术和现代控制技术发展而成熟的 1 1 1 电磁感应与感应加热 法拉第建立的电磁感应定律说明 处于交变磁场内的导体其两端会感应出电动势 电路闭合成回路时则产生感应电流 感应加热的基本原理就是此电磁感应定律 其原理 如下图所示 1 1 交交磁场 感应线圈 金属工件 丁 图1 1 感应加热原理示意图 f i gl 一1t h es c h e m a t i co fi n d u c t i o nh e a t i n gs u p p l y 如上图所示 在导体外面绕一匝数为n 的线圈 交变电流i 通入线圈后 感应线圈 中就会产生同频的交变磁通 在金属工件中就会相应有感应电动势 设工件的等效匝 数为n 2 则有m a x w e l l 电磁方程式 p 一 2 堂 1 1 d t 设交变磁通为妒 九s i n r o t 则 p 一 2 警 一 2 钆 s i n 耐 1 2 因此感应电动势的有效值为 e 弓笋 4 4 4 鹏钆 1 3 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 与感应电动势和涡流 江南人学硕士学位论文 1 4 式中 r 涡流回路等效的电阻 q x 涡流回路等效的感抗 q 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 尸 0 2 4 i 2 r 4 7 3 i n 2 f 2 f e r 1 5 r 彳 其中 p 涡流作用在加热工件上所产生的热量 w 电流有效值 a 由此可知 感应加热是利用电磁感应将电能传递给被加热工件 然后在工件内部电 能又转变为热能的过程 它与一般的电气设备中由于电磁感应而产生涡流进而产生发热 的原理是一样的 不过在感应加热中我们是利用了这一效应 而不像一般情况下我们都 是试图抑制此现象 由上面的焦耳热表达式可以看出 感应电动势及发热功率与交变磁通的频率和磁场 强度有关 感应线圈中流过的电流越大 其产生的对应磁通量就越大 因而可以通过提 高感应线圈中的电流值而使工件中的感应涡流加大 同时一定条件下提高工作频率也可 以提高工件中的感应电流 从而使工件发热效果得到增强 加热速度增快 感应涡流的 大小同时与金属工件的截面大小 形状 工件材料的导电率 导磁率及透入深度等因素 有关 1 1 2 感应加热的三种效应 在感应加热过程中存在着三种效应 集肤效应 邻近效应和圆环效应 集肤效应 当交流电通过导体时 沿导体截面上的电流分布不是均匀的 最大的电 流密度出现在导体的表面层 我们称这种电流集聚的现象为集肤效应 邻近效应 两根通有交流电的导体距离很近时 导体中的电流分布会受彼此的影响 而有所变化 若两导体中电流方向相反 则最大的电流密度出现在两导体的内侧 反之 若导体中电流方向相同 则最大电流出现在两导体的外侧 这种现象就称作邻近效应 圆环效应 将交流电通过圆环形线圈时 最大的电流密度出现在线圈导体的内侧 这种现象称作圆环效应 感应加热设备 电源 就是综合利用此三种效应的设备 交变磁场在导体中感应出的 交变涡流由于集肤效应的影响 其沿横截面由导体表面至中心按指数规律衰减 工程上 规定 当涡流强度由表面向内层衰减到其最大值的o 3 6 8 1 e 时 此处与表面的距离6 占 2 第一苹绪论 称为电流透入深度 由于由涡流产生的热量与涡流的平方成正比 因此热量由工件表面 至芯部的下降速度比涡流的下降速度快的多 我们可以近似认为感应加热的热量集中在 厚度为电流透入深度占的薄层中 工程上 透入深度可由下面表达式确定 2 1 f 6 5 0 3 0 1 6 恤r f 其中 j d 导体材料的磁阻率 q c m 导体材料的相对磁导率 f 感应涡流的频率 h z 由上式可以得知 当被加热工件确定后 及材料的电阻率p 相对磁导率 确定以 后 透入深度占只与感应涡流的频率f 的平方根成反比 因此我们可以通过改变频率来 控制它 从而满足工艺要求 1 2 感应加热的特点和发展 1 2 1 感应加热的特点 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 感应加热是利用电磁感应原理把电能转化为热能的设备 感应加热技术诞生之前 都是 使用煤气或石油为能源的装置来加热金属和非金属 与之相比 电磁感应加热主要有如 下优点1 