（电力电子与电力传动专业论文）固态高频llc电压型感应加热谐振逆变器研究.pdf

浙江大学博上学位论文 摘要 根据以上理论分析，最后完成一台1 0 k w 、3 1 0 k h z 并联的实验样机。样机是一台完整的电源系统， 主电路由品闸管整流电路和电压型桥式逆变电路组成，控制电路包括电压调节控制和锁相控制。同时 给出系统双环结构和保护原理。实验表明，该系统能够稳定t 作在最人功率点处，保证系统输出晟大 功率同时满足电流变换的要求。在不同的负载下，有良好的适麻性，系统效率较高。 文章晟后进行了全文总结和上作展望。 关键诃：高频感应加热电源，谐振回路，负载特性，锁相控制，调功方式，并联系统 l l c 谐振拓扑，最大功率点控制，谐振频率 i i 浙汀大学博l 学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t l n d u c t i o nh e a t i n gp o w e rs u p p l yi sw i d e l yu s e di nm e t a lh e a t i n gt r e a t m e n ti n d u s t r i a ln o w a d a y si t c o u l ds a t i s f ya l m o s ta 】lt h er e q u i r e m e n t s nh e a t i n gt r e a t r n e n t ，w h i c hi n c l u d e s ：t h r o u g hh e a t i n g ， m e l t i n g ，f o u n d ，s t e e lr o l l i ng ，q u e n c h ，b a c k 虾r e ，a n n e a l ，s e a l ，d r y j n ga n ds o m es p e c i a l 印p “e sl i k ec a s e s e a l i n ga n do p t i c a l 氍b e fp u l l e dc r y s t a le l c b e c a u s eo fs om a n yu s e f u lw a y s ，i th a sap o w e m n p u s h i n gf o r c ef o rn a t i o n a le c o n o m ys or e s e a r c ho nt h ei 1 1 d u c t j o nh e a t i n gp o w e rs u p p l ye s p e c i a l l yo n h i g hf r e q u e n c ya p p l i e di se m p h a s i sm o r et l a ne v e li nc h i n a ，f o r 曲抓i n go nr e s e a r c h i n gt h ep o w e r s u p p l yn o ts oi o n g ，t h el e c h n 0 1 0 9 yi sal m l el a gt h a ni n t e m a t i o n a ll e a d i n gl e v e l w en o m l a l l yu s e d t h ev a c u u mt u b ea st h ep o w e re l e m e n t si nt h ec i r c u i t ，w h j c hh a sl o w e re m c i e n c yi nu s i n ge l e c t r i c p o w e 九t oi m p r o v et | l ew h o i es y s t e mq u a l j t yo fh j g l lf r e q u e n c yi n d u c t j o nh e a t i n gp o w e rs u p p ly b a s e do nu s i n gf u l l yc o n t r o l l e dp o w e re i e m e n t s ，s t a r t i n gw i t ht h ei m p r o v e dl l cr e s o n a n ti o p 0 1 0 9 m t h ec h a r a c t e s t i co f l l cr e s o n a n tt o p o l o g yu s e di nh i g hf r e q u e n c yp a r a l l e lp o w e rs u p p l y 锄dh o wt o i m p r o v et h ep o w e rc a p a b i l i c yh a v ed e e p l ya n a l y z e da n ds t u d i e di nt h ep a p e l f i r s l l y ，j tp r e s e n t e db r i e n yt h ei n t e m a t i o n a li n d u c t i o nh e 乱i n gd