IGBT高頻感應(yīng)電源加熱逆變電源研制

　　引言

　　本文以IGBT高頻感應(yīng)加熱電源為研究對(duì)象，首先介紹了課題的背景，國(guó)內(nèi)外高頻感應(yīng)加熱電源的發(fā)展現(xiàn)發(fā)展也做了就愛(ài)你要的介紹，并簡(jiǎn)述本課題所做工作的主要內(nèi)容。

　　本文從感應(yīng)加熱的基本原理出發(fā)，對(duì)感應(yīng)加熱電源中的電流型逆變器和電壓型逆變器作了比較分析，對(duì)感應(yīng)加熱電源常用的兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，重點(diǎn)介紹了關(guān)于串聯(lián)型感應(yīng)加熱的特點(diǎn)，由于其具有結(jié)構(gòu)就愛(ài)你但、加熱效率高、設(shè)備體積小等優(yōu)點(diǎn)，得到串聯(lián)型你變器拓?fù)涓雍线m高頻感應(yīng)電源的結(jié)論，因此成為本課題的選定的方案，也時(shí)整機(jī)制的理論基礎(chǔ)。并分析了感應(yīng)加熱電源的各種調(diào)用方式，對(duì)諧振槽基本理論進(jìn)行了詳細(xì)的分析。

　　整機(jī)制首先要選擇合適的器件，在本文對(duì)主演的器件的參數(shù)、結(jié)構(gòu)特性、驅(qū)動(dòng)要求等進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明。

　　在選擇合適的器件的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出的整機(jī)的結(jié)構(gòu);其中包括整流環(huán)節(jié)、逆變環(huán)節(jié)、驅(qū)動(dòng)技術(shù)、保護(hù)措施等。在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行大量的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，選定電源的控制與保護(hù)等環(huán)節(jié)的實(shí)現(xiàn)方案。并對(duì)實(shí)驗(yàn)波形進(jìn)行了測(cè)試和分析，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用來(lái)驗(yàn)證了以上理論的正確性。論文最后對(duì)本課題所做的工作做了一個(gè)簡(jiǎn)單的總結(jié)。

　　關(guān)鍵詞：高頻，感應(yīng)加熱，串聯(lián)逆變，全橋主電路，IGBT

　　IGBT FREQUENCY INDUCTION HEATING POWER MANUFATURE

　　LEADER

　　This paper has researched high frequency solid induction heating power supply. In the first, it has introduced the development and history of high frequency induction heating power in the world and in our country; it has introduced the development and history of power electronic devices and the history knowledge of induction heating also.

　　In the next ,it has introduced the basic knowledge of induction heating .It has analyzed the two main topologies that are often used in induction heating power supply ,and analyzed power regulating methods of induction heating supply .The basic principals of the resonant tank are also analyzed in this paper because this ,we drawn a conclusion that if power is regulated in the rectifier ,then it will be easy to enhance power capacity and enable the power supply to work on high frequency .The molds of passive element are analyzed and after the analyzed it has got the guide during the selection of passive elements.

　　The electrical design of whole power supply is given .The control diagram of rectifier ,inverter and inverter driver and protection circuit are all given here .simulation waveforms are also given in this chapter .In has a brief summation for the whole dissertation .

　　KEY WORDS: high frequency ,Inducting heating ,Series resonant inverter ,Full—bridge.

　　1、緒論

　　1.1 選課意義

　　由于電磁感應(yīng)加熱具有計(jì)算熱效率、升溫快、可控性好，且易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，感應(yīng)加熱變頻裝置已越來(lái)越廣泛的應(yīng)用于熔煉、透熱、淬火、彎管、焊接、加熱等工業(yè)領(lǐng)域，已取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。感應(yīng)加熱變頻電源裝置的發(fā)展方向時(shí)沿著大容量、高頻率、高效率、智能化、并以提高可靠性、拓寬用途為目標(biāo)。

　　80年代出現(xiàn)的絕緣柵雙極晶體管(IGBT)因具有開(kāi)關(guān)頻率高、驅(qū)動(dòng)功率小通態(tài)壓降小、電流密度大等優(yōu)點(diǎn)而得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[1]。在此之前，晶閘管中頻電源和電子管式高頻電源裝置是應(yīng)用于感應(yīng)加熱的主要產(chǎn)品，但他們都有體積龐大，價(jià)格昂貴，能耗大，效率偏低的共同缺點(diǎn)。

　　國(guó)外市場(chǎng)早在九十年代初就已出現(xiàn)IGBT感應(yīng)加熱變頻電源。隨著IGBT制造和應(yīng)用技術(shù)的不斷的發(fā)展，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上已出現(xiàn)功率達(dá)五六百千瓦和頻率高達(dá)80KHZ的感應(yīng)加熱頻率電源，能耗降低，使用效率高。但是電子管式高頻電源裝置。

　　目前我國(guó)國(guó)內(nèi)的IGBT感應(yīng)加熱電源有中頻(500HZ—10KHZ)和高頻(10KHZ—50KHZ)系列，而高頻系列的感應(yīng)加熱電源仍以小功率為主導(dǎo)產(chǎn)品;80KHZ以上的大功率裝置仍處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段，市場(chǎng)主導(dǎo)產(chǎn)品仍然是電子管式高頻電源裝置。

　　為了滿(mǎn)足廣大用戶(hù)的實(shí)際需要同時(shí)為達(dá)到國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平我們準(zhǔn)備采用簡(jiǎn)單的電路控制技術(shù)、低價(jià)的成本，制造和還發(fā)出具有廣泛的應(yīng)用范圍、能耗低、使用效率高的IGBT感應(yīng)加熱電源裝置當(dāng)熱更大功率和更高的IGBT感應(yīng)加熱電源裝置的制造和開(kāi)發(fā)仍然有非常大的發(fā)展空間，有待我們進(jìn)一步去研究和開(kāi)發(fā)。

　　高頻感應(yīng)加熱技術(shù)是二十世紀(jì)初發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)加工技術(shù)，由于它具有加熱速度快材料內(nèi)部發(fā)熱和熱效率加熱均勻且有選擇性，產(chǎn)品質(zhì)量好幾乎無(wú)環(huán)境污染易于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化等一系列優(yōu)點(diǎn)而得到迅速推廣目前這種加熱技術(shù)在機(jī)床制造、起床、拖拉機(jī)制造、軸承制造、量具、刃具制造及一般機(jī)械零件制造中都得到廣泛應(yīng)用并且其應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大。

　　IGBT高頻感應(yīng)加熱電源設(shè)備可比同類(lèi)電子管式電源大幅度提高電能效率，明顯降低冷卻用水量，節(jié)水節(jié)能效果顯著;裝置體積小、無(wú)噪音、無(wú)污染、大大改善工作環(huán)境;同時(shí)可以替代國(guó)外進(jìn)口電源設(shè)備。為國(guó)家節(jié)約外匯資金。

　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。傳統(tǒng)的工頻加熱由于耗能高、重量體積笨重、加熱性能差等缺點(diǎn)已不滿(mǎn)足各行各業(yè)的需要，因而急待研究性能更好的代替產(chǎn)品。逆變電源體積小、重量輕高效、節(jié)能具有優(yōu)越的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，因此成為各加熱行業(yè)最具有前途的發(fā)展方向，現(xiàn)代電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展為研究高頻你邊加熱電源奠定了基礎(chǔ)。