3 1 热速度快 效率高 容易实现高功率密集 由于感应加热是从金属内部即从金属 的电流透入深度层开始加热 这样就很大程度地节省了热传导的时间 因此加热 速度快 生产效率可达6 0 以上 2 采用非接触式加热方式 在加热过程中不易渗入杂质 3 加热温度由工件表面向内部传导或渗透 具有精确的加热深度和加热区域 并易 于控制 4 工件损耗少 被加热物的表面氧化少 5 节能环保 作业环境好 几乎没有热 噪声和灰尘 而且占地少 适合现代环保 的要求 6 工作容易 加热均匀 产品质量好 且能加热形状复杂的工件 7 自动化程度高 对于感应加热装置 可频繁的起停 控制温度的精度高 由于高频感应加热的优点不断地被接受和利用 使得国内外在高频感应加热电源的 研究也不断地增加 1 2 2 感应加热的发展现状 二十世纪五十年代出现的晶闸管引起了感应加热技术乃至整个电力电子学的一场 革命 从此以后 大量的各型感应加热理论和感应加热装置得到了稳步的发展 并开始 江雨大学硕上学位论文 应用于局部加热 感应加热的应用领域亦随之扩大 其应用范围越来越广 4 6 感应电源按频率范围可分为以下等级 5 0 0 h z 以下为低频 1 1 0 k h z 为中频 2 0 k h z 以上为超音频和高频 感应加热电源发展与电力电子器件的发展密切相关 5 1 在国外 1 8 9 2 年世界上第一台中频发电机组研制成功 1 9 5 8 年第一只2 0 0 伏 5 0 安可控硅诞生以来 随着可控硅容量的逐步增加和快速可控硅的出现 可控硅变频器材 也得到了飞跃的发展 可控硅变频器最早在欧洲出现 1 9 6 6 年瑞士b r o w nb o v e r i 公司发布了第一台功率为7 5 0 千瓦 频率为1 0 0 0 赫的可控硅中频电源供瑞士一家翻砂 厂应用 采用并联逆变线路 炉子的电压为1 4 0 0 伏 与此同时 西德a e g 公司在1 9 6 6 年研制成了8 4 0 千瓦 5 0 0 赫的串联逆变器 炉子电压为3 0 0 0 伏 七十年代后期 晶闸 管中频装置已经逐渐代替了以前的中频发电机组 成为中频感应加热领域的主导产品 8 0 年代以后 全控型自关断半导体器件开始取代线路复杂 体积庞大 功能指标较低的 普通晶闸管和换相电路 在高频感应加热领域罩 s i t 与功率m o s f e t 成为了与电子管 相抗衡的电力半导体器件 由于它们比电子管构成的装置体积小 缩小2 3 重量轻 减 轻2 3 节能 节电1 3 以上 节水 节约1 2 高效 效率提高3 5 而且寿命长 安令 可靠 易于实现自控 加热质量高 维护工作量小 可随用随开 己经完全取代了以电 子管做为感应加热的开关设备 臼本在8 0 年代中后期己经用s i t 研制出了2 0 0 k h z 2 0 0 k w 的高频感应加热电源 现已实现商品化 德国也已于8 0 年代木研制出了 5 0 2 0 0 k h z 数百千瓦的感应加热电源 目前德国已经将1 1 0 0 k w 1 5 0 k h z 和2 5 k w 5 m h z 感应加热电源产品化 英国也已经有了5 k w 2 7 m h z 的感应加热电源产品i 引 在我国 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 6 0 年代术开 始研制晶闸管中频电源 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 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 己经形成了 5 0 0 8 0 0 0 h 衫1 0 0 3 0 0 0 k w 的系列化产品 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 开始研制超音 频电源 与发达国家相比 无论是容量 控制技术手段 电源工作频段还是生产规模和 工艺技术方面 我们仍然存在很大差距 尤其在高频感应加热电源领域内 我们基本没 有形成规模生产能力 还存在许多空白 有待我们去研究和开发 由于采用电力半导体 器件 与电子管装置相比感应加热电源无论是外观 还是内在的电路结构都趋于简单化 和单一化 而且由于半导体感应加热电源频率应变性极强 又有自动跟踪负载频率变化 