[硕士论文精品]并联谐振高频逆变电源的研究

摘要摘要本文以高频感应加热逆变电源为研究对象，以IGBT为开关器件，采用并联型谐振逆变拓扑，完成20KHZ40KW并联型高频感应加热逆变电源的设计。文中回顾了感应加热技术的发展史，介绍了相关的基本知识，同时对电力电子器件的发展以及感应加热电源的发展状况做了总结。描述了并联谐振逆变器的调功方法。分析了感应加热电源常用的两种拓扑结构，并联型谐振逆变器的工作原理。通过对并联型谐振逆变器各种工作状态的分析，得出其必须工作在容性近谐振状态下才是安全可靠的结论。通过采用锁相环技术实现了逆变器工作频率的自动跟踪和容性逆变角度的控制，提出了一种他激转自激方法。设计了适用于并联谐振型逆变器的IGBT驱动与保护电路。给出了整流控制电路，逆变控制策略及电路，IGBT驱动电路，过压过流保护电路。关键词感应加热；并联谐振；重叠时间IGBT驱动；保护电路ABSTRACTABSTRACT1HISPAPERHASRESEARCHEDONHI曲FIEQUENCYINDUCTIONHEATINGPOWERSUPPLYADOPTINGPARALLELRESONANTTOPOLOGY；A20KHZ40KWSUPPLYHASBEENDESIGNEDWHICHUSESPOWERIGBTASITSSWITCHINGDEVICESITINTRODUCEDTHEHISTORY锄DTHEBASICKNOWLED固EOFINDUCTIONHEATINGTECHNOLOGY，AILDTHEDEVELOPMENTOFPOWERDEVICESANDTHEINDUCTIONHEATINGTECHNOLOGYAREINTRODUCED鹊WELLCOMPARESTHET、VOBASICRESONANTTOPOLOGIES锄DTHEPARANELONEISMAINLYF0CUSEDITSBASICPERL白锄INGPRINCIPLETHL0UGLLTHEANALYSISOFDIFFERENTOPERATINGSTATES，ITISPOINTEDOUTTHATACAPACITIVEQUASIRESONANTSTATEISASAFBANDE伍CIENTWORKINGCONDITIONFORAPARALLELINVERTERASTARTINGMETHODISBROU2HTFONVARDWHICHSWITCHTHESTANING6OMS印ARATEEXCITINGTOSELFEXCITINGSUCCESS内LLY；PLLPHASELOCKLOOPTECHNOLOGYISEMPLOYEDTOREAIIZETHE舶QUENCY仃ACINGANDCONSTAJLTPHASEANGLECONTROLIGBTDRIVINGANDPROTECTIVECIRCUITSUITABLEF0RPARALLELINVERTERISDEVELOPED，WHICHSUCCESSMLLYSOLVETHEPROBLEMOFTIMECOMPENSATINGANDOVERLAPPINGREGULATIONFORTHE“VINGSI印ALSITGIVESTHEPOWERSUPPLYDESI萨WHICHINCLUDESRECTI6ERANDINVENERCONTROL，IGBTDRIVER嬲WELLASPROTECTIONCIRCUITKEYWORDSINDUCTIONHEATING；PARALLELRESONANCE；OVERLAPTIME；IGBTDRIVING；PROTECTIONCIRCUITIL独创性声明本人声明所呈交的学位论文是各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翻日期二OO八年三月十二日兰一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争磁盘，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，并且拳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。签名鲎I导师签名趁维日期二OO八年三月十二日第一章绪论第一章绪论11感应加热的概况感应加热技术是一种先进的加热技术，它具有传统加热方法所不具备的优点因而在国民经济和社会生活中获得了广泛的应用。此项技术的核心内容之一就是感应加热电源的研制，电源的性能价格比直接决定了其获得应用的速度与广度，随着电力电子器件制造技术及其控制技术的逐步成熟，以电力半导体器件为主要元件的固态电源的制造成本J下在迅速下降，不断提升其性能水平是这种新技术获得最大限度推广的重要条件。1831年MIHCAELFARDAY发现的电磁感应定律说明，在一个电路围绕的区域内存在交变磁场时，电路两端就会产生感应电动势，其大小跟穿过这一电路的磁通量的变化率成正比。此定律是今天感应加热在工业加热方面具体应用的理论基础。利用感应涡流的热效应进行加热称为感应加热。1868年FOUCUATL提出的涡流理论，以及HAEVISIDE提出的铁芯中电流的感生论述了能量由绕组向铁芯传输的问题，使感应加热的应用成为可能。现代感应加热的主要依据是电磁感应、集肽效应和热传导三项基本理论。