e v e l o p m e n ta c h i e v e m e n tn o w a d a y s ， s o m ei m p o l l a n tc o n c e p t si ni ta n di ta l s oi n t r o d u c e di n t e m a t i o n a li n d u c t i o nh e a t i n gs 诅t u si nq u oa 1 1 d d e v e l o p m e n td j r e c t j o ni nf m u r e 疗d mt h ea s p e c t sa s ：t o p o j o g i e so fp o w e rs u p p l y p o w e rr e g u l a t i o n a n dh o wt oe x p a n dt h ec a p a b i l i t y a c c o r d i n gt h ee x i s t e dp r o b l e m sj nh i g hf b q u e n c yp o w e rs u p p l y d e v e l o p m e n t ，i tp r e s e n t e df e a s i b i l i t yo ff i l m l l j n gt | l eh i g hf r e q u e n c yp o w e rs u p p l yu s e dt h em a t u r e d p o w e re l e c t r o n i c st e c h n o l o 目a n dp h a s e1 0 0 p1 0 c kc o n t r o l b a s e d0 ni m p r o v e dr e s o n a i l tt o p o 】o g y l l cu p g r a d ef r o ml cr e s o n a n tt o p 0 1 0 9 y s e c o n d l y t h et h e o r e t i c a la n a i y s e sa n de x p e r i m e n t a ls t u d i e so ft h ec h a r a c t e r i s t j co fl l cr e s o n a n t t o p o l o g yh a v eb e e ns t u d i e dd e e p l yi np a p e r b a s e do na n 9 1 j c i z i n gs i m p l yl cr e s d n a mt o p o l o g y6 r s t l y a c c o r d i n gt h ec h a r a c t e r j s t i co fi n d u c “o nh e a t i n g1 0 a da n de q u i v a l e n tc i r c u i to fi i ，t h ep 印e rh a s a 1 1 a l y z et h e a l l lp j i t u d ef r e q u e n c ya n dp h a s ec h a r a c t e rb e t w e e no u t p u tc u r i n ta n d0 u t p u tv o n a g e ， o u t p u tc u r r e n ta n dl o a dc u r r e n t ，o u t p u tv o l t a g ea 1 1 dc a p a c i t o rv o l t a g er e s p e c t i v e l yb a s e do nh o wt o g e tt ot h em a x i mo u t p u tp o w e ri nl o 甜1 tp r s e n l e dt h er e s u j t so f t h er a l j o sb e l w e e n1 0 a dc u n n la n d o u t p u tc u 兀n t ，c a p a c i t o rv o l t a g ea i l do u t p u tv 0 1 t a g e ，t h eo u t p u tp o w e rs i z ew h e nt h ep o w e rs u p p l y w o r k e dn e a r l ya tr e s o n a n tf r e q u e n c yi ta l s oh a sg j v e nt h en | 1 e so f h o wt oc h o o s ee l e m e n t sp a m m e t e r a 1 1 dc h o o s et h ep h a s eo 仃s e t b e t w e e no u t p u tv o l t a g ea n dc a p a c i t o rv 0 1 t a g ea sc o n t m lv a r i a b l eo f t h e p h