　　基于以上討論，本課題選擇研究全固態(tài)高頻感應(yīng)加熱電源，目的旨在進(jìn)一步提高金屬的加熱處理和加工工藝。

　　1.2課題主要內(nèi)容

　　選課題希望通過(guò)對(duì)IGBT應(yīng)用技術(shù)和3525脈寬調(diào)制器應(yīng)用技術(shù)的研究，串聯(lián)諧振逆變器感應(yīng)加熱的原理分析，做成50KHZ、40KW的高頻感應(yīng)加熱電源裝置，達(dá)到國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平。

　　研究?jī)?nèi)容分三部分：

　　1、用3525脈寬調(diào)制器作為主控制器件做成具有方波跟蹤的主控線(xiàn)路板;

　　2、優(yōu)化布線(xiàn)，減少分布電感對(duì)開(kāi)關(guān)器件正常工作的干擾;

　　3、用IGBT作為開(kāi)關(guān)器件愛(ài)你，二極管三相不可控整流橋以及及電容、電感組成的諧振器件做成50KHZ，40KW的高頻感應(yīng)加熱電源裝置。

　　2、高頻感應(yīng)加熱電源的發(fā)展和趨勢(shì)

　　2.1 電力電子器件的發(fā)展

　　1957年，美國(guó)研制出世界上第一之普通的(400HZ)反向阻斷型可控硅，后來(lái)成為晶閘管(SCR)。經(jīng)過(guò)60年代的工藝完善和應(yīng)用開(kāi)發(fā)，到了70年代，晶閘管已形成從低壓小電流到高壓大電流的系列產(chǎn)品。在這期間，世界各國(guó)還研制出一系列的派生器件，如不對(duì)稱(chēng)晶閘管(ASCR)、逆導(dǎo)晶閘管(RCT)、雙向晶閘管門(mén)極輔助關(guān)斷晶閘管(GATT)、光控晶閘管9LASCR)以及80年代迅速發(fā)展起來(lái)的可管段晶閘管(GTO)。由于晶閘管及其派生器件所構(gòu)成大額各種電力電子裝置在工業(yè)應(yīng)用中主要解決了傳統(tǒng)的電能變換裝置中所在存在的能耗大和體積笨重的問(wèn)題，因此電能的利用率大大地提高了，同時(shí)也是工業(yè)噪音得到一定的控制。目前在internet上可以查到的高壓大電流晶閘管有POWEREX推出的用于高壓交流開(kāi)關(guān)和靜止無(wú)功發(fā)生器用的1200V/1500V的晶閘管。

　　1948年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了第一只晶體管以來(lái)，經(jīng)過(guò)20多年的努力，到了70年代，用于電變化的晶體管(GTR)已進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，由于GTR自關(guān)斷能力且開(kāi)關(guān)速度可達(dá)20KHZ，在PWM技術(shù)中一度得到廣泛的應(yīng)用，并且促使裝置性能進(jìn)一步的提高和傳統(tǒng)直流電源裝置的革新，出現(xiàn)了所謂的“20前周革命”，但因功率晶體管的存在二次擊穿、不易并聯(lián)以及開(kāi)關(guān)皮綠仍然低等問(wèn)題，他的應(yīng)用受到了限制。

　　70年代后期電力半導(dǎo)器件在高頻話(huà)進(jìn)程中一個(gè)標(biāo)志器件，功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(power MOSFET)開(kāi)動(dòng)進(jìn)入使用階段，進(jìn)入80年代，人們有在降低器件的導(dǎo)通電阻，消除寄生效應(yīng)、擴(kuò)大電壓和電流容易以及驅(qū)動(dòng)電路集成化等方面進(jìn)行大量的研究，取得了很大的進(jìn)展。功率場(chǎng)效應(yīng)管應(yīng)用最廣的是電流垂直流動(dòng)結(jié)構(gòu)的器件(VDMOS)。它具有工作頻率高(即使千赫茲、抵壓管可達(dá)兆赫)、開(kāi)關(guān)損耗小、安全工作區(qū)寬(不存在二次擊穿的現(xiàn)象)、漏極電流為負(fù)極溫度特性(易于并聯(lián))、輸入阻抗高等優(yōu)點(diǎn)，是一種場(chǎng)控型自關(guān)斷器件，是目前電力電子技術(shù)發(fā)張的主要器件之一。100A/1000V的VDMOS已商業(yè)化，研制水平達(dá)250A/1000V，其電流的容量還有繼續(xù)增大的趨勢(shì)，盡管VDMOS器件的開(kāi)關(guān)速度非?？?，但其導(dǎo)通電阻與U2.5成正比，這就限制了他在高頻中、大功率領(lǐng)域的應(yīng)用。

　　80年代電力電子器件較為引人矚目孫灣成就之一九十開(kāi)發(fā)出雙擊型符合器件，研制符合器件的主要目的是實(shí)現(xiàn)器件的高壓、大電流參數(shù)同動(dòng)態(tài)參數(shù)之間的最合理的折中，時(shí)使其謙有MOS器件和雙極性器件的突出特點(diǎn)，從而產(chǎn)生初較為理想的高頻、高壓和大電流的器件，目前被認(rèn)為最具有發(fā)展前途的符合器件是絕緣柵雙極性晶體管IGBT和MOS柵控晶閘管MCT(MOS controlled thirstier)。

　　IGBT于1982年在美國(guó)率先研制出樣品，1985年開(kāi)始投產(chǎn)使用，目前最高電壓已經(jīng)達(dá)到4500V，最大電流可為1800V，MCT是80年代后期出現(xiàn)的另一種比較理想的器件，目前研制的水平為300A/2000V,1000A/1000V最高電壓可達(dá)3000V。

　　80年代期間發(fā)展起來(lái)的靜電感應(yīng)器件SIT(static induction transistor)和靜電感應(yīng)晶閘管SITH( static induction thirstier )是利用門(mén)極電場(chǎng)改變空間電荷區(qū)寬度來(lái)開(kāi)閉電流通道的原理研制成的器件。

　　2.2高頻逆變電源的特點(diǎn)

　　和傳統(tǒng)的電源相比不同，高頻逆變電源在電網(wǎng)側(cè)直接整流為直流，然后經(jīng)逆變橋變換為高頻輸出。逆變電源具有優(yōu)越的性能指標(biāo)，主要優(yōu)點(diǎn)包括：

　　一、重量輕、體積小、沒(méi)有工頻變壓器，節(jié)約了銅鐵等制造材料、提高了靈活機(jī)動(dòng)性。

　　二、高效節(jié)能，具有較低的損耗和較高的功率因數(shù)。

　　三、性能優(yōu)良，晌應(yīng)周期為微妙級(jí)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)名行為的控制，改善加熱質(zhì)量。

　　四、一機(jī)多用，可以再不改變主電路的條件下，采用電子控制電路，實(shí)現(xiàn)多功能化。

　　2.3 高頻逆變電路的發(fā)展趨勢(shì)

　　高頻逆變電源的發(fā)展與電力電子技術(shù)和器件的發(fā)展密切相關(guān)，高頻逆變式電源正是隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的。