的特性 所以其频率等级也更加规范化和科学化 3 6 1 我国的感应加热电源在低频和中频段 频率在1 0 k h z 以下 使用可控硅技术 而 在1 0 k h z 以上主要以真空电子管为主 目前在音频段和超音频段已经有一部分使用 i g b t 固态技术 但是总体水平与国外相比 还存在很大差距 7 j 1 2 3 感应加热的发展趋势 感应加热电源技术的发展与功率半导体器件的发展密切相关 可以说是建立在功率 半导体器件发展的基础之上的 因此当前功率器件在性能上的不断完善 随着功率器件 4 第一章绪论 的大容量化 高频化带动感应加热电源的大容量化和高频化 8 j 1 高频化 大容量化 目前 感应加热电源在中频频段主要采用晶闸管 超音频频段主要采用i g b t 而高 频频段 由于s i t 存在高导通损耗等缺陷 所以主要发展m o s f e t 电源 随着新型高 频大功率器件 如m c t i g c t 及s i c 功率器件等 的问世和发展 将来的感应加热电源 必将朝着大功率和高频率两者相统一的方向发展 在这方面仍有许多应用基础技术需要 进一步探讨 2 智能化 智能化是指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 同时 随着感应热处理生产线自动化控制程度及对电源可靠性要求的提高 感应加热电源讵向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 9 1 0 1 3 高功率因数 由于感应加热用电源一般功率都很大 因此它的功率因数 谐波污染都相对比较严 重 虽然现在还没有严格要求 但随着对整个电网无功及谐波污染要求的提高 具有高 功率因数 采用人功率三相功率因数校j 下技术 低谐波污染电源必将成为今后发展趋势 目i j j 通过谐振技术一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的固有谐振频率内 使得该负载功率因数接近于1 4 应用范围不断扩大 感应加热电源多应用于工业现场 其运行工况比较复杂 它与钢铁 冶金和金属热 处理行业具有十分密切的联系 因此 如何实现负载匹配变压器的高能输入效率 从磁 性材料选择到绕组结构的设计已成为 f i 重要课题 1 3 本文研究的内容及任务 本文提出了一种基于d s p 的高频大功率感应加热电源的总体设计方案 根据前人 研究成果设计了感应加热电源的主电路拓扑结构 在m a t l a b 中对所设计系统进行了 仿真 并且利用高速t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a d s p 控制芯片设计了系统的控制电路 并在此基 础上进行实验 得出了实验结果 具体内容主要包括以下几个方面 1 分析了常见的感应加热电源的拓扑结构 总结了它们各自的优缺点和适用的领 域 并根据电源的设计要求选择了串联谐振式的逆变器拓扑结构 2 对高频感应加热电源的功率调节问题进行了分析 结合控制方便 安全可靠的 没计方针 选用不控整流加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 3 分析了常用的功率合成的方案 考虑多管并联时的分布参数的影响和多管并联时 开关管驱动功率的限制 逆变器选取了变压器合成的功率合成方法 通过匹配变压器次 级串联的形式来合成输出功率 4 本文研究设计了基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 的3 0 0 k h z 的频率跟踪数字锁相环 江雨人学硕士学位论文 d p l l 实现对负载频率的跟踪 5 在m a t l a b 中对功率调节和功率合成后的锁相进行仿真 仿真结果证明了设计 方案的正确性和有效性 6 设计并制作基于d s p 的硬件控制平台 包括了d s p 最小系统 采样电路 故障 保护电路 驱动等外围电路 主电路元件计算选取 通过试验验证设计的可行性与可靠 性 6 第二章感应加热电源结构方案确定 第二章感应加热电源结构方案确定 2 1 感应加热电源的拓扑结构 感应加热电源一般由以下几个环节组成 整流器 a c d c 滤波环节 逆变器 d c a c 谐振回路及负载 