a s e1 0 0 pi o c ka c c o r d i n gt h ea n a l y s i sr e s u l t s b e c a u s eo f t h es o m es p e c i a li n d u c t i o n _ h e a t i n gl o a dw i t h1 0 wq u a l i t yf h c t o rqc a u s e dt h ep h a s eo n j e t o fo u t p u tv 0 1 t a g ea 1 1 do u t p u tc u r r e n tv e r yb i ga | 1 dt h es w i t c hl o s si st o om u c h ，t | l ep 印e ri n 仃o d u c e d a ni m p r o v e dl l cr e s o n a n tt 叩o l o g yt or e d u c et h ep h a s eo 侬e to f o u t p u tv o l 峨| ea n dc u r r e n tt h r o u 曲 a d d i n gt h ea u x i l i a r yi n d u c t o rt oi n c r e a s el o a dq u a l i t yf k t o tt h et h e o r e 虹c a la n ds i m u l a t i 锄r e s u l t s s h o w e dt h a tt h es c h e m ec o u l dd e c r e a s et h ep h a s eo 仃s e tw e l l ，w h j l en o tc h a n g et h eo u t p u tp o w e ra n d r e s o n a n tf 记q u e n c y t bi m p r o v et h ep o w e r1 e v e la 1 1 dr e d u n d a l l c yo rh i g hf k q u e n c ys o 】j d - s t a t ei n d u c t i o nh e a t i n gp o w e r s u p p i xt h ep a p e ru s e dt h el l cr e s o n a n tt o p o l o g yi nt h ep a r a i i e lv o i t a g et y p ei n v e n e r st h r o u 曲u s i n g t or e f e r e n c eo fp a 训e lt e c h n o l o g yi nu p sa n dt h ec h a t a c t e ro fl l ct 叩o l o g 弘t or e d u c et h e s w i t c h j n g 】o s si n h i g hn q u e n c yp o w e rs u p p ly ，t h ei n v e r t e ra d o p t e dt h ep h a s e1 0 0 pl o c kt e c h n 0 1 0 9 y 浙江大学博上学位论文a b s n a c t t om a k et h es y s t e mw o r ka tr e s o n a l l tf r e q u e n c y s ot h ei n v e r i e rc o n t r 0 1c o u l dn o tr e g u l a t i o no u t p u t p o w e ra n dt h el l cp a r a l l e ip o w e rs u p p l yu s e do p e n1 0 0 pc o n t r 0 1 t h ep a p e rh a sg o it h a tc u r r e n t b a l a l l c eo fo p e nl o o ps y s t e mi sn o tt o ob a dt h r o u g ha 1 1 a l y z i n gw h e nt h es y s t e mw o r k i n ga td c v o l t a g ed j 骶r e n c e ，o u t p u tv 0 1 t a g ep h a s ed i r e n c ea 1 1 ds e r j e sj n d u c t o rd j 髓r e n c ei nd e t a i l 1 1 1 er e s u l t o fe x p e r i m e n t a lv a l i d a t e dm ec o n e c t n e s so ft h e o r e t i c a la n a l y s i s a n di ta l s oo 行b r st h es u p p o r to f h o wt od e s i g na n dr e s e a r c ht h ep o w e rs u p p l yi