1890年瑞典技术人员发明了第一台有芯熔炼感应炉，1916年美国人发明了闭槽有芯炉，从此感应加热技术逐渐进入实用化阶段。1921年无心感应炉在美国出现，采用火花式中频电源，后来出现中频机组电源和现代的晶闸管变频电源。1927年开始采用中频无芯炉炼钢，期间逐渐采用电子三极管构成的高频电子振荡器进行焊管、淬火等工艺。五十年代末晶闸管的出现在电力电子学有着十分重要的意义，1956年瑞士、西德研制成功晶闸管中频装置，从此打破了中频发电机组在中频无心感应炉中的垄断地位。自八十年代开始，一系列新型自关断器件如MOSFET、IGBT、SIT、MCT等的出现，使电力电子技术向更高频率的应用领域进军。可以预见，随着高频电力电子技术的迅速发展，当功率器件的技术、容量和价格能够和高频电子管电源相比时，电力半导体加热电源必将全面取代电子管振荡器。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耗，作用于金属本体而引起的热效应，可在极短的时间产生大量的热能，来对金属表面或整体进行加热。它与传统的加热设备相比具有诸多优点加热温度高，速度快、温度容易控制，而且是非接触式加热；加热效率高，节能，整机效率可以达到90左右；加热速度快，被加热物的表面氧化少；温度容易控制，容易实现自动控制，产品质量稳定；能加热形状复杂的工件；工件容易加热均匀，产品质量好。机械运动、噪声小、负载匹配容易、可以根据负载特性改变频率启动停止方便，频率能够自动跟踪以保证最佳的运行状态。鉴于以上众多优点，感应加热电源已经广泛应用于工业，如在锻造方面，可对钢材和钛、镍等稀有金属进行加工预热；在热处理方面，为了加强工件的硬度和韧性，应用感应加热可对钢材进行透热、表面淬火、穿透淬火、回火在熔炼方面，通常用感应加热的方法来熔化优质钢和有色金属；在焊接固压方面，可把金属片涂料抹在金属表面，江南人学在职人员。学何论文然后利用感应加热使其熔化镀涂并固化，有些汽车部件的连接也需感应加热电源；在烧结方面，使用感应加热能在石墨曲颈瓶或感应器中对炭化物加热到2550的高温【I】。感应加热技术对国民经济起很大的推动作用。此外小功率感应加热电源也已逐渐进入到家用生活中，现阶段的热水器、微波炉等都有感应加热产品问世。12感应加热技术基本原理感应加热的基本原理可以用电磁感应定理和焦耳一楞次定理来描述电磁感应定理可以描述为当穿过任何闭合回路所限制的面的磁通量随时间发生变化时，在回路上就会产生感应电势E，如图LL所示将一金属导体外面套上一个匝数为NL的线圈，当交变电流IL通入感应圈时，感应圈内就会产生交变磁通巾使感应圈中的工件受到电磁感应而产生感应电势E。设工件的等效匝数为N2，夕T弋属工件图卜L感应加热的工作原理FIG11THEPRINCIPLEOFINDUCTIONHEATING则感应电势EN2警如果磁通是交变的，设。SIN缈T则EN2警一N2M缈TE的有效值为E444FN2M感应电势E在工件中产生感应电流12，12使工件内部开始加热，达式为OO24IRT1213其焦耳楞次定理的表149一导体所消耗的功率转变成的热量QI广通过导体的电流强度R导体的电阻T电流通过导体的时问PEICOS444FN2MICOS15感应电势和发热功率不仅与频率和磁场强弱有关，而且与工件的截面大小、截面形状等有关，还与工件本身的导电、导磁等特性有关。2第一章绪论在感应加热设备存在着三个效应集肤效应、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是不均匀的。最大电流密度出现在导体的表面层，这种电流集聚的现象。交变磁场在导体中感应出的电流办称为涡流。工件中产生的涡流由于集肤效应，沿横截面由表面至中心按指数规律衰减，工程上规定当涡流强度从表面向中心降低到其数值等于最大涡流强度的0368，该处到表面的距离5称为电流透入深度。出于涡流所产生的能量与涡流的平方成乎比，因此由表面至芯片部热量下降速度要比涡流下降速度快得多，可以认为热量8590集中在厚度为6的薄层中。透入深度6由下式确定艿50301，6式中，P金属材料的电阻率；P，金属材料的相对磁导率；厂高频交变电流的频率。由式16可以看出，当材料的电阻率P、相对磁导率M确定以后，透入深度6仅与频率F的平方根成反比，此工件的加热厚度可以方便的通过改变频率来加以控制。频率越高，工件的加热厚度就越薄，这种特性在金属表面热处理中得到了广泛的应用。感应加热另外涉及到两个重要的电磁现象邻近效应和圆环效应。所谓邻近效应指的是两根通有交流电流的导体靠得很近时，在相互影响下，电流要做重新分布。邻近效应的电流密度分布不仅取决于导体本身的磁场，而且与邻近导体磁场的总作用有关。圆环效应指的是，将交流电流通过圆环形线圈时，最大电流密度出现在线圈导体的内侧。感应电炉就是综合利用这几种效应的设备。感应线圈两端加上交流电压，线圈和工件上产生的电流方向相反，当二者相互靠拢时，线圈和工件表现为邻近效应，结果，线圈电流集聚在内侧表面，工件电流集聚在外表面。这时，线圈本身表现为圆环效应，而工件本身表现为集肤效应。13感应加热电源的研究与发展131感应加热用电力电子器件的发展经过数十年的发展与应用，感应加热技术取得了不断的进步，以至于整个电力电子学的产业地位也逐步提高。