　　感應(yīng)加熱技術(shù)的從誕生至今，經(jīng)過(guò)近百年的發(fā)展，取得了令人矚目大成果，尤其是六十年代以后，固態(tài)電力電子器件的出現(xiàn)與發(fā)展，使感應(yīng)加熱技術(shù)和現(xiàn)代化生產(chǎn)方面密切相關(guān)，發(fā)揮了很大的作用，因此世界各國(guó)都十分的關(guān)注感應(yīng)加熱電源技術(shù)的發(fā)展，并投入了相當(dāng)?shù)慕?jīng)濟(jì)支持和技術(shù)力量。目前傳統(tǒng)的感應(yīng)加熱電源與固態(tài)感應(yīng)加熱電源取長(zhǎng)補(bǔ)短，互補(bǔ)共存。

　　目前逆變式電源雞蛋戶(hù)爭(zhēng)朝以下方向發(fā)展:

　　一、沿20KHZ的技術(shù)路線(xiàn)開(kāi)發(fā)研制50KHZ、100KHZ級(jí)的逆變式電源。

　　二、探索旨在降低電力電子器件開(kāi)關(guān)功耗，提高開(kāi)關(guān)頻率的零電壓，零電流開(kāi)關(guān)(軟開(kāi)關(guān))技術(shù)，其中包括電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工程實(shí)現(xiàn)。高頻(1~10MHZ，實(shí)驗(yàn)室已達(dá)數(shù)百瓦水平;在100KHZ級(jí)達(dá)幾千瓦水平。高頻諧振軟開(kāi)關(guān)技術(shù)只有在數(shù)百KHZ以上才能充分顯示其巨大的優(yōu)越型，由于器件、材料和技術(shù)上的原因，在今后較長(zhǎng)德?tīng)栆欢螘r(shí)間內(nèi)，高頻逆變式電源依然以硬開(kāi)關(guān)技術(shù)為主，但軟開(kāi)關(guān)技術(shù)愈來(lái)愈多得到開(kāi)發(fā)成果和樣機(jī)【1】。

　　三、研制和生產(chǎn)大容量的逆變式電源。為適應(yīng)市場(chǎng)生物需求，大功率、高頻率逆變式電源已經(jīng)引起越來(lái)越多人的關(guān)注，大量研發(fā)工作正在進(jìn)行，而且容量還在不斷的增加。

　　四、研制和生產(chǎn)大容量的逆變式電源。為適應(yīng)高質(zhì)量、高性能和加熱工作的市場(chǎng)需要，愈來(lái)愈多的研究開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)智能控制的逆變式電源，其中包括了波形控制和模糊控制技術(shù)，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動(dòng)跟蹤技術(shù)等等。采用波形控制和模糊控制技術(shù)的逆變式電源，在日本、美國(guó)、法國(guó)等國(guó)已有批量產(chǎn)品，我國(guó)已有研究開(kāi)發(fā)成果和樣機(jī)。

　　五、研究功率因數(shù)校正和減少電網(wǎng)諧振干擾。沒(méi)有錢(qián)串聯(lián)逆變式電源的輸入整流濾波單元均采用不可控二極管整流和大容量濾波電容，他會(huì)產(chǎn)生交變的嚴(yán)重非正弦化和窄脈沖電流，導(dǎo)致有的逆變器功率因數(shù)很低。輸入電流波形和提高功率因數(shù)已成為重要的課題，特別是對(duì)三項(xiàng)相和中大功率的逆變式電源需要進(jìn)一步開(kāi)展功率因數(shù)校正干擾和減少電玩那個(gè)諧振波的研究。

　　2.4我國(guó)逆變式電源發(fā)展所存在問(wèn)題

　　在高頻逆變式電源的發(fā)展過(guò)程中，國(guó)外是以企業(yè)為主體的商業(yè)化開(kāi)發(fā)，因此產(chǎn)品導(dǎo)航市場(chǎng)而且技術(shù)報(bào)道少，在國(guó)內(nèi)主要是高等院校等研究機(jī)構(gòu)推動(dòng)了逆變式電源的發(fā)展，如浙江大學(xué)等研究單位我做了很多的工作，已企業(yè)為主體的技術(shù)創(chuàng)新上有差距。

　　從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，高頻逆變式電源是發(fā)展的放向，但是由于高頻逆變式電源發(fā)展時(shí)間不長(zhǎng)，所以技術(shù)還帶與完善，由于逆變頻率高，高頻逆變式電源的調(diào)節(jié)范圍大，工作在空載、負(fù)載和短路等不同狀態(tài)下，環(huán)境條件惡劣;對(duì)設(shè)計(jì)提出來(lái)很高的要求，當(dāng)前高頻逆變式電源面臨生物主要問(wèn)題是提高向能和改善可靠性。事實(shí)證明，產(chǎn)品可靠性是占領(lǐng)市場(chǎng)的關(guān)鍵?？煽啃詥?wèn)題是系統(tǒng)工程問(wèn)題，涉及許多技術(shù)因素，特別瑟吉是在大功率高頻逆變式電源中，開(kāi)關(guān)器件承受的電流大，電壓高，需要優(yōu)良的開(kāi)關(guān)器件及其相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路和控制電路。

　　2.5 國(guó)外感應(yīng)加熱技術(shù)現(xiàn)狀

　　低頻感應(yīng)加熱的特點(diǎn)是透熱深度深、工件景象溫差小，因此熱應(yīng)力小，比較適合大型工件的整體透熱、大容量爐的容來(lái)呢和保溫。目前，在低頻感應(yīng)加熱場(chǎng)合普遍使用創(chuàng)痛的工頻感應(yīng)加熱爐。國(guó)外的工頻感應(yīng)加熱裝置可達(dá)數(shù)百兆瓦，用于數(shù)十噸生物大型工件的透熱或百頓的剛睡保溫，預(yù)計(jì)短期內(nèi)，一股太器件構(gòu)成的低頻感應(yīng)加熱電源在功率容來(lái)那個(gè)、價(jià)格和可靠性方面海難以于簡(jiǎn)單的工頻感應(yīng)爐競(jìng)爭(zhēng)，雖然其效率、體積和性能均優(yōu)于工頻爐。

　　在中頻(150~10KHZ)范圍內(nèi)，晶閘管感應(yīng)加熱裝置已完全取代了傳統(tǒng)的中頻發(fā)電機(jī)組和電磁倍頻器，國(guó)外的裝置容量已達(dá)數(shù)十兆瓦。

　　在超音頻(10~100KHZ)范圍內(nèi)，早起基本是空白，晶閘管出現(xiàn)以后一度曾采用晶閘管已時(shí)間分割電路和倍頻電路構(gòu)成的超音頻電源。八十年代開(kāi)始，隨著一系列新型功率器件的相繼出現(xiàn)，已這些新型期間愛(ài)你(主要有GTO\GTR\MCT\IGBT\BSIT和SITH)構(gòu)成的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的全橋型超音頻固態(tài)感應(yīng)加熱電源逐漸占據(jù)了主導(dǎo)地位，其中以IGBT應(yīng)用最為普遍，愛(ài)河時(shí)因IGBT使用起來(lái)發(fā)行便可靠，很受電路設(shè)計(jì)者的歡迎。1994年日本采用IGBT研制出了1200KW/50KHZ的電流型感應(yīng)加熱電源，你逆變器工作于零電壓開(kāi)關(guān)狀態(tài)，市現(xiàn)率微機(jī)控制。西班牙在1993年也已經(jīng)報(bào)道了3—600KW/100KHZ的IGBT電流型感應(yīng)加熱電源，歐、美地區(qū)的其他一些國(guó)家，如英國(guó)、法國(guó)、瑞士等的系列化超音頻感應(yīng)加熱電源也達(dá)數(shù)百千瓦。