nn e x ts t e p a c c o r d i n gt h et h e o r e t j c a la n a y z ea b o v e ， tc o m p l e l e do n ee x p e r i m e n t a lp r o t o t y p e t h ep r o l o t y p ei s ai n t e g r a t e ds y s t e m ，a 1 1 di t sm a i nc i r c u j t si n c l u d e dt h es c rr e c t i f i e rv o l t a g er e g u l a t o t h ev o l t a g e t y p ei n v e n e li t s c o m r 0 1s y s t e mi n c l u d e d v 0 1 t a g er e 刚a t e1 0 0 pa 1 1 dp h a s e1 0 叩c o n t r 0 1 1 1 1 e p r i n c j p l e so fc 彻仃0 j 】o o pa n dp r o t e c d 彻a r ea l s og j v e n t b er e s u j t 5o fe x p e r j m e n t ss h o w e dl h a tl b e w h 0 1 ep o w e rs u p p l ys y s t e mc o u l dw o r ks t a b i l i t ya tr e s o n a n tf r e q u e n c yt oe n s u r et h es y s t e me x p o r t t h em a x i mp o w e rt ol o a da n dm e e tc u ”e n t 协m s p o r t a t i o n r e q u i r e m e n t i to w n e dt h ev e r yg o o d a d a p t a b i l i t yj nd j 彘r e n tl o a d sw 拍ah i 曲e r 已f f i c i e n c y f n a l ly ，t h es u m m a r i z a t i o nh a sb e e nm a d ea n de x p e c t a t i o no f w o r kh a sb e e ng i v e ni nt h ep a p e l k 舒唧o r d s ：h i g hf t e q u e n c yi n d u c 6 0 珀h e _ t i n gp o w 盯s u p p l y ：r 龆。霸a n tt o p o l o g y ； l o 毫dc h a 糟c t e r ；p h a 辨l o o pi o c k ( p l l ) c o n t r o l ；p o w e rr 铝u l 丑廿o n ；p 矗n ds y s t e m ； u l cr 啪岫n tt o p 0 i o 野；m a i i mp o w e rp o i n t n t m l ；r 酷o n n tf h q u e n c y v 浙江大学博士学位论文 第】章绪论 第1 章绪论 摘要：1 8 3 1 年法国科学家m i c h a e l f a r a d a y 在前人研究成果的基础上，通过实验提出了著名的 电磁感应定律。在此基础上，人类通过艰辛的探索逐步踏进了利用电能的新时代。感应加热 技术就是电磁感应定律在金属热处理方面的具体应用。由于感应加热技术具有较高的生产率 和经济效益，工艺先进，同时还可以避兑环境污染等优点，使它在世界上工业较发达国家中 得到广泛应用。目前对高频感应加热相关技术的研究正日益受到重视。本章系统地介绍了高 频感应加热电源技术的发展，目前国内外高频感应加热电源技术的研究状况，总结了高频感 应加热电源技术的发展方向，最后介绍了本文的选题意义和研究内容。 1 1感应加热技术概述 1 1 1 感应加热技术发展历史 当两个相邻的线圈之一通以交变电流，而另一线圈闭台，则闭合线阁中就会产生电 流，这就是m i c h a e lf a r a d a y 于1 8 3 1 年发现的电磁感麻现象，也是感应加热技术基础。 其本质是闭合线圈中的磁通变化会感生出感应电流。其后f o u c a u l t 吵h e a v i s i d e l 3 i 等人对 涡流理论及能量由线圈向铁芯传输的原理进行了系统的研究，逐步建屯了感应加热技术 的理论基础。与此同时，瑞典人k j e l i n 在1 8 9 0 年发明了第一台用于金属熔炼的有芯感应 炉，使人们开始认识到电磁感应涡流热效应的应用价值。 随着人什j 对感应加热现象的认识不断加深，新的感应加热应用不断出现。1 9 】6 年美 国的j r w y a t t 发明了闭槽有芯感应炉，并于1 9 1 7 年用于熔炼黄铜；1 9 2 1 年美国人 e f n o n h r u p 又发明了无心感应炉，采用中频发电机组作为供电电源；1 9 2 4 年开始采用中 频无芯感应炉熔炼黄铜，1 9 2 7 年开始用中频无芯炉炼钢；同年英国的e l e c l r i cf u r n a n c e c o m p a n y ( e f c o ) 生产出第一台中频感应炉产品。