而固态感应加热技术的核心就是固态功率器件。固态功率器件实际上就是以半导体材料构成的功率开关【21。在其发展过程中，始终如的追求目标就是使固态器件不断接近理想开关的特性通态电阻为零，通态电流无穷大；断态电阻无穷大，阻断电压无限高开关过程无延时，开关控制无损耗。因此固态器件发展的过程，就是不断提高其频率特性和容量，不断降低器件的驱动损耗、通态损耗和开关损耗。3江南人学往职人员学位论文目前应用于功率变换装置的固态功率器件种类很多，各有优缺。按照门栅极的控制特性一般分为两类半控型器件和全控型器件I孔。半控型器件是指第一代固态器件晶闸管及其派生产品，因晶闸管门极只能控制开通，而不能控制关断，所以称为半控型。1957年，美国研制出世界上第一只普通的400HZ以下反向阻断型可控硅，后称晶闸管SCR。经过60年代的工艺完善和应用开发，到了70年代，晶闸管己形成从低压小电流到高压大电流的系列产品。在这期问，世界各国还研制出一系列的派生器件，如不对称晶闸ASCR、逆导晶闸管RCT、门极辅助关断晶闸管GALRR、光控晶闸管LTSCR等等。在感应加热电源中频领域10HLZ以下，晶闸管仍将是最佳的器件，主要表现在通态压降很低典型值1IV，通念损耗很小；借助于负载谐振实现换相关断，而无须强迫换流电路；单机大容量是其它器件无法竞争的；频率特性得到了充分应用。由晶闸管及其派生器件所构成的各种电力电子装置在工业应用中主要解决了传统的电能变换装置中所存在的能耗大和装置笨重的问题，因此电能的利用率大大地提高了，同时也使工业噪声得到一定程度的控制。目前INT锄ET上可以查到的高压大电流晶闸管有POWEREX推出的用于高压交流开关和静止无功发生器用的12000V1500A的晶闸管L钔。全控型器件是指二十世纪七十年代后期相继出现的各种自关断器件，主要有GTO、GTR、MOSFET、IGBT、SIT、SITH、MCT等等。自1948年美国贝尔实验室发明了第一只晶体管以来，经过20多年的努力，到了70年代，用于电力变化的晶体管GTR已进入工业应用领域，由于GTR具有自关断能力且开关速度可达20KHZ，在PWM技术中一度得到了广泛的应用，并促使装置性能进一步提高和传统直流电源装置的革新，出现了所谓的“20千周革命”，但因功率晶体管存在二次击穿、不易并联以及开关频率仍然偏低等问题，它的应用受到了限制【5】。70年代后期，电力半导体器件在高频化进程中一个标志性器件，功率场效应晶体管POWER】MOSFET开始进入实用阶段。进入80年代，人们又在降低器件的导通电阻、消除寄生效应、扩大电压和电流容量以及驱动电路集成化等方面进行了大量的研究，取得了很大的进展。功率场效应管中应用最广的是电流垂直流动结构的器件VDMOS。它具有工作频率高几十千赫至数百千赫，低压管可达兆赫、开关损耗小、安全工作区宽不存在二次击穿问题、漏极电流为负温度特性易并联、输入阻抗高等优点，是一种场控型自关断器件，为目前电力电子技术赖以发展的主要器件之一。1001000V的VDMOS已商品化，研制水平达2501000V，其电流的容量还有继续增大的趋势。尽管VDMOS器件的开关速度非常快，但其导通电阻与功率成正比，这就限制了它在高压大功率领域的应用。80年代电力电子器件较为引人注目的成就之一就是开发出双极型复合器件。研制复合器件的主要目的是实现器件的高压、大电流参数同动态参数之间的最合理的折中，使其兼有MOS器件和双极型器件的突出优点，从而产生出较为理想的高频、高压和大电流器件。目前最有发展前途的复合器件是绝缘栅双极型晶体管IGBTINSULATEGATEBIPOL酬【NLASISTOR和MOS栅控晶闸管MCTMOSCONTROLLEDTHYRISTOR。IGBT4第一章绪论于1982年在美国率先研制出样品，1985年丌始投产。目I；I最高电压己达4500V，最大电流可为1800A。MCT是80年代后期出现的另一种比较理想的器件，目前研制水平为300A，2000V，1000LOOOV，最高电压达3000V。80年代期问发展起来的静电感应晶体管SITSTATCINDUCTION胁SISTOR和静电感应晶闸管SITHSTATICINDUCTINTH蜘STOR是利用门极电场强度改变空间电荷区宽度来开闭电流通道的原理研制成的器件。本文研究的并联谐振高频逆变电源，所采用的功率器件是绝缘栅双极型晶体管IGBT。132国外感应加热电源发展现状低频感应加热的特点是透热深度深、工件径向温差小，热应力小，热处理工件变形小，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。国外的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。在15010KHZ中频范围内，晶闸管感应加热装置己完全取代了传统的中频发电机组和电磁倍频器，国外的装置容量已达数十兆瓦。在高频范围内，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。