　　在高頻(100KHZ以上)領(lǐng)域，國(guó)外目前正處于向固態(tài)電源的過(guò)渡階段【2】。以日本為例其系列的電子管振蕩器高頻感應(yīng)加熱電源的水平可達(dá)5-1200KW/100-500KHZ，而其采用SIT的固態(tài)高頻感應(yīng)加熱電源的水平可達(dá)400KW/400KHZ，并且在1987年已經(jīng)開(kāi)始研制1200KW/200KHZ的SIT電源。歐美各國(guó)采用MOSFET的高頻感應(yīng)加熱電源的容量正在突飛猛進(jìn)，例如西班牙采用MOSFET的電流型感應(yīng)加熱電源的制造水平可達(dá)600KW /200KHZ，德國(guó)的電子管高頻電源水平約為10KW，而其在1989年研制生物電流型MOSFET感應(yīng)加熱電源的容量已達(dá)480KW/50-200KHZ。

　　2.6 國(guó)內(nèi)感應(yīng)加熱技術(shù)現(xiàn)狀

　　我國(guó)感應(yīng)加熱技術(shù)從50年代開(kāi)始被廣泛的應(yīng)用于生產(chǎn)當(dāng)中。60年代，末開(kāi)始研制晶閘管中頻電源，到目前已經(jīng)形成了一定范圍的系列化產(chǎn)品，并開(kāi)拓了較為廣泛的應(yīng)用市場(chǎng)。

　　在中頻領(lǐng)域中，晶閘管中頻電源裝置基本上取代了旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)，以激昂形成了500~8000赫茲、100~3000KW的系列化產(chǎn)品。但國(guó)產(chǎn)中頻電源大多采用并聯(lián)諧振逆變器結(jié)構(gòu)，因此在研發(fā)更加大容量生物并聯(lián)逆變中頻電源的同時(shí)，盡快研制出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于頻繁啟動(dòng)的串聯(lián)諧振逆變中頻電源，也是中頻領(lǐng)域有待解決得問(wèn)題。

　　在高頻領(lǐng)域的研究工作八十年代已經(jīng)開(kāi)始。浙江大學(xué)采用晶閘管倍頻50KW/50KHZ的高頻電源，采用時(shí)間分割電路研制了30KHZ晶閘管高頻電源。從九十年代開(kāi)始，國(guó)內(nèi)采用IGBT研制高頻電源。浙江大學(xué)研制開(kāi)發(fā)的50KW/50KHZ高頻電源以及那個(gè)通過(guò)浙江省技術(shù)部的鑒定，總的來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)目前的高頻電源研制水平大致在500KW/50KHZ，與國(guó)外餓水平相比還有很大的差距。

　　3、感應(yīng)加熱的原理

　　3.1感應(yīng)加熱的發(fā)展簡(jiǎn)史和用途

　　早在19世紀(jì)初人們就發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，知道處于交變磁場(chǎng)中的導(dǎo)體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流而引起導(dǎo)體發(fā)熱，但是，長(zhǎng)期以來(lái)人們視這種發(fā)熱為損耗，并未保護(hù)電氣設(shè)備和提高效率而千方百計(jì)的減少這種發(fā)熱的現(xiàn)象，直到19世紀(jì)末才開(kāi)始研發(fā)和利用這種熱進(jìn)行有目的的加熱、熔煉、焊接、熱處理等，隨之出現(xiàn)了各種形式的感應(yīng)加熱設(shè)備。

表2.1：感應(yīng)加熱電源的應(yīng)用領(lǐng)域

　　Tab 2.1: The used state of induction heating

　　1890年瑞典人發(fā)明的第一臺(tái)感應(yīng)熔煉爐——開(kāi)槽式有芯爐，1916年美國(guó)熱制造除閉槽式有芯爐，由于有色金屬的冶煉，1921年無(wú)芯爐在美國(guó)出現(xiàn)，采用火花式中頻電源，后來(lái)出現(xiàn)了中頻機(jī)組帶電源和現(xiàn)在的晶閘管變頻電源。工頻路產(chǎn)生于20世紀(jì)30年代。高頻電源等也由于不同的工藝要求而相繼出現(xiàn)。感應(yīng)加熱裝置最早使用與表面熱處理，以后普及焊接領(lǐng)域和各種透熱?，F(xiàn)在感應(yīng)加熱技術(shù)已廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的加熱裝置都有很大的發(fā)展，感應(yīng)加熱的應(yīng)用領(lǐng)域已隨之?dāng)U大，其應(yīng)用范圍越來(lái)越廣。究其原因，主要是感應(yīng)加熱具有如下一些特點(diǎn)：

　　1、加熱溫度高，而且是非接觸式加熱;

　　2、加熱效率高，可以節(jié)能;

　　3、加熱速度快，倍加熱的物體表面被氧化少;

　　4、溫度容易控制，可以局部加熱且加熱均勻;

　　5、容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)方便;

　　6、作業(yè)環(huán)境好，幾乎沒(méi)有熱、噪音和灰塵;

　　7、作業(yè)占地少，生產(chǎn)效率高;

　　在應(yīng)用領(lǐng)域方面，感應(yīng)加熱已經(jīng)廣泛應(yīng)用于金屬熔煉、透熱、熱處理和焊接等過(guò)程，服務(wù)于冶金、國(guó)防、機(jī)械加工等部門(mén)及鑄、段和船舶、飛機(jī)汽車(chē)等制造行業(yè)中。此外，感應(yīng)加熱也已經(jīng)進(jìn)入到人們的家庭生活中，例如微波爐、電磁爐、熱水爐等。

　　3.2感應(yīng)加熱的原理

　　3.2.1 磁感應(yīng)與感應(yīng)加熱

　　Mihel Farady 于1831建立的電磁感應(yīng)定律說(shuō)明，在一個(gè)電路圍繞的區(qū)域內(nèi)存在交變磁場(chǎng)時(shí)，電路兩端就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，當(dāng)電路閉合時(shí)則產(chǎn)生電流。這個(gè)定律同時(shí)也就適合了今天的理論基礎(chǔ)。

　　感應(yīng)加熱的原理圖如圖2—1所示：

　　當(dāng)感應(yīng)線(xiàn)圈上通上交變的電流i時(shí)，線(xiàn)圈內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生相同頻率的交變磁通Φ，交變磁通Φ又回在金屬工件中產(chǎn)生感應(yīng)e。根據(jù)MAXWELL電磁方程式，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小為：

式中N是線(xiàn)圈匝數(shù)，加入磁通Φ 是按正弦規(guī)律變化的，則有：

　　圖2-1 感應(yīng)加熱的原理

　　Fig 2-1 The diagram of induction heating

　　由此可見(jiàn)，感應(yīng)加熱是依靠感應(yīng)線(xiàn)圈傳遞給加熱的金屬，然后電能在金屬轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，感?yīng)線(xiàn)圈預(yù)備加熱金屬之間并沒(méi)有直接的接觸，能量是通過(guò)電磁感應(yīng)傳遞的。另外需要指出的是，感應(yīng)加熱的原理與一般電氣設(shè)備中產(chǎn)生的渦流以及渦流引起發(fā)熱的原理是相同的，不同的是在一般的設(shè)備渦流是有害的，而感應(yīng)加熱設(shè)備產(chǎn)生的渦流是用其進(jìn)行加熱的。