在这期间，感应加热理论逐步系统化， 并不断积累实际的应用技术，同时存广播姬讯领域内“泛应用的电子真空三极营也被引 进感应加热领域，以其构成的高频电子管电源在淬火等热处理 二艺中得到应崩。五十年 代末，品闸管的山现在电力电子学中具有十分重要的意义，它标忐着电力电子技术的诞 生。由于以半导体电力电子器件为基础的固态电力电子装置具有一系列优点，因此品闸 管发明后，欧美各国先后开始研制晶闸管中频电源。1 9 6 6 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住中频无芯炉中的垄断地位，到七十年代后期，晶 一1 ， 浙江大学博士学位论文第1 章绪 论 闸管中频装置已逐渐取代丁中频发电机组，成为中频感应加热领域的主导产晶。 自八1 1 年代开始，一系列新型全控电力电子器件如g t r 、m o s f e t 、l g b t 、s i t 等 的出现，使电力电r 技术向高频化发展，在感应加热领域也出现了同样的高频化趋势。 可以预见，随着高频电力电f 技术的迅速发展，当固态高频感应加热电源的性能、 价格能够和电子管电源相比时，同态高频电源必将全面取代电子管电源成为未来高频感 应加热电源发展的主流。 由于固态感应加热电源的以下特点 4 1 ： 加热温度高、速度快、温度容易控制： 夺 体积小、质量轻、材料消耗少； 夺功率转换效率高，整机效率可以达到9 0 左右； 夺 无机械运动、噪声小、负载匹配容易、可以根据负载特性改变工作频率； 夺 启动停止方便，频率能够自动跟踪以保证最佳的运行状态； 夺 安装和维修方便，不需要特殊的基础 决定了它在t 业方面有非常广阔的应用前景。 感应加热电源可以完成绝大多数工业热处理产品的要求，从透热、熔炼、铸造、轧 钢、淬火、吲火、焊接、烘干到一些特殊的应用，如：容器封u 和光纤拉晶等，对国民 经济有很大的推动作片j 。冈此对感应加热技术的研究正日益受到人们重视。感应加热电 源技术的研究方向土要集中在：电路拓扑、调功方式、控制方式、谐振回路结构、如何 提高功率和频率、感应线圈发计和故障保护等方面。 感应加热技术从诞生至今，经过- r 一百多年的发展，取得了令人注目的成果。尤其是 在上世纪六十年代以来，在应用电力电子器件和电力电子技术的基础i ：，感应加热技术 逐步应用到现代化上业的许多方面，如透热、熔炼、热处理和焊接等已成为冶金、国防、 机械加工等部门和船舶、飞机制造业中不可缺少的一部分， 对工业生产和国民经济起着很人的推动作用。 1 1 2 感应加热技术基本原理 本节简要介绍感应加热的原理和几个在高频t ：仃时需 要注意的概念：集肤效应、透入深度和居里点。 利用交流电对金属工件进行感应加热的上作原理可根 据图1 1 简要地进行说明。图中爿为负载线圈，曰为被加热 ， 图】1 赌应加热原理 浙江大学博士学位论文 第l 章绪论 的金属j 一件。如果线圈爿中流过交流电流f ，根据电磁感应定律就会产生相同频率的交变 磁通西，交变磁通又在上件曰中产生感麻电势8 在l 件内部产生电流使t 件加热。 由此可见，感麻加热姓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 内部转化为热能。感应线圈与被加热_ 件并不直接接触，能虽是通过电磁感应传递的。 感廊电势在j 二件中产生的感应电流使下件加热。其焦耳热为： q = 0 2 4 。r f ( 1 1 ) 式中， 9 ：电流通过电阻产牛的热量( j ) ； ，：电流有效值( a ) ； r ：工件的等效电阻( q ) ； f ：j 二件的通电时间( s ) 。 根据文献 5 】可知，感应电势和发热功率与频率高低和磁场强弱有关。感应线圈中流 过的电流越大，其产生的磁通也越大，因此提高感应线圈中的电流可以使工件中产生的 涡流加大；同样提高工作频率也会使t 什中的感府电流加大，从而增加发热效果，使工 什升温更快。 进一步分析可知，被加热工什内的功率密度不是处处相等的。例如图1 1 中所示的t 件，在靠近表面处，感应电流越人，功率密度也就越高；越到内部，磁场越小，功率密 度也就越低。这种现象称为集肤效应【“。根据电磁场理论可以得出，导体中的功率密度 在导体表面深度超过一定值后就变得很小。可以认为，交流电流在t 件中所产生的焦 耳热集中在表面深度内，称为透入深度。在高频感应加热中，这一概念有很重要的 意义。 透入深度彳的表达式如f ： = ( 1 2 ) 式中，口：t 件电阻率( q m ) ； o ：真卒磁导率，4 ，1 0 7 ( h m ) ； “，：相对磁导率； ，电流频率( h z ) ： ：透入深度( m ) 。 由式( 1 2 ) 可以看出透入深度和电流频率，成反比，频率越商，功率越集中在表面 1 厮 浙江大学博十学位论文 第1 章绪论 薄层，使局部温度迅速升高甚至熔化。利用这一现象，感应加热可以很好地满足金属表 面淬火等热处理工艺要求。 大多数情况下，被加热t 件属于铁磁材料，材料的相对磁导率m 随温度上升而下降， 开始升温时下降的很慢，当温度上升到居里温度( 7 3 0 0 c 左右) 之后，迅速下降为1 。