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GTO、GTR、MCT、IGBT、BSIT和STIH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IGBT应用最为普遍，这是因IGBT使用起来方便可靠，很受电路设计者的欢迎。1994年日本采用IGBT研制出了1200KW50KHZ的电流型感应加热电源，逆变器工作于零电压开关状态，实现了微机控制西班牙在1993年也已报道了30KW600KW，50100KHZ电流型并联逆变加热电源，欧、美地区的其他一些国家如英国、法国、瑞士等国的系列化感应加热电源目前最大容量也达数百千瓦。在LOOKHZ以上高频频率领域，国外目前正处于从传统的电子管振荡器向固态电源的过渡阶段。以日本为例其系列化的电子管振荡器的水平为51200KW100500KHZ，丽其采用STI的固态高频感应加热电源的水平可达400KW似00KHZ，并且在1987年就已开始研制1200KW200KHZ的SIT电源。欧美各国采用MOSFET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MOSFET的电流型感应加热电源的制造水平可达600KW200KHZ，德国的电子管高频电源水平约为L100KW，而其在1989年研制的电流型MOSFET感应加热电源的容量己达480KW50200KHZ，比利时的INDUCTOELPHIAC公司生产的电流型MOSFET感应加热电源的水平可达1M、W15600LMZ。133国内感应加热电源发展现状我国感应加热技术从50年代开始就被广泛应用于工业生产当中。60年代末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5江南人学在职人员学位论文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，国产中频电源大多采用并联谐振逆变器结构，在丌发更大容量的并联逆变中频感应加热电源的同时，尽快研制出结构简单，易于频繁启动的串联谐振逆变电源。对高频领域的研究工作八十年代己经开始。浙江大学于1996年研制出20KW300KHZMOSFET高频感应加热电源，己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核试验中。SIT电源国内已经生产多年，可达300KW200LHZ300LHZ。1996年天津高频设备厂和天津大学联合研制开发出75KW200LHZ的静电感应晶体管SIT感应加热电源。同年，浙江大学50K、W50KHZ，IGBT电流型并联逆变感应加热电源通过鉴定。2003年浙江大学三伊公司研制成功100KWLOOKHZ的IGBT固体电源。国内近来有许多手提式MOSFET高频感应加热电源上市，最大功率达到40KW，频率在100KHZ200LHZ。总的来说，近年来国内在感应加热电源研究方面有了较大发展，但与国外的水平仍有相当大的距离。14高频感应加热电源的发展方向今后，高频感应加热电源的发展趋势主要有以下几个方面第一大功率、高频率。随着半导体功率器件MOSFET、IGBT、MCT、IGCT等的发展，将来高频感应加热电源必将朝着大功率和高频率相统一的方向发展。第二低损耗、高功率因数。随着功率器件的发展，再加上驱动电路的不断完善和优化，使得整个装置的损耗明显降低。随着对电网无功要求的提高，具有高功率因数的电源是今后的发展趋势【6】。第三智能化、复合化。随着感应加热生产线自动化控制程度及对电源可靠性要求的提高，高频感应加热电源正向自动化控制方向发展，具有计算机智能接口的全数字化高频感应加热电源正成为下一代发展目标。第四大容量化。从电路的角度来考虑感应加热电源的大容量化，可将大容量化技术分为二大类一类是器件的串、并联，另一类是多台电源的串、并联在器件的串、并联方式中，必须认真处理串联器件的均压问题和并联器件的均流问题，由于器件制造工艺和参数的离散性、限制了器件的串、并联数目，且串、并联数越多，装置的可靠性越差多台电源的串、并联技术是在器件串、并联技术基础上进一步大容量化的有效手段，借助于可靠的电源串、并联技术，在单机容量适当的情况下，可简单地通过串、并联运行方式得到大容量装置，每台单机只是装置的一个单元或一个模块。15论文的主要工作本论文研究的高频逆变电源即应用于感应加热技术。在对感应加热电源电路拓扑结构、槽路谐振特性和频率自动跟踪的分析基础上，设计了一种基于IGBT的并联谐振高频逆变电源的控制方法，重点完成驱动电路、频率跟踪电路、功率调节电路以及保护电路等的设计。主要工作包括几下几个方面1、对感应加热电路拓扑结构、功率调节，负载槽路谐振特性，逆变器的工作状态，频率6第擎绪沦球踪等办进IR技术分析，并确定了并联谐振高频逆变IU源的实现办案。2、设汁了仰KW20KLZI乜流型并联谐振高频逆变R乜源生I乜踏结构，灭橄抛负载特性要求，进行主要器件参数的计算及挺号选择。运用PCIICE仿真软件对主电路进行仿真。3、运用PL调节闭环控制实现PWM直流斩波功率调节电路提高系统的工作稳定性。4、进行了一种锁相环逆变器频率跟踪电路的设计，以实现在加热过程中负载参数变化时对谐振工作频率的自动跟踪，使得逆变器工作在容性近谐振状态，从而保证逆变器的运行安全。