　　這樣，感應(yīng)電勢(shì)在工件中產(chǎn)生感應(yīng)電流(渦流)i，使工件加熱，其焦耳熱為：

　　Q=0.24I2Rt (2-5)

　　式中，Q：電流通電電阻產(chǎn)生的熱量(J);

　　I：電流有效值(A);

　　R: 工件的等效電阻(Ω);

　　t: 工件供電的時(shí)間(S)。

　　有式(2-4)可以看出，感應(yīng)電勢(shì)和發(fā)熱功率與頻率高低和磁場(chǎng)強(qiáng)弱有關(guān)。感應(yīng)線(xiàn)圈中流過(guò)的電流越大，其產(chǎn)生的磁通量也越大，因此提高感應(yīng)線(xiàn)圈中的電流可以使工件中產(chǎn)生的渦流加大;同樣提高工作的頻率，也會(huì)使工件的感應(yīng)電流增加發(fā)熱效。使工件升溫更快。另外，渦流的大小與金屬的截面大小、截面形狀、導(dǎo)電率、導(dǎo)磁率以及透入深度有關(guān)【6】。

　　因此，逆變高頻感應(yīng)加熱電源的研制具有很大的實(shí)用價(jià)值。

　　3.2.2 電流透入深度與肌膚效應(yīng)

　　透入深度的規(guī)定是由于電磁效應(yīng)的肌膚效應(yīng)而來(lái)的。電流密度在工件中的分布是從表面向里衰減的，其衰減大致成指數(shù)規(guī)律變化。工程上通常是這樣規(guī)定的，當(dāng)導(dǎo)體電流密度有表面向里面衰減到數(shù)值等于表面電流密度的0.368倍時(shí)，該處到表面的距離δ稱(chēng)為電流透入深度。因此可以認(rèn)為交流電流在導(dǎo)體中產(chǎn)生的熱量大部分集中在電流透入深度δ內(nèi)。

　　透入深度δ可以用下式來(lái)表示：

　　式中，mr：導(dǎo)體材料的電阻率;

　　r：是導(dǎo)體材料的導(dǎo)磁率;

　　f：電流頻率;

　　分析一下式(2-6)，當(dāng)材料的電阻率ρ，相對(duì)磁導(dǎo)率確定以后，透入深度δ僅與頻率的平方根成反比，因此他可以通過(guò)改變頻率來(lái)控制，頻率越高，工作的透熱厚度就越深，這種特性在金屬處理中得到了廣泛的應(yīng)用，例如淬火、熱處理等。

　　4、高頻感應(yīng)加熱電源的分類(lèi)與分析

　　4.1串聯(lián)型逆變器與并聯(lián)型逆變器的比較分析

　　4.1.1 兩種逆變器的對(duì)偶性

　　由自關(guān)斷器件構(gòu)成的電壓型串聯(lián)諧振逆變器和電流型并聯(lián)諧振逆變器的電路拓?fù)浞謩e如圖3-1所示。

　　圖 3-1 電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　Fig 3-1The diagram of circuit

　　從電路原理的角度來(lái)看，兩種電路時(shí)完全對(duì)偶的，這種對(duì)偶性的主要表現(xiàn)在一下幾方面：

　　A. 電壓、電流波形的對(duì)偶：

　　電壓型串聯(lián)你逆變器：入端電壓為直流;當(dāng)工作在負(fù)載諧振頻率時(shí)，入端電流為全波整流波形;輸出電壓為方波，輸出的電流為正弦波;

　　電流型并聯(lián)逆變器：入端電流為直流;當(dāng)工作在負(fù)載諧振頻率時(shí)，入端電壓為全波整流波形;輸出電流為方波，輸出的電壓為正弦波;

　　B 、電路特性的對(duì)偶：

　　電壓型串聯(lián)逆變器：負(fù)載阻抗頻率特性為串聯(lián)特性，因此不易空載;短路及直通保護(hù)困難，逆變器及負(fù)載開(kāi)路保護(hù)容易;

　　電流型并聯(lián)逆變器：負(fù)載阻抗頻率特性為并聯(lián)特性，因此可以空載;短路及直通保護(hù)容易，逆變器及負(fù)載開(kāi)路保護(hù)困難;

　　C、電路拓?fù)涞膶?duì)偶：

　　電壓型串聯(lián)逆變器：入端并聯(lián)電容Cd(等效電壓源);負(fù)載為R、L、C串聯(lián)諧振電路;逆變開(kāi)關(guān)為單向耐壓、雙向載流;

　　電流型并聯(lián)逆變器：入端串聯(lián)電容Ld(等效電壓源);負(fù)載為R、L、C并聯(lián)諧振電路;逆變開(kāi)關(guān)為雙向耐壓、單向載流;

　　從上面比較可以看出，理解和掌握(A)、(C)中的對(duì)偶關(guān)系有助于分析和比較兩種逆變電路的工作原理，而了解(B)中的對(duì)偶關(guān)系則有助于正確可靠地設(shè)計(jì)保護(hù)電路。

　　4.1.2 兩種逆變器高頻化的難點(diǎn)

　　各種電路結(jié)構(gòu)，都有其個(gè)性特征，都具有較其它電路明顯的優(yōu)點(diǎn)，與其它電路相比，也必然有其缺點(diǎn)。否則，要么它本身就不具備存在的必要性，要么其它電路就被取代。對(duì)感應(yīng)加熱電源而言，應(yīng)為并聯(lián)對(duì)逆變器和串聯(lián)逆變器的對(duì)偶型，所以各自都有一定的局限性，或者說(shuō)是實(shí)現(xiàn)起來(lái)的難點(diǎn)。在高頻逆變氣的選擇中，我們盡量避免一種電路實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)，充分利用他們的優(yōu)點(diǎn)。在高頻應(yīng)用中，還要充分了解高頻開(kāi)關(guān)器件的特性。對(duì)于MOSFET而言，反向呈二極管特性;對(duì)于反向耐壓較低的IGBT，其模塊內(nèi)部通常反并聯(lián)相應(yīng)的二極管，所以不具有承受反壓的能力。

　　高頻感應(yīng)加熱的設(shè)計(jì)有三個(gè)要點(diǎn)：器件是前提，工藝上的可實(shí)現(xiàn)性是關(guān)鍵，滿(mǎn)足工件的加熱要求是最終目的。高頻化的首要前提是器件(其中包括快速二極管)具有高速的開(kāi)關(guān)特性。我們知道大容量的快速二極管生物反向恢復(fù)問(wèn)題，但二極管的開(kāi)通也有延時(shí)，這是因?yàn)檩d流子的注入需要一定的時(shí)間。感應(yīng)工作狀態(tài)避免了二極管的反向恢復(fù)電流。但開(kāi)通延時(shí)卻會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)致電壓過(guò)沖和振蕩。在電流型逆變器中，由于二極管和關(guān)斷器件是相串聯(lián)的，因此在任何狀態(tài)下，其電流容量必須與自關(guān)斷器件相當(dāng)，而在電壓型逆變器中，二極管只在輸出功率因數(shù)對(duì)應(yīng)開(kāi)通電流。從理論上講，當(dāng)逆變器工作在負(fù)載諧振時(shí)，通過(guò)二極管的電流為零。因此在同等容量的電源中，逆變器對(duì)二極管的容量要求較大。而容量越大的器件，其開(kāi)關(guān)特性往往越差，從這一點(diǎn)來(lái)說(shuō)，將電壓型逆變器高頻化有利于選擇高頻二極管。