保护控制环节 图2 l 感应加热电源原理图 f i 9 2 1t h et h e o r yco fi n d u c t i o nh e a t i n gs u p p l y 为了使感应加热电源是带有功率控制功能的频率转换器 它的主电路拓扑中必然包 含两种功能的电路 即调功电路和逆变电路f 1 1 1 3 根据谐振回路结构的不同 逆变器可 分为负载串联谐振逆变器与负载并联谐振逆变器两种逆变结构 2 2 逆变器结构分析和选择 感应加热电源逆变部分有电压型和电流型两种结构形式 电压型逆变器采用的是串 联谐振式负载 其特点是当负载发生谐振时输出电流最大 负载功率最高 电流型逆变 器采用的是并联谐振式负载 其特点是当负载达到谐振时输出电压最大 负载功率最高 电流型逆变器由于在输入端加一个比较大的电感 从而造成系统体积较大 成本较高 而电压型逆变器则由于其控制方便灵活而得到广泛的应用 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 下面对串联型逆变器和并联型逆变器进行简要分析 2 2 1 串联谐振逆变器 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 2 所示 此电路具有以下特点 1 4 图2 2 串联谐振逆变器结构 f i g 2 2s t r u c t u r eo fs e r i e sr e s o n a n ti n v e r t e r 7 v d 4 江南人学硕士学位论文 第一 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乖 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m o s f e t i g b 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 使用时可以直接使用这螳反并 联二极管 而无须外加反并联二极管 第二 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 第三 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 因此串联谐振逆变器对负载槽路布线工艺的要求较低 第四 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 第五 串联谐振逆变器对负载电路的补偿电容的耐压要求很高 通常电容两里 t 而t h ur 乜 压为逆变器直流输入端电压的q 倍 而通常q 值都在3 以上 因此对于 个逆变器输 出方波电压幅值为几百伏的电源 它所需电容的耐压值就要在千伏以上 而通常这种电 容价格较贵或很难买到 必须采取措施来降低补偿电容上的电压 通常需在串联谐振逆 变器的输出端接入高频变压器来降低电容电压 2 2 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 3 所示 此电路具有以下特点 1 4 j 1 图2 3 并联谐振逆变器结构 f i g 2 3s t r u c t u r eo fp a r a l l e lr e s o n a n ti n v e r t e r 第一 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 8 第一二章感应加热i 乜源结构方案确定 第二 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 或i g b t 承受反压的能力低 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 这会增大各臂的通态损耗 目前国内高压大 容量快速恢复整流二极管价格十分昂贵 而且难以买到 第三 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 就起动不起来 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 彳 