在 经过居垦点时，加丁= 工件的相对磁导率和电阻率都发生显著的变化，对工程设计计算和 感应加热电源控制系统设计都带来凼难。在人多数熔炼和透热等加热过程中，都是只对 t 件温度超过居里点的情况进行汁算：一方面计算结果简单适用；另一方面t 程中常常 要求电源在加热快要结束时提供最大功率。对控制系统设计来说需要考虑加热上件的 参数变化对控制造成的影响和控制系统的容许范围，以免出现不可控状态。 在感应加热过程中要发生电磁感席、发热、热传导等物理现象，分析起来较复杂，为 了研究方便，在分析其中儿个主要的电磁现象之后，将感应线圈和工件的负载电路等效 为电感和电阻的组合图1 2 中( a ) 是等效电路的串联形式，( b ) 是并联形式。 图1 2 负载感应器的等效电路 】2固态高频感应加热电源技术的研究意义 高频感应加热电源在特种钢加t 、管材加t 、晶体加t 、超导体热加t 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，其它上 业发达国家以往多也多采用电子管振荡电源实现高频大功率的廊崩【1 1 【1 2 1 ”。由于电子管 电源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 预热等缺点，使得随着电力电r 技术和固态高频器件s l t 、i g b t 和p o w e r m o s f e t 的发 展，电子管电源逐步被固态感廊加热电源所取代成为可能。 同态高频感应加热电源效率高，器件使用寿命长开关损耗和通态损耗小，同时无噪 声，启动方便等优点使得在研究领域受到重视。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 一d 浙江大学博十学位论文 第1 章绪 论 多数仍使用电子管振荡器电源。尽管电f 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 也只能接受这个现实。冈此研究半导体固态高频感麻加热电源在国内有很紧迫的现实意 义。 在同态高频感应加热电源中，由于丁作频率较高，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 高频电源提高电源容晕通常采用器件 并联或者逆变器并联等方案。在电力电予技术中模块并联的重点之一是如何解决均流问 题，而高频感虑加热电源由于j 二作频率较高，控制系统的设计难度较大。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t 作有重要的指导作 用。 l - 3国内外高频感应加热发展现状 1 3 1国外高频感应加热电源发展现状 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，因此效率相对丁其他可控 元件偏低，除日本以外较少有s i t 高频产品问世。 由于欧荧和日本公司的资金和技术方面的优势，使得这些公司的高频感应加热电源 产品代表了感应加热电源发展的最高水平。 l n d u c t o r h e a tl n c 、r a d y n ec o r p 、b a n y a r d 、e l p h i a c 、a m e r i l h e r m 、n e w e l c o 【1 0 】等公司 是现阶段国外主要感应加热厂商。 l n d u c t o r h e a t 公司，是生产感应固态电源的著名厂家之一，是一个由2 2 家感应和接 触加热方面的专业公司组成的国际工业集团，是世界上最人的感应熔炼和保温电炉的制 造厂商。其产品广泛地用丁黑色和有色金属工业领域，还生产自动浇铸发备和计算机控 制系统，是世界上最大感应加热设备、系统的设计者和制造商。相应的电源产品包括： 可控硅、i g b t 、晶体管和m o s f e t 电源和电子管电源，覆盖了从中频、超音频、高频直 至射频的频率范隔，完全替代了传统的中频发电机和老式电子管技术。功事从2 5 k w 到 8 m w 。频率从2 0 0 h z 到4 0 0 k h z 。它的s 下a t l t r o n 型号m o s f e t 电源达到4 0 0 k h z ，最 大功率2 m w 【”j ，代表了高频大功率应用的发展方向。 浙江大学博士学位论文 第l 章绪论 美国的a m e r i t h e r m l l5 1 公司的产晶集中在高频和超高频方面，其产品功率从l k w 剑 15 0 k w ，频率从5 k h z 到6 0 m h z 。该公司的n o v as t a r 高频电源频率可以达到4 8 5 k h z ，功 率达到2 0 k w ，电源和感应圈之间的距离最k 达到6 0 米，可住o 1 秒内从1 电压加到满 电压，还可通过r s 4 8 5 等通信协议使用计算机进行远端控制，有很宽的频率调节范罔， 低电压的感应线圈能够良好和地绝缘。代表了高频电源在轻便、灵活等方面的发展趋势。 欧美公司的产品系列基本覆盖了金属热处理的各个方面，而且相关的生产线设备比 较完善。