　　從結(jié)構(gòu)工藝來(lái)看，高頻電源對(duì)分布參數(shù)較為敏感，雜散電感和分布電容容易引起電壓的過(guò)沖和開(kāi)關(guān)過(guò)程的高頻振蕩，電流型逆變器件的要求具有雙向耐壓的能力，因此增加了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和安裝過(guò)程的工作量以及分布參數(shù)。另外由于電壓型逆變器可以利用逆變調(diào)功，不必想電流型逆變器那樣采用可控整流或直流斬波，可見(jiàn)采用電壓型逆變器的感應(yīng)加熱電源在整體結(jié)構(gòu)上更加簡(jiǎn)潔，有利于高頻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

　　高頻化的主要目的是滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝的需要，例如工件的表面淬火。將電壓逆變器高頻化，不僅滿(mǎn)足生產(chǎn)應(yīng)用的需要，同時(shí)提高輸出調(diào)節(jié)速度，減少直流濾波環(huán)節(jié)的無(wú)功元件(濾波電感和儲(chǔ)能電容)的容量，相應(yīng)減少元件的體積和重量。但在電流型逆變器中，由于需要借助與直流調(diào)功，因此調(diào)功的速度受到了直流調(diào)功的限制，當(dāng)采用相控整流橋調(diào)節(jié)功率時(shí)，直流濾波電感必須按照逆變直通時(shí)的逆變保護(hù)過(guò)程來(lái)設(shè)計(jì)，不受你邊工作頻率的影響，因此濾波電感必須足夠大。

　　高頻化相應(yīng)的帶來(lái)一些問(wèn)題，主要有兩點(diǎn)：一是頻率的提高導(dǎo)致開(kāi)關(guān)損耗的大大的增加;二是高頻開(kāi)關(guān)過(guò)程的開(kāi)關(guān)應(yīng)力大，di/dt 和 dv/dt高，對(duì)于器件不利;同時(shí)高的 di/dt和 dv/dt 將引起器件周?chē)纳姼泻碗娙葜g的高頻振蕩，導(dǎo)致了較大的電磁噪音。

　　基于以上原因，我們采用了串聯(lián)逆變其來(lái)制作高頻感應(yīng)加熱電源。

　　4.2 串聯(lián)逆變器常用的調(diào)功方法

　　串聯(lián)逆變器常用的調(diào)功方法可分為兩類(lèi)：逆變調(diào)功和直流調(diào)功。

　　4.2.1逆變調(diào)功的方法

　　逆變調(diào)功的方法目前主要有：

　　1)脈沖頻率調(diào)制法(PFM);

　　2)脈沖密度調(diào)制法(PDM);

　　3)脈沖寬度調(diào)制法(PWM);

　　逆變調(diào)功的方法與直流調(diào)功的方法相比優(yōu)點(diǎn)是：

　　1)可以不用可控整流，使控制電路大大簡(jiǎn)化;

　　2)調(diào)節(jié)輸出功率的速度比用可控硅要快。

　　一、脈沖頻率調(diào)制法(PFM)

　　脈沖頻率調(diào)制法(PFM)的原理十分簡(jiǎn)單;它通過(guò)改變逆變器的開(kāi)關(guān)頻率來(lái)改變輸出阻抗來(lái)達(dá)到調(diào)節(jié)輸出功率的目的。

　　串聯(lián)諧振的負(fù)載等效電路如圖3-2。

　　圖3-2 串聯(lián)諧振的父子等效電路

　　Fig.3-2 Equivalent circuit of series connection

　　二、脈沖密度調(diào)制法(PDM);

　　PDM方法通常通過(guò)控制脈沖寬度，向負(fù)載饋送能量的時(shí)間來(lái)控制輸出功率。

　　簡(jiǎn)單的說(shuō)就是以負(fù)載的諧振周期作為一個(gè)調(diào)功單位，總共100個(gè)調(diào)功單位，在N個(gè)單位逆變器向負(fù)載輸出功率;剩下生物100-N個(gè)單位內(nèi)逆變器不發(fā)生變化及不工作，負(fù)載以自然頻率逐漸的衰減。這樣的話(huà)輸出的脈沖密度為N%,輸出功率與脈沖密度有一定的關(guān)系，因而調(diào)節(jié)脈沖密度就可以改變輸出的功率。

　　PDM方法的缺點(diǎn)是：

　　1)逆變器輸出功率的頻率不完全等于負(fù)載的自然頻率，在功率閉環(huán)的場(chǎng)合中工作穩(wěn)定性差。N個(gè)周期系統(tǒng)是以一定的開(kāi)關(guān)頻率輸出功率，另外100-N個(gè)周期負(fù)載以自然頻率衰減振蕩的。每次在自然衰成輸出功率減振蕩恢復(fù)狀態(tài)時(shí)要重新鎖定頻率，這時(shí)系統(tǒng)極可能會(huì)失控。因此在功率閉環(huán)和溫度閉環(huán)的時(shí)候，工作的穩(wěn)定性不好。

　　2)功率調(diào)節(jié)特性不理想，呈有級(jí)調(diào)功特性。

　　三、脈沖寬度調(diào)制法(PWM)

　　一般不采用逆向調(diào)功的逆變器，同一橋臂之間的兩個(gè)開(kāi)關(guān)是互補(bǔ)的，斜對(duì)角之間的兩個(gè)開(kāi)關(guān)是同時(shí)開(kāi)通與關(guān)斷的;這類(lèi)逆變器輸出的電壓為±Ud 的方波，如果在控制電路中設(shè)法是原來(lái)同向的兩個(gè)橋臂開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)錯(cuò)開(kāi)一個(gè)相位角，是的輸出的電壓交替的正負(fù)電壓交替過(guò)程中插入一段電壓區(qū)，這樣就改變了輸出電壓的有效值，最終調(diào)節(jié)了輸出功率。

　　目前，其生物逆變器的移相PWM方法的工作頻率是固定的，不需要考慮負(fù)載在不同工作頻率下的特性。而在感應(yīng)加熱電源中的移相PWM要求工作頻率必須能跟跟蹤負(fù)載的諧振頻率。這種控制方法通常要求使一橋臂的驅(qū)動(dòng)脈沖與輸出電流的相位保持一致。而另外一個(gè)橋臂的驅(qū)動(dòng)脈沖與的輸出電流的相位可以調(diào)節(jié)。

　　根據(jù)β超前還是之滯后分為兩種PWM方式:

　　1)在圖3-3中，β滯后00~1800可調(diào)。在00~1800調(diào)節(jié)過(guò)程中，輸出脈寬減少是同時(shí)，將引起輸出電壓相對(duì)于輸出電流的相位由于超前變成滯后，也就是頻率不斷地就降低，因此這種方式成為降頻式PWM控制。