5、分析了逆变器中主丌关器件IGBT对驱动及保护电路的要求，完成了基于EXB84L的IGBT驱动及保护电路的设计，保证了功率丌关器件工作的安全性。7江南人学在职人员学位论文第二章感应加热电源的方案分析21逆变器拓扑结构感应加热的负载即感应线圈可以看作一个变压器，其原边为感应线圈，副边为被加热工件，如此就成了一个副边短路的特殊变压器。一般可以将感应加热工件和感应线圈用图21所示的电路等效，其中L和R分别为等效电抗和电阻，则其等效阻抗为ZR勺L。LR厂YYN口图21负载等效电路可以计算负载的功率因数尺螂舻面丽21设负载线圈中流过电流为I，则负载线圈有功功率凡，尺22无功功率骁，2础23负载的品质因数为Q鲁警五B24由此推得品质因数与功率因数的关系COS妒7每251Q2感应加热负载，一般其LR，即Q值比较大，因此功率因数很低，由参考文献提供的经验数据，熔炼、透热、及淬火等应用场合中的感应加热电源的功率因数一般为O05一O5。为了充分利用电源容量，我们需要提高电源功率因数，在感应加热电源中都是用电容器来补偿无功功率，如此整个负载回路就变成了由感应线圈等效负载和补偿电容器构成的谐振回路，根据补偿电容器与负载及感应线圈的连接方式的不同，感应加热电源的逆变器可以分为电压型串联逆变器和电流型并联逆变器两种典型的结构形式R刀如图22，图23串联谐振型逆变器利用电路串联谐振的原理，系统的谐振频率LC，逆变器工作于谐振状态下时，其等效阻抗为ZR，实际应用中一般负载电阻值都比较小，负载电路对前端电源呈低阻抗，要求由电压源对其供电，因此在逆变器前端整流环节要求并接大的滤波电容器C如图22，当C足够大时就可以认为逆变器的直流电源即系统整流环节是一恒压源。电路中与主开关器件反并联的二极管是为了在主开关器件关断期间给负载谐振电路提供电流通路，使主开关器件不受换流电容器上高电压的影响，一般IGBT器件内部封装有此反并联二极管。逆变器一般工作于准谐振频率上，负载功率因数可近似为L，输出负载电压为近似方波，电流为近似正弦波。串联逆变器是恒压源供电，8第一二章感戍加热电源的方案分析为了防止逆变器的同一桥臂的上下开关管同时导通造成直流电源短路，在电路换流过图22串联谐振逆变器FIG22SERIESRESONANTINVERTER图23并联谐振逆变器FIG23PARALIELRESONANTINVERTER程中应遵循先关断后开通的原则，在一定时间内所有的开关器件都处于关断状态，此段时间称为电路的死区时间，一般为2PS左右。在IGBT器件关断时，由于电路杂散电感和分布电感的存在，会有感生尖峰电压的产生，此尖峰电压对开关器件是一很大的威胁，可能损坏器件，因此实际电路中需要为开关器件并联阻容吸收电路以构成保护电路【81。_一并联谐振式逆变器利用电路的并联谐振原理，其谐振频率为LC，谐振状下时其等效阻抗为弘。很C。负载发生并联谐振时阻抗十分大，此时若用电压源对其供电则谐振附近电流较小，因此并联谐振逆变器要用电流源供电，则在逆变器前端的整流环节不要大电容滤波而是改用大的电感器滤波如图中K所示，此时整流环节即相当于一恒流源。在逆变器工作于准谐振状态时负载并联谐振回路对于负载电流中接近谐振频率的基波呈高阻抗，而对高次谐波呈低抗，谐波分量电压被衰减，负载两端电压为近似正弦波，电流为近似方波【9】。并联谐振式变器由恒流源供电，为了防止直流电源开路，逆变器上下桥臂的主开关器件不能同时关断电路换流过程中必须遵循先开通后关断的原则，使得有一定时间内所有开关器件都是导的，此段时间称作电路的重叠时问。由于直流电流源采用大电感滤波，大电感能够抑制电路电流的上升，所以一般不必考虑直流电源短路的问题【M】。由于IGBT内部封装有反并联极管，所以IGBT不能承受反向电压，因此在每个桥臂中要为每个主开关器件串联一同容量的电力二极管以承受换流后相应桥臂要承受的反压，如图23中所示二极管D1D4。从电路原理来看，电压型逆变器和电流型逆变器在各种变量的波形、电路的拓扑、还有电路的特性等方面都存在着对偶关系，下面以列表L一1形式加以特征对比。从图中的比较可以看出，串联谐振和并联谐振两种电路各有优缺点。在大功率的场合下，采用并联谐振逆变器配置无疑更具优势，原因如下1逆变器输出谐振电流大串联谐振压的谐振电压为输出电压的Q倍，负载变压器及谐振电容的耐受电压要求很高；9江南人学在职人员学位论文串联谐振逆变器并联谐振逆变器切换丌关的电流流向双向性单相性电压阻隔能力单相性双向性输出电压方波正弦波输出电流J下弦波方波反并联二极管需需串联快恢复二极管不需需线圈基频电压逆变器产生的电压乘以品逆变器产生的电压质因数Q流过线圈上的基频电逆变器产生的电流逆变器产生的电流乘以品质流因数Q构造简单较复杂短路承受能力差佳关断时间容忍度较差较佳表卜L串、并联谐振比较TAB1一LSERIESANDPARALLELRESONANTCOMPARISON而对于并联谐振变换，由于谐振电流为输出电流的Q倍，可以在负载侧获得比较大的电流。2在工件上建立交变电流的速度快因为并联谐振逆变器采用电流源供电，直接在负载上产生交变电流，而串联谐振逆变器是现在负载上加上交变电压，通过负载谐振产生正弦电流需要一定的建立时间。3过流保护容易并联谐振逆变器的负载电路对电源呈现高阻抗，由电流源供电，而电流源通常是由大电感来完成的。