但在固态高频电源方面只有几家公司有相关的产品，j 二作频率从2 0 0 k h z 到 4 0 0 k h z 之间，功率从1 0 k w 到1 0 0 k w 左右，电源功率随频率增加而递减。由于采用半导 体功率器件和先进的技术保障，这一部分电源具有重量轻、体积小、灵活处理不同负载、 动态响应好等特点，因此欧美国家的高频感应加热电源代表了高频感应加热电源的发展 方向。 由于日本的s l t ( 静电感应晶体管) 技术比较先进，它的高频感应加热电源充分利用 这一优势。s i t 是二十世纪五十年代由日本渡边和西泽润一教授提出，在七十年代研究成 功的场控半导体器件。19 8 2 年由富士电波工机株式会社研制成功1 4 k w 1 0 0 k h z 的全晶 体管高频电源1 1 ”。但研究热潮集中在二十世纪9 0 年代初，其后只有较少成果见诸 于文章中。日本系列化的电子管振荡器的水平为5 1 2 0 0 k w 门o o 5 0 0 k h z ，而其采用s l t 的固态高频感廊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。以1 9 9 6 年日本兴业公司为例：频率上限为2 0 0 k h z 、功率 上限为3 0 0 k w 【2 ”。日本应用其它功率器件研制的感应加热电源也处于世界领先地位。因 此尽管口本的s i t 感应加热电源已经发展到较高水平，但是高频感廊加热发展的主流仍 然是采用p o w e rm o s f e 丁和i g b t 器件为主。 1 3 2国内高频感应加热电源发展现状 我国感应加热技术从5 0 年代开始就被广泛应用于t 业生产中。6 0 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，并开拓了较为广阔的应用市 场。 在超音频领域的研究t 作八f 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1 2 ”。 从九十年代开始，固| = | 采用j 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 6 浙江大学博士学位论文 第l 章绪论 院和本溪高中频电源设备总厂共同研制完成了j 0 0 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1 2 ”。2 0 0 3 年浙江大学三伊公司研制成功 1 0 0 k w l o o k h z 的i g b t 同态电源。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 s o k h z ，与国外的水平相比还有一定的差距。 在高频电源方面，s j 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 过引进技术国内已有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 年天津高频设备厂研制的 7 5 k w 2 0 0 k h z 的s 】t 高频感应加热电源1 2 6 1 产品代表了国内s l t 电源的最高水平。由于 m o s f e t 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 要相虑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，如浙江人学 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1 2 ”，江南大学研制的】k w ，2 m h z 的 m o s f e t 超高频电源样机等。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 4高频感应加热技术研究回顾 高频感应加热技术的研究主要集中在电源拓扑、负载谐振回路、器件开关动态过程、 调功方式和提高电源容量等儿个方面。由于以上几个方面相互关联，因此现阶段研究的 关键在如何在提高某一方面的性能不影响其它性能指标。 1 4 1 高频感应加热技术中研究重点 在研究以上感应加热高频电源相关问题过程中，需要兼顾考虑以下问题： 提高频率的同时，降低器件开关损耗； 提高频率的同时，降低寄生参数对电源工作状态的影响； 在提高电源容量的前提下，使逆变器输出电压低于1 k v ，保证不需要串联过多器件 而产生均压困难； 电源调功方式简洁，同时不会提高开关损耗。 1 4 2 高频感应加热电源拓扑的研究 感应加热电源本质上是一个谐振变换器，通过改变感应线圈上交流电流的大小和频 率使感应加热电源工作在不同的状况下，适用不同的加热t 艺。由于工件的热加工要求 于差万别，需要对电路拓扑有一定的认识米选取台适的结构。谐振电路器件开通和戈断 浙江人学博士学位论文 第1 章绪论 时多处在谐振或者准谐振状态即零电压或零电流状态，升关损耗比较小，因此相对于 p w m 控制的开关电源频率可以提升的更高。 高频电源应用中的问题较多，在高频t 作状态f ，许多在中频和超音频下可以忽略 的电路寄生参数在谐振过程中影响逐渐增大。这些寄生参数包括：直流母线引线电感、 逆变器布线电感、功率器件的寄生电容等。