　　2) 在圖3-4中，β滯后00~1800可調(diào)。在00~1800調(diào)節(jié)過(guò)程中，輸出脈寬減少是同時(shí)，將引起輸出電壓相對(duì)于輸出電流的相位更加超前，也就是頻率不斷地就提高，因此這種方式成為升頻式PWM控制。

　　升頻式PWM和降頻式PWM有共同的特點(diǎn)，在調(diào)節(jié)輸出電壓的脈沖的同時(shí)也改變了負(fù)載的工作頻率。因此也隱含了部分PFM調(diào)功的因素。

　　4.2.2 直流調(diào)功的方法

　　直流調(diào)功通常采用直流斬波或相控整流來(lái)改變逆變器的輸入直流電壓的大小。

　　一、直流斬波調(diào)功：

　　感應(yīng)加熱電源中的直流斬波調(diào)功方式【9】的調(diào)功原理如圖3-5所示：

　　前端是有六只二極組成的三相不可控整流器，輸出的直流電壓Ud，經(jīng)過(guò)電容C1的濾波后送入有T1、L1、D1、C2組成的斬波器，調(diào)節(jié)T1的占空比，逆變器得到的電壓自愛(ài)0~Ud之間任意的電壓值。而逆變器始終工作在一個(gè)固定的引前角，從而能夠完成對(duì)逆變器的調(diào)功。

　　二、相控整流調(diào)功：

　　有六只晶閘管組成的三相全橋可控整流電路。

　　由以上的分析可知，串聯(lián)逆變的調(diào)功方式多種多樣，但所有的調(diào)功都有其自身的優(yōu)缺點(diǎn)，比如逆變調(diào)功由于不可控整流，控制電路大大簡(jiǎn)化，但此時(shí)逆變的角度隨功率的改變而改變(PDM方式除外)，在大角換流時(shí)，逆變管的損耗是很大的。這使得在進(jìn)一步提供功率和工作頻率是很不利的。在PWM方式調(diào)功時(shí)，功率是有級(jí)的調(diào)節(jié)。所以在進(jìn)一步的提高功率和逆變器的工作頻率時(shí)，一般選擇在整流側(cè)調(diào)功，而在斬波調(diào)功方式中，調(diào)功管工作在硬開(kāi)關(guān)狀態(tài)，開(kāi)關(guān)損耗相當(dāng)?shù)拇?。同樣也成為進(jìn)一步提高整機(jī)容量的瓶頸。

　　4.3常用的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)

　　電力電子開(kāi)關(guān)器件都不是理想的開(kāi)關(guān)器件，存在各種的寄生參數(shù)，其等效的結(jié)構(gòu)如圖3-6所示。其中虛線(xiàn)框內(nèi)是器件及其自身寄生參數(shù)的等效結(jié)構(gòu)【10】。

　　Cout 器件的輸出結(jié)電容;

　　Lea器件引腳電感;

　　Cst安裝結(jié)構(gòu)引腳的分布電容;

　　Lst安裝結(jié)構(gòu)引起的布線(xiàn)電感;

　　Cst、Rsn、Lsn外加的緩沖元件;

　　當(dāng)圖3-6中的開(kāi)關(guān)以頻率為f工作的于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，就會(huì)產(chǎn)生開(kāi)關(guān)損耗。包含以下幾部分：

　　Psw =(Pon)+(Poff)=

　　fsw(Cea+Cst)Usw2 +fsw(Lea+Lst)Lsw (3-1)其中，Usw 開(kāi)通時(shí)刻器件的端電壓;

　　Lsw 關(guān)斷時(shí)刻器件生物電流;

　　Pon 開(kāi)通過(guò)程中器件電流和器件端電壓因開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換的損耗;

　　Poff關(guān)斷過(guò)程中器件電流和端電壓因開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換引起的損耗;

　　Poff和 Pon不僅與開(kāi)關(guān)過(guò)程中器件的電流和電壓有關(guān)，而且與開(kāi)關(guān)頻率成正比。因此整個(gè)開(kāi)關(guān)的過(guò)程損耗 Psw與開(kāi)關(guān)頻率成正比。增加緩沖元件后，可以適當(dāng)減少開(kāi)關(guān)過(guò)程的U和I的疊加，從而實(shí)現(xiàn)Poff和 Pon 有所的減少。

　　除以上損耗問(wèn)題外，告訴開(kāi)關(guān)過(guò)程也會(huì)產(chǎn)生了很大的開(kāi)關(guān)應(yīng)力和開(kāi)關(guān)噪音，當(dāng)開(kāi)通時(shí)刻Usw 不為零時(shí)，則Cout和Cst通過(guò)Lea 和 sw 放電，引起大的 di/dt 和器件電源的高頻振蕩;當(dāng)關(guān)斷時(shí)Lsw 不為零時(shí)，則Lea 和Lst的電流被迫轉(zhuǎn)到Cout 和Cst 中，引起寄生電感和寄生電容的高頻振蕩和高的 dv/dt。這些振蕩產(chǎn)生的電磁噪音不僅影響裝置自身的控制系統(tǒng)，還會(huì)輻射到周?chē)沫h(huán)境，干擾其他設(shè)備的正常工作。圖3-6的緩沖元件正是為了抑制高頻振蕩而增加的。

　　要消除器件的寄生參數(shù)是十分的困難的，但如果能夠?qū)崿F(xiàn)開(kāi)關(guān)電流和電壓為零，上述問(wèn)題就可以消除，因此有兩種方式：

　　使開(kāi)關(guān)電流為零的電流開(kāi)關(guān)模式(ZCS)，此時(shí)：

　　根據(jù)ZCS和ZCV思想模式產(chǎn)生的技術(shù)主要有兩大類(lèi)：一是諧振開(kāi)關(guān)技術(shù);二是軟開(kāi)關(guān)技術(shù)。

　　諧振開(kāi)關(guān)技術(shù)主要有：諧振變換器;諧振型開(kāi)關(guān)和諧振直流鏈。

　　諧振變換器結(jié)構(gòu)有兩種就是串聯(lián)諧振變換器和并聯(lián)諧振變2。在工作時(shí)使負(fù)載處于諧振狀態(tài)，在實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)創(chuàng)造了零電壓或零電開(kāi)關(guān)的條件，即在電壓或電流為零實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)的轉(zhuǎn)換。

　　諧振開(kāi)關(guān)典型結(jié)構(gòu)有兩種：一種是采用圖3-7()型開(kāi)關(guān)的叫變換器零電壓準(zhǔn)諧振開(kāi)關(guān)變換器ZVS-QRC，另一種是采用圖3-7()型開(kāi)關(guān)的變換器叫零電流準(zhǔn)諧振開(kāi)關(guān)變換器ZCS-QRC。圖中的Lr和Cr是諧振開(kāi)關(guān)元件，在開(kāi)關(guān)開(kāi)通關(guān)斷時(shí)諧振造成零電流零電壓條件。