因此在逆变器发生故障短路时，由于大电感的限流作用，比较容易实现保护。串联谐振逆变器的负载电路对电源呈现低阻抗，由电压源供电，电压源通常由大电容来实现。因此在逆变器发生故障短路时，由于电容电压不能突变，因此瞬间电流会很大，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。4负载适应性好，负载匹配方式灵活负载匹配载阻抗匹配就是为了使电源输出额定功率，而采取的使负载阻抗等于电源额定阻抗的方法和措施。对于热处理行业的大部分负载来说，感应加热电源设备须经过负载阻抗匹配后才能J下常工作。电源与负载不匹配时，为保证不损坏电源设备，只能降额运行，降低了电源利用率，适当的匹配可以使电源全功率运行，保证设备正常运转，LO第二章感戍加热电源的方案分析减少故障。在实际中，很少有负载阻抗恰好等于电源额定阻抗的情况，负载匹配是感应加热装置安全可靠经济运行的一个必不可少的环节，是感应加热电源负载侧设计的重要内容。并联谐振电路等效阻抗ZD弧C，改变等效电路中的电容、电感、电阻的值都能改变阻抗，这一特性使并联谐振电路的阻抗匹配更加灵活。串联谐振电路的特性决定改变等效电容和电感值不能改变谐振状态的等效阻抗，静电耦合负载阻抗匹配方案中很难适用于串联谐振电路，串联谐振电路一般采用匹配变压器进行负载匹配。并联谐振电路可用静电耦合和电磁耦合进行负载阻抗匹配，匹配方法灵活，对负载适应性强。5通过采用全控型器件，启动性能可以媲美串联谐振逆变器，关断时问很短，不存在换相失败问题112L，对谐振电路属性没有严格要求，电压上升率D矿出低，设备的故障率低。6管子利用率高，使用成本低。电流源并联谐振逆变器在所有的感应加热逆变器中的每千瓦成本最低综合上面各方面因素，本文对负载匹配选用并联谐振匹配的形式，并采用电流型逆变器作为所设计感应加热电源的逆变环节。22并联谐振逆变器负载及谐振槽路特性补偿电容与感应线圈并联后作为电流型并联谐振逆变器的负载，因此可将该负载等效为电阻R和L串联后与C并联的电路，如图24所示。整个感应加热电源等效为一个交流电源E乜SIN国F，且假设其内阻为零，则流过感应线圈和补偿电容的电流，三R图24并联谐振负载FIG24PARALLELRESONANTLOAD手志ZIN叫LIC导J钞C釜Z、2627一江南人学在职人员学位论文I_二二二二二二一一，。一，；一尺归彩2FC月2C一三；卜L旦锩竞俨E并联谐振电路的总阻抗为Z争坐譬筹幽L瓜L逆变器工作在谐振状态下时，其负载阻抗的虚数项为零玉0C辩CLO因此谐振时的逆变器的角频率为2829210对于2一L1有叩压212进一步分析可知，随着电阻R的增大，谐振频率将减小直至为零，所以为了获得合适的谐振频率点，R值选择尽可能的小。将谐振角频率用频率来表示，则逆变器谐振工作频率为。蔬213将式223代入式221，即得到逆变器工作在谐振状态时感应加热电源输出到负载的蛾乏蔫三譬三弦负载谐振阻抗Z0半去QZR215”尺CR1其中Q警瓦B为负载品质因数。这时感应线圈和补偿电容中的电流为妻志云譬一M像OF觑CE2。17Z其模分别为ICE警QQL，ILE阿咄厢嘁J2218219第二章感戍加热电源的方窠分析由式29，213，214可知，当逆变器工作在谐振状态时，感应加热电输入负载的电流不大，但感应线圈和补偿电容上的电流却很大，是电源输入电流的Q倍，其中Q值的大小由感应线圈和加热负载本身的特性决定。当感应加热电源输出电流频率变化，且忽略负载电阻影响时，可以得到并联负载电路的电抗X三X的频率特性图如26所示，立协2。旦一G国J。秽国RI一I糊图26并联谐振电路阻抗X的频率特性FIG26FREQUENCYCHARACTERISTICOFPARALLELRESONANTCIRCUITIMPEDANCEX由该图可看出L、并联谐振电路的谐振频率点由L和C的大小来确定，在实际应用中，L和R的值是由加工工件负载所决定的，所以往往通过并联电容C来改变整个负载的谐振频率点。2、随着频率向谐振频率点靠拢，负载阻抗增大，电流降低，在谐振频率点，电源输出的电流可达到最小，对于电源来说是有利的。根据并联电路的品质因素Q竺迕上，只锻电路的R往往很小，Q值较高，此时虽然逆变电源的输出电流很小，但是流过电容C和电感L的电流仍然会很大。3、电路频率偏离谐振点越远，电路的阻抗Z欲就越小，而且当Q值这个变化更加明显，也就是说，Q值越大，Z在谐振频率点附近的变化也越大。4、当逆变器工作频率大于谐振频率F坛时，负载表现为容性；当逆变器工作频率小于谐振频率FFO，逆变器工作频率高于负载固有谐振频率时，负载呈现容性14第一二章感癍加热电源的方案分析状态，逆变器输出电压相位滞后于输出电流。在这种状态下其工作过程如下当某一时刻开关器件VTL、VT3导通时，直流电流ID经开关VTL一负载一开关、厂R3形成回路，负载电流为正向，此时，VT2、VT4都处于关断状态，由于电压落后于电流，二极管VD2、VD4承受反压，当负载电压过零变为正向后，二极管VD2、VD4导通，VT2、VT4承受正向正弦电压当负载正向电压还未过零时，在VT2、VT4上加导通脉冲，在负载电压作用下与VTL、VT3发生换流当换流结束后，在VTL、VT3上加关断脉冲，VTL、VT3在小电流下关断当VTL、VT3关断以后，电流ID经VT2一负载一VT4形成回路，电流为负向，此时电压仍为正向，则二极管VDL、VD3承受反压当负载电压过零变为负向电压时，二极管VDL、VD3导通，VTL、VT3承受正向正弦波电压，当负载负向电压还未过零时，在VTL、VT3上加导通脉冲，同样在负载电压的作用下与VT2、VT4发生换流，换流结束后将VT2、VT4关断，其过程与前半周期相似。