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 第四 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 第五 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 第六 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 2 3 逆变电路拓扑结构的选择 从上述分析中可以看出 并联谐振逆变器和串联谐振逆变器存在如下差别 1 5 1 6 第一 并联谐振逆变器的开关管承受反压比较大 串联谐振逆变器工作时开关管承 受的电压仅为二极管正向导通压降 第二 并联谐振逆变器起动比较困难 这一缺点限制了并联谐振逆变器用于频繁起 动的场合 串联谐振逆变器起动比较容易 第三 并联谐振逆变器对负载槽路的布线工艺要求较高 串联谐振逆变器对负载槽 路的佰线要求较低 第四 并联谐振逆变器发生短路故障时比较容易实现保护 串联谐振逆变器发生短 路故障时可能会损坏器件 需外部的保护来切断驱动信号使器件关断 第五 并联谐振逆变器对负载电路的补偿电容的耐压要求不高 串联谐振逆变器对 负载电路的补偿电容的耐压要求很高 综合比较串联谐振逆变器和并联谐振逆变器的优缺点 考虑到本文是要设计高频场 合应用的角度 本文选用利于高频化的串联谐振逆变器电路拓扑 2 3 感应加热电源调功方式分析 由于感应加热过程中负载等效参数随温度而变化和加热工艺的需要 感应加热电源 需要对负载进行功率调节 串联谐振式感应加热电源的功率调节方式可分为三类 整流 啦元功率调节 逆变单元功率调节和直流单元功率调节 整流单元功率调节以晶闸管相 9 江雨大学硕 i 学位论文 控整流为主 逆变单元功率调节以调频 移相 脉冲密度调制和脉冲均匀调制为主 直 流单元功率调节以直流p w m 斩波为主 2 3 1 整流单元功率调节 晶闸管相控整流调功是整流单元功率调节的主要方式 是目前使用较多的调功方式 之一 采用晶闸管相控整流功率控制方案的感应加热电源的主电路拓扑结构如图2 4 所 示 彳 b c l f 厂一 厂 厂 v t ll 曾 v t 划兰 刁 一 j h 么 么 么 一 d f l c 么 厂厂 厂 v t 3 j 吝f 叫圣 厶 一 一 j么 么 么 v d 2 图2 4 晶闸管相控整流功率控制方案主电路 f i g 2 4s c h e m a t i co fc o n t r o l l e dr e c t i f i c a t i o np o w e rm o d u l a t i o n 在谐振时由于负载容抗和感抗抵消 可视为电阻负载 此时 对于单相输入有 u o 9 u 1 c o s a 2 1 2 其中 为整流桥输出 u 为交流电源输入 a 为相位控制角 由此可见 通过改 变相位控制角a 来改变输出直流电压矿 大小的方式可以调节系统的输出功率 晶闸管整流调功方式技术成熟 成本较低 负载部分通过锁相环节调整频率使其工 作在谐振频率附近 这样逆变部分的开关损耗就可以减少到很小 比起整流部分增加的 开关损耗 在高频场合下仍然有优势 然而 对晶闸管初始相位角的调节直接影响到网 侧功率因数 尤其在深调压的情况下 感应加热电源的输入电流波形质量极差 网侧功 率因数极低 对电网形成了较大的污染 而且由于晶闸管整流存在的固有延时 使得系 统闭环调节响应较慢 难以适应高性能调功的要求 l 2 3 2 逆变单元功率调节 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 脉冲均匀调制法 p s m 四种 1 8 之2 1 1 脉冲频率调制法 p f m p f m p u l s ef r e q u e n c ym o d u l a t i o n 调频调功是最简单的一种调功方式 通过改变逆变 器工作频率 从而改变负载等效阻抗以达到调节功率输出的目的 调频调功感应加热f 乜 源主电路如图2 5 所示 1 0 第二章感应加热电源结构方案确定 彳 b c l v t li v t 划三 习么 f j h 二l 一 j l 二 k 拈一一 一 一 么 d f l c 矗 v t 3i 卜 叫三 习 么 么 一 j ll 图2 5p f m 