随着频率的提高，功率器件的开关损耗在逐 渐增大，对器件稳定上作的影响也在增加。在高频电源中，为了减小驱动的功耗，多采 用自激驱动方式。这种方式对实际电路寄生参数计算的准确性要求非常严格。 为了节省成本，小功率电源的拓扑多为单管结构。( 便于分析，以下图中只画出代表 感应线圈的，省略代表负载的电阻r 。) 中小功率的感应加热电源应用范围很广，在工 业热处理、晶体处理、家用电器中都有广泛的应用。一般功率小于2 k w ，频率在 2 0 k h z 4 0 k h z 左右，多采用单管结构。当要求更大功率时采片j 敢管结构。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r 基本的单管谐振电 路结构。图1 3 和图1 4 是零电压和零电流开关技术在电压源或者电流源条件下的一些应 用。由于电路原理比较简单1 3 0 l ，这里不进行分析。 ， 图1 3 电压型零电压谐振电路i 图1 4 电压型零电压谐振电路i i 在实际设计中，为了避免和寄生参数产生振荡，基本不选择三阶以上的谐振回路。而 三阶谐振电路比二阶电路多一个自由度，设计时有较多的选择余地，可以根据负载要求 和器件容量灵活选择电路拓扑”“。而且通过合理布置三阶电路中的电感、电容可以吸收 电路中原本存在的寄生电感和寄生电容。经典的c l a s s e 型电路m 1 6 1 就是通过并联在功 c ， 图1 5c l a s s e 型谐振电路 皇牛 浙江大学博士学位论文 第l 章绪论 率器件两端的电容来吸收原本存在的寄生电容。图1 5 所示为c l a s s - e 型电路用丁感应加 热基本结构”。图中三和月代表负载等效电感和电容。 图1 6 所示的是双管谐振电路。文献【3 8 】在图1 6 下面的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。 图1 6 双管谐振电路 单管谐振电路有很多优点：体积小、重量轻、价格便宜，可以实现z c s ( z e r oc u r r e n t s o f ts w i t c h i n g ) 工作状态使功率器件上开关损耗减小。但在工作时器什承受很高电压， 同时调节功率时需要要改变频率，因此当负载要求频率固定的情况下单管电路就不太适 用。文献【3 9 】提i 1 5 另外一种双管电路，能够工作在固定工作频率卜通过p w m 调制改变输 出功率，而且在达到零电流的同时可以减小器件上的峰值电压。这种拓扑可以用在高频 小功率的环境。文献【4 0 】提出一种可以用丁家用电饭锅的双管改进电路同样可以降低器件 两端的峰值电压。 文献【4 1 】 4 2 】提出另外一种用于家用电器的双管谐振电路，基本要求和控制方案与上 述图1 4 内容近似，只是结构有所改变。没有实质性的区别，不再给出其拓扑。 总体而言，双管电路比单管电路有更多的灵活性，可以在功率容量、调功方式和器 件的利用率上有更大的选择空间。但是增加的功率器什和谐振元件提高了电路的造价， 和单管电路相比价格不占优势。 9 一 一 浙江人学博士学位论文 第l 章绪论 l 强专盗 & 量 型 二刘f 二 艮广c f 斗| 二 i i 芬墨芬 副点。划； i h 图1 7 电压型全桥谐振逆变器 k 图18 电流型全桥谐振逆变器 在大功率感应加热电源中多采用的全桥结构，如图1 7 所示的电压型逆变器1 43 ”l 和图 1 8 所示电流逆变器1 5 3 6 ”。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。 下面比较两种逆变器的特点： 电压型谐振逆变器：电流型谐振逆变器： 夺输入端为直流电压源；夺输入端为直流电流源； 夺输出电压为方波电压： 夺输出电压为正弦电压； 审输出电流为正弦电流；夺输山电流为方波电流； 夺负载阻抗特性为串联谐振不宜空载；夺负载阻抗特性为并联谐振特性可以空载； 夺桥臂直通及负载短路保护困难；夺桥臂直通及负载短路保护容易； 夺桥臂开路及负载开路保护容易；审桥臂开路及负载开路保护困难； 各种电路结构，都有较明显的特征，在某种具体廊用中，都有较为明显的优点，与 其他电路相比，也必然有其缺点。对感应加热电路而言，因为两种逆变器结构的对偶性， 所以各自都有一定的局限性，或者说是实现起米的技术难点。在高频逆变器的电路选择 中，我们要尽量的避免一种电路实现的难点，充分利用它的优点。在高频感廊加热电源 应用中，还要充分了解高频开关器件的特性。对于m o s f e t 而言，反向呈二极管特性； 对i g b t 而言，由于拖尾电流较大，容量较人的模块工作频率较低，不适用在频率较高 的电源中。 高频感应加热的设计有j 个要点：器件是前提，上艺上的可实现性是关键，满足上 浙江大学博士学位论文 第l 章绪论 件的加热要求是最终目的。高频化的首要前提是器件( 其中包括快速二极管) 具有高速 的开关特性。但是人奔量的快速二极管的反向恢复特性差，恢复时间较长，因此在电压 型逆变器中，通常是逆变器1 作于感性状态以避免二极管的反向恢复问题，同时可以人 大减小高频开关损耗。在电流型逆变器中，二极管和自关断器件是串联的，在任何状态 下，其电流容量必须与自关断器件相当，而在电压型