这样就完成了一个周期的工作，该过程中各，点的波形如图29所示。其中IO为负载电流，UO为负载电压，UA为逆变器输入电压。L厂广。IJUL八八川U弋趴厂厂吨八八F一图27FFO时逆变器各点波形FIG27THE霄AVEOFINVERTERPOINTSWHENFFOTTTLI广厂。U一L弋；八八|VVK、八八入八RNNYN、F7TTT图28FFD时逆变器各点波形FIG29THEWAVEOFINVERTERPOINTSWHEN珍FOTTT由以上分析可知对于自关断器件组成的并联型逆变器容性工作状态是一种良好的工15江南人学在职人员学位论文作状态在实际运行中也是可靠的当然容性相角即超前角小要适当过小的容性相角可能会因为换流电压太小换流时间太短不能实现桥臂问的完全换流负载电压就已反向可靠换流只能靠强制关断来实现过大的容性相角会使负载功率因数降低在一定的输入直流电压的情况下使得功率丌关及负载电容的电压容量提高，所以并联谐振逆变电源工作于弱容性状态较好【161。24并联谐振逆变器的调功方法由于在感应加热过程中，负载等效参数随温度变化以及加工工艺的需要，电源应对负载进行功率调节【R71。并联谐振逆变器的调功方法可分为两类直流调功和逆变调功。一、直流调功直流调功可以大范围调节功率，而且功率调节的线性比较好。但是必须在逆变桥前级加可控电路。在实际应用中，通过调节DCDC变换器的输出电压来调节感应加热电源的输出功率。也有采用输入可控整流来调节功率，常见的直流电压的调节有几种方法1三相PWM整流技术三相PWM整流技术可以使功率因数得到有效的提高，但由于高频PWM同样使交流侧的高次谐波含量大，目前使用软开关技术的三相PWM整流技术正在研究阶段，并不成熟。而且使用的全控型功率器件过多，价格上面不具优势。所以目前一般很少应用。2三相晶闸管可控整流三相晶闸管可控整流的特点是电路简单，成本低，但负载电压的谐波分量大，输入功率因数低，电流谐波成分大，对电网污染严重，如果形成电压反馈闭环，动态响应慢，难以适应高性能调功的需求。另外，三相桥式全控整流电路对于网侧相当于一个包含高次谐波的电流谐波源；对于负载侧相当于一个包含高次谐波的电压谐波源。这些谐波电流一方面将引起电网的谐波损耗，另一方面其在传输线上流动时将引起传导和射频干扰，造成对它敏感的设备、继电器以及控制线路等的谐波干扰危害【2们。3直流PWM斩波调功方案DCPWMPULSEWIDTLLMODULATION方案是指在采用不控整流得到直流电压，然后在直流母线侧采用斩波电路，通过改变占空比D的大小来调节直流输出电压，实现对输出功率的调节。为了减小逆变器上功率器件的电压降，一般采用降压BUCK斩波的方式。直流PWM斩波方式具有如下优点1功率因数高，由于采用不控整流电网侧的功率因数高，通过频率跟踪控制得到逆变侧功率因数可以接近于L。2由于使用高频斩波方式，动态响应快，保护容易。3由于斩波频率较高，平波电抗器L的尺寸可以做得比较小。4使用的主动功率器件少，成本低。但由于斩波器件工作在硬开关状态，也存在开关损耗大，当频率高，功率大时容易出现过压、过压和热损坏等不足。16第二章感应加热电源的方案分析二、逆变调功逆变侧调功即在逆变器侧通过对逆变环节功率器件开通关断的控制改变逆变器输出电压的参数从而实现对逆变器输出功率的调节【181。通常有脉冲频率调制法PFM、脉冲密度调制法PDM和脉冲宽度调制法PWM几种。逆变调功的方法与直流调功的方法相比，前者在直流侧采用不控整流，简化整流器控制电路，提高系统网侧功率因数，同时逆变侧功率调节的响应速度比采用直流侧调节要快。但此时逆变的角度随功率的改变而改变，频率的跟踪不易实现，负载不易保持工作在谐振频率附近，而且桥臂丌关在工作时属于硬开关状态，在大角度换流时，开关管的损耗很大，这对于进一步提高功率和工作频率时是很不利的。采用可控整流器通过逆变器的输入电压来调节功率，则电源整流器输出功率的功率因数会随着整流器触发角的变化而变化，从而使电源效率受影响。斩波调功在直流电压下工作，供电功率因数高，对电网的谐波干扰小电路的工作频率高。综合比较，本文选用不控整流加斩波的调功方式。如图210所示。VVIZZSZSILIOHZ负载ZSZZS图2一LO不控整流加直流斩波调功方式FIG210UNCONTROLLEDRECTIFIERANDDCCHOPPERPOWERADJUSTMENTMETHOD25并联谐振的频率跟踪工件加工过程中，其物理性质电阻率、导磁率等都会随温度不断变化，导致负载的谐振频率岛也随着时间变化。当逆变器工作频率F与谐振频率昂偏离到一定程度，并联谐振逆变电路可能从原来的容性工作状态偏离到感性工作状态，甚至逆变器无法工作。因此，如果逆变器的触发电路在他激信号作用下，使电路以固定频率工作，是无法适应大多数负载的。当然，可以采用改变他激信号频率或增加补偿电容C的方法，来维持逆变电路的工作条件，但在实际应用中都难以实现。