调功感应加热电源主电路 f i g 2 5p f m r e a c t i v ei n d u c t i o nh e a t i n gp o w e rs u p p l yc i r c u i t 串联感应加热负载的等效阻抗为 z j c o l 二 r 2 2 i c 故 z 当逆变器的开关频率f 变化时 负载的功频特性如图2 6 所示 p p o o 叼 o 2 3 图2 6p f m 功频特性曲线 f i g 2 6p f mp o w e rf r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i cc u r v e 从图2 6 中可以看出 对于串联谐振电路 当控制逆变器的开关频率f 等于串联谐 振电路固有谐振频率f o 时 即f 历时 逆变器工作在串联谐振状态 输出功率达到最 大值 此时输出电压和输出电流相位相同 系统呈现纯阻性 当f f o 时 出现输出电压 超6 订输出电流的情况 系统呈现感性 输出电压和输出电流之间存在相位差 输出功率 小于处于谐振点状态时的输出功率 当f f o 时 出现输出电压滞后输出电流的情况 系 统呈现容性 输出功率亦小于处于谐振点状态时的输出功率 综上所述 p f m 调频调功电路简单 控制容易 成本低 技术成熟 但功率因数低 效率低 调功范围小 精度低 在高频应用场合不具优势 工作频率在调功过程中不停 变化 导致集肤深度也随之改变 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影响 2 脉冲密度调制法 p d m 1 4 p d m p u l s ed e n s i t ym o d u l a t i o n 的拓扑结构与图2 5 相同 其工作原理见图2 7 工 作原理是通过控制脉冲密度 向负载馈送能量的时间比来控制输出功率 简单地说就是 江南大学硕i 学位论文 以负载的谐振周期作为一个调功单位 总共1 0 0 个调功单位内 在n 个单位逆变器向负 载输出功率 剩下的1 0 0 n 个单位内逆变器不工作 负载以自然频率逐渐衰减 这样 的话输出的脉冲密度为n 输出功率跟脉冲密度存在一定的关系 因而调节脉冲密度 就可以改变输出功率 一w h厂 广 厂 厂 uuuuulu 八八八八八八八r八八 vvvvvvvvuv 厂 厂 r 厂 厂 r 厂 厂 r 厂 厂 厂 厂 r 厂1r 厂 厂r 厂 厂 厂 r 厂 厂 厂厂 t a 一 r 1 t 图2 7p d m 控制方式原理图 f i g 2 7p d m c o n t r o ls c h e m a t i c s p d m 方法的缺点是 第一 逆变器输出功率的频率不完全等于负载自然频率 在功率闭环的场合中丁 作 稳定性差 n 个周期系统是以一定的开关频率输出功率 另外1 0 0 n 个周期负载以自然 频率衰减振荡的 每次在自然衰减振荡恢复成输出功率状态时要重新锁定频率 这时系 统极可能会失控 因此在功率闭环或温度闭环的场合 工作的稳定性不好 第二 功率调节特性不理想 呈有级调功特性 改进型的脉冲密度平均调制法 c p d m 可以在较低负载情况下保持电流连续 i 防 止由于电流断续而造成逆变器失锁 3 脉冲宽度调制法 p w m 一般不采用移相调功的逆变器 同一桥臂的两个开关是互补的 斜对角的两个开关 是同时开通与关断的 这类逆变器输出电压为士矿 的方波 如果在控制电路中设法使原 来同相的两个桥臂开关的驱动信号错开一个相位角 使得负载输出电压的交替的征负电 压交替过程中插入一段零电压区 这样就改变了输出电压的有效值 最终调节了输出功 率 目前一般逆变器的移相p w m 方法的工作频率是固定的 不需要考虑负载在不同工 作频率下的特性 而在感应加热电源中的移相p w m 要求工作频率必须能跟踪负载的谐 振频率 这种控制方法通常要求使某一桥臂的驱动脉冲与输出电流的相位保持一致 而 另外一个桥臂的驱动脉冲与输出电流的相位可以调节 根据b 超前还是滞后分为两种p w m 方式 降频式p w m 控制和升频式p w m 1 2 第二苹感应加热i 乜源结构方粲确定 在图2 8 中 d 滞后o o 1 8 0 0 可调 在o o 1 8 0 0 调节过程中 输出脉宽减小的同时 