　　諧振直流鏈技術(shù)的兩種實(shí)例如圖3-8所示。圖中生物負(fù)載通常是橋式變換器。在圖3-8()中，Lr和Cr振蕩至 鍛壓為零時(shí)，使輔助開(kāi)關(guān)S1開(kāi)通，在此時(shí)完成變換器的換流過(guò)程，則實(shí)現(xiàn)主控開(kāi)關(guān)的零電壓開(kāi)關(guān)狀態(tài)。但主控開(kāi)關(guān)的工作周期必須是Lr和Cr振蕩周期的倍數(shù)，因此輸出電壓的可調(diào)性很差，且主控開(kāi)關(guān)的電壓很高會(huì)達(dá)到直流電壓的2~2.5倍。為了提高輸出電壓的可調(diào)性，通常使主控開(kāi)關(guān)的工作周期比Lr和C r振蕩周期大的多，同時(shí)對(duì)直流諧振波形進(jìn)行調(diào)制輸出，可以適當(dāng)降低輸出電壓或電流的諧振波含量因此諧振直流鏈通常用在UPS和電機(jī)驅(qū)動(dòng)等輸出頻率不高的場(chǎng)合。

與常規(guī)的PWM方式相比諧振開(kāi)關(guān)技術(shù)的缺點(diǎn)是：工作于ZCS方式的器件通態(tài)電流峰值很大，而工作于ZVC方式的器件斷態(tài)電壓峰值很高。

　　軟開(kāi)關(guān)技術(shù)克服了諧振開(kāi)關(guān)技術(shù)的缺點(diǎn)。軟開(kāi)關(guān)全橋逆變器如圖3-9，是結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單的一種。但是圖3-9中S1\S2關(guān)斷后，S3S4必須在C3C4的電壓下降為零后開(kāi)通，為了確保完成這樣的電壓換相過(guò)程，換相時(shí)的負(fù)載電流不能太小，否則會(huì)惡化管子的開(kāi)通。

　　5、高頻逆變電源的技術(shù)研究狀況研究方法

　　5.1高頻逆變電源技術(shù)研究狀況

　　高頻逆變電源主要包括功率器件、驅(qū)動(dòng)器件、PWM控制電路、主電路等主要部分，隨著高頻逆變電源的發(fā)展，這些組成部分也不斷發(fā)展：

　　一、 主要功率器件

　　高頻逆變電源的產(chǎn)生和發(fā)展與功率開(kāi)關(guān)器件有著密切的關(guān)系，晶閘管逆變電源開(kāi)關(guān)頻率低，而且是半導(dǎo)控制器件，所以性能受到限制。采用晶閘管、場(chǎng)效應(yīng)管、IGBT等全控型自關(guān)斷器件，是高頻逆變電源大發(fā)展方向。其中晶體管需要交大的驅(qū)動(dòng)電流，并且存在二次擊穿，安全工作區(qū)窄。場(chǎng)效應(yīng)管是電壓型控制器件且開(kāi)關(guān)速度快、安全工作區(qū)寬，但器件載流容量小，適合于高頻小功率場(chǎng)合。IGBT器件則具有兩者的優(yōu)點(diǎn)，成為目前最合適的高頻逆變電源的應(yīng)用器件。

　　二、功率變換電路

　　高頻逆變電源主電路的主要電路形式有單端、全橋、半橋三種情況。主電路設(shè)計(jì)的合理性是高頻逆變電源設(shè)計(jì)的先決條件。一般認(rèn)為單端，半橋，全橋三種電路形式分別適合于小、中、大功率輸出。對(duì)于橋式電路，總存在上下橋臂直通的現(xiàn)象和變壓器動(dòng)態(tài)偏磁的問(wèn)題，通過(guò)控制電路設(shè)置死去可以有效的防止直通現(xiàn)象的發(fā)生，板橋市電路本大亨結(jié)構(gòu)具有抗偏磁的能力，全橋結(jié)構(gòu)則要通過(guò)其他手段來(lái)克服本身易于發(fā)生偏磁缺點(diǎn)。

　　二、 控制方式和控制電路

　　本世紀(jì)50 年代，脈寬調(diào)制硬開(kāi)關(guān)的出現(xiàn)，解開(kāi)了逆變技術(shù)的發(fā)展序幕。由于逆變技術(shù)具有以上所說(shuō)的突出優(yōu)點(diǎn)，使得這種技術(shù)一問(wèn)世，許多國(guó)家就爭(zhēng)先致力于功率電子器件、磁性材料、控制集成芯片和電路拓?fù)涞确矫娴难芯?。脈寬調(diào)制硬開(kāi)關(guān)技術(shù)經(jīng)過(guò)60年代的長(zhǎng)期發(fā)展、70年代的發(fā)展期和80年代的成熟期，迄今為止，已經(jīng)獲得了最為廣泛的應(yīng)用。但是，它的開(kāi)關(guān)頻率不能太高，存在者換流慢、開(kāi)關(guān)損耗相對(duì)較大、承受較高的du/dt和di/dt等問(wèn)題。

　　70 年代中期，針對(duì)硬開(kāi)關(guān)換流過(guò)程中存在的問(wèn)題，頻率調(diào)制諧振技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。它從根本上克服了傳統(tǒng)脈寬調(diào)制硬開(kāi)關(guān)變換器的缺點(diǎn)，因而迅速成為功率電子學(xué)新的發(fā)展方向和研究熱點(diǎn)。頻率調(diào)制諧振技術(shù)的核心內(nèi)容，是拋棄將功率電源各元器件簡(jiǎn)單理想化的觀(guān)念，在充分研究功率開(kāi)關(guān)變換電路的分布參數(shù)和寄生元件作用機(jī)理的基礎(chǔ)上，應(yīng)用電感電容網(wǎng)絡(luò)的諧振原理，迫使功率開(kāi)關(guān)器件的電流或電壓成正弦規(guī)律變化，當(dāng)電流或電壓過(guò)零時(shí)，使器件開(kāi)通和關(guān)斷，因而解決了開(kāi)關(guān)動(dòng)態(tài)損耗、電流沖擊、電壓應(yīng)力和電磁干擾等方面的問(wèn)題。但是，頻率調(diào)制諧振變換技術(shù)也帶來(lái)以下的新問(wèn)題：①輸出電壓暈頻率有關(guān)，為保持輸出電壓在各種運(yùn)行條件下基本不變，必須采用變頻控制，對(duì)負(fù)載變化的適應(yīng)性差，所以常用于負(fù)載基本不變或變化不大的場(chǎng)合;② 功率器件的容量需要更大;③開(kāi)關(guān)頻率大范圍變化導(dǎo)致濾波器、變壓器等磁性器件的設(shè)計(jì)難以?xún)?yōu)化【5】。

　　5.2 高頻逆變電源的研制方法

　　目前，對(duì)高頻逆變電源的研制方法主要采用實(shí)驗(yàn)手段。通過(guò)首先初步確定功率器件、電路和控制系統(tǒng)，然后制成樣機(jī)反復(fù)的調(diào)試、實(shí)驗(yàn)耗費(fèi)很大的人力物力。同時(shí)在設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)，往往囊過(guò)于以來(lái)設(shè)計(jì)這的經(jīng)驗(yàn)，不可避免帶來(lái)片面性，很難保證產(chǎn)品的性能。

　　計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，為高頻逆變電源的研究提供了支持手段。在電路和系統(tǒng)層次上建立器件、電路和系統(tǒng)的模型，借于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)手段進(jìn)行輔助分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)行全面定量的深入研究。這樣可以節(jié)約大量的實(shí)驗(yàn)損耗，對(duì)實(shí)際研究起到知道作用。

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