因为通过上述两种方法无法跟踪随时变化的负载参数，尤其在负载端Q值较高时，工作频率F稍微偏离谐振频率晶，其负载阻抗的幅值和相角均产生很大的变化。所以可行的办法是使触发频率受控于负载端，让电源工作频率跟随负载频率而变化。按照负载信号被加工处理的方式，自动调频方式可分为瞬时值和平均值两大类。所谓瞬时值方式，是指按照负载信号实时值逐周进行比较，并根据其结果逐周进行控制的方式。其优点是工作频率对于负载谐振频率反应迅速，控制精确；缺点是抗干扰能力较弱。17江南人学在职人员学位论文平均值方式是按照负载信号的平均值进行控制，由于其信号是由瞬时值经限幅和滤波等环节加工而成，具有较大的惯性，不可能实现逐周控制，而是对某一时域进行控制【19】，所以不可避免的缺点是反应比较慢，其优点是抗干扰能力较强。本课题采用的是平均值定时超前控制的频率跟踪方式。即通过检测负载电容电压的过零点，提前T时刻产生方波信号，作为IGBT的门极控制信号，如图21L所示。其中T的时间由锁相环路的延时时间决定，与负载频率F无关。与瞬时值下的定时方式相比，只需要一个负载电容电压的信号，简化了信号采样电路。由锁相环路的延时时间不仅很方便的调节触发信号的提前时间T，而且还可以补偿信号转换电路和IGBT驱动电路所带来的系统延时时间。有关具体的控制方式，本文将在第四章中做详细的介绍。TI图2一11锁相环相位补偿FIG2一LLPLLPHASECOMPENSATION26本章小结本章主要介绍了在高频逆变电源中应用的各项技术，对逆变电源装置涉及的谐振槽路，直流调功方法，逆变器换流以及频率自动跟踪等做了一些分析和介绍；比较说明了在本文应用的高频逆变电源中，调功部分采用不控整流及P1JIM直流斩波的优点，逆变器选择电流型的并联逆变方式的合理性；分析了控制逆变装置工作于弱容性状态的必要性，根据加热负载的特点，分析了谐振频率跟踪的一些基本思路。第二二章高频逆变电源主电路设计第三章高频逆变电源主电路设计31主电路结构及工作原理D图3一L并联谐振感应加热电源的主电路FIG31THEMAINCIRCUITOFPARALLEIRESON8NTINDUCTIONHEATINGPOWEFSUPPLY电源的主电路如图31所示，并联谐振逆变电源的主电路由三相不控整流桥、直流斩波器、电流源并联谐振逆变器和负载匹配电路四部分组成。三相交流输入经过桥式不控整流桥整成脉动的直流电压，在经过电容CD对直流电压平滑滤波后，该电压被输出到直流斩波器进行斩波功率调节。直流PWM斩波功率调节电路中在TO时刻驱动VT导通，电源向负载供电，因负载中有电阻和电感，负载电流IO按指数曲线上升，至TTK时刻，控制VT关断，负载电流经二极管VD续流，负载电压UO近似为零，负载电流呈指数下降。为了减小负载电流的脉动，串接较大值电感L，使负载电流能连续，到一周期再触发，重复上述工作。到稳态时，一周期内电流的初值与终值应相等。负载电流连续时，负载端直流输出电压的平均值为砜鲁吼_口，式中玑为不控整流ZI十12输出电压，厶为VT的导通时间，F，为的断电时间，口为导通比，小于1，它与玑成正比关系，改变导通比口，就可以使砜从零到U。之间连续变化。逆变器的输入可以看成是功率可调节的近似恒流源。逆变桥轮流使器件导通，由于是电流源供电，输出电流近似为方波，负载对基波分量呈高阻。压降较大，而三次及三次以上谐波产生的压降较小，可近似认输出电压为正弦波。我们在并联谐振逆变器的逆变桥臂的每一个IGBT上一个二极管，通过IGBT的正向电流也将全部通过串联二极管，这就要求串联二极管能够通过很大的正向电压和承受很高的反向电压，因此必须是快速恢复二级管【20L【211，该二极管起两个作用1如果器件内部设有反并联二极管，在逆变器工作过程中，所串联的快速二极管可以避免开关器件因承受反向电压而损坏；2如果开关器件内部已有反并联快速二极管，虽然开关器件此时不承受反向电19江南人学在职人员学位论文压，但是因为反并联二极管的存在，当线路出现反向电压时，逆变桥臂问引起较大的环流，可能导致器件因过流而损坏，此时串联快速二极管能使得承受反向电压而不导通，起到阻断环流的作用【22】。32主电路的参数计算和器件选型321整流电路设计的高频感应加热电源的基本参数为【1】输出功率PO40KW【2】谐振频率石20KHZ【3】输入电源UL380V，产50HZ，3PH1整流桥的选择由本课题要求采用三相交流UL380V电源，计算整流后电压为135U513矿设整机的效率为7790整流器的功率只垒巡州4W。刁O9整流器的输出电流313233L孕竽86蒯34。U。5137流过二极管D1D6的电流平均值厶妻L289彳35流过二极管D1D6的电流有效值，L50彳363整流二极管的耐压计算公式可参考URRMUAC211口37根据电网电压，考虑到起峰值，波动等因素，可取波动系数为11，安全系数口152，L因此ULU洲380211152887L182矿所以取其额定电压为1200V二极管的通态平均电流，R定额并留有裕量152O368L1520368866478637彳38根据以上分析选用额定电压为1200V，额定电流为75A的二极管器件。3滤波电解电容CD空载直流电压为513V有负载时直流电压约下降LO，约甜5