将引起输出电压相对于输出电流的相位由超前变为滞后 也就是频率不断降低 因此这 种方式称为降频式p w m 控制 在图2 9 中 d 超i j 0 0 1 8 0 0 可调 在o o 1 8 0 0 调节过程中 输出脉宽减小的同时 将引起输出电压相对于输出电流的相位更加超前 也就是频率不断提高 因此这种方式 称为升频式p w m 控制 其中 v t 2 v t 4 为超前桥臂 v t l v t 3 为滞后桥臂 厂 厂 厂 一 爿 卢厂 厂 一 ii 厂 i 几厂 一 威玩网r o uih f 1 r 丸 v t l v t 2 v t 3 v t 4 厂 厂 厂 一 r i 厂 厂 i l 7 厂 r 厂 一 i i 一 厂1 厂 r 陈d 队叼一 心 u 人厶一 1 i 图2 8 升频式p w m 控制图2 9 降频式p w m 控制 f i g 2 8l f r e q u e n c yp w m c o n t r o l f i g 2 9d r o p f r e q u e n c yp w m c o n t r o l 降频式p w m 和升频式p w m 有共同的特点 在调节输出电压的脉宽的同时也改变 了负载的工作频率 因此也隐含了部分p f m 调功的因素 4 脉冲均匀调制 p s m 2 1 几几 几几几门几 一 r 几nnnnn 几几几nnn 几n 几几 1 几r 几几几几几几几n 几r n 几几几n 几f 几n 几n 几几几nf 几几几 r 几nn nr n 几几几几几n 几几f 几几n 几几几几门nnn 几几r 几r 一 r jn n 际 同 n n 网n n 冈 冈 冈 冈 幽必出幽u 出出幽u 幽u 出幽凹幽u vv 一vv 一vv 一vv 一1 图2 1 0p s m 功率控制的驱动脉冲与输出电压电流的关系示意图 f i g 2 10p s m c o n t r o ls c h e m a t i c s p s m p u l s es y m m e t r ym o d u l a t i o n 脉冲均匀调制通过对变换器的开关周期进行均匀 时序调制 达到调节输出功率的目的 p s m 功率控制的驱动脉冲与输出电压电流的关系 江雨大学f i 贝 l 学位论文 如图2 一1 0 所示 当功率控制值小于1 2 时 v t 2 全关 v t l 实现均匀调制 当功率控制 值大于1 2 时 v t 2 全开 v t l 实现均匀调制 p s m 功率控制在轻载时 电流可保持连续 p s m 功率控制的优点是开关器件实现 软开关 开关损耗小 系统工作在串联谐振状态 输出电压和电流同步 具有接近于l 的输出功率因数 但是电路工作在非对称状态 电路存在一定的直流分量 2 3 3 直流单元功率调节 直流p w m 斩波是直流单元功率调节的主要方式 是指在d c 母线侧采用b u c k 斩 波电路 通过改变占空比d 的大小来调节直流输出电压u d 实现对输出功率的调节1 2 2 图2 1 1 为直流p w m 斩波功率调节感应加热电源主电路 彳 b c 二红 三 产1息 l l c r l j j 一p f v 本 7 d f l c 二 l l 流车牟油 苗亦 图2 11 斩波调功方式原理框图 f i g 2 11s c h e m a t i co f d cc h o p p i n gp o w e rm o d u l a t i o n 前端是由六只二极管组成的三相不可控整流器 输出的直流电压 经过电容c l 滤波后送入由开关管v 续流二极管v d 滤波电感 和滤波电容c 组成的斩波器 调节v 的占空比 逆变器得到的电压就在o 矿 之间任意的电压值 这种方式可以获 得较高的功率因数 但是开关管v 是工作在硬开关方式 开关损耗较高 对开关器件的 要求比较高 由于电路中电感的存在 将使开关器件关断时承受更高的电压 而器件的 开关频率较高有利于减小滤波电路中储能元件的体积 2 2 1 因此 在高频感应加热电源中 开关器件宜选用耗散功率大 能承受较高电压且能在较高频率下工作的开关器件 而 i g b t 正好符合上述要求 是比较理想的选择 若采用斩波调功方式 可以采用软开关技术 使p w m 斩波器的主开关器件在零电 压或者零电流开关 甚至可以使其同时满足零电压零电