双工模式感应加热电源的研究

1、    双工模式感应加热电源的研究    肖新山摘  要：感应加热是一种清洁、高效、卫生的加热技术，其在众多的工业领域中都有着广泛的应用。而在民用领域中最典型的代表则是电磁炉。现今市面上所应用的电磁炉主要是基于d类变频器所发展起来的，并辅助以调频调功（pfm）和调脉冲密度调功（pdm）两类功率调节方式。上述两种功率调节方式有其应用范围和应用特点。为使得感应加热电源能够更好的发挥效果，文章介绍了一种双工模式感应加热电源。关键词：感应加热;双工模式;研究：tm924        文献标志码：a ：2095-

2、2945（2020）19-0057-02abstract： induction heating is a clean， efficient and hygienic heating technology， which is widely used in many industrial fields. the most typical representative in the civil field is the induction cooker. nowadays， the induction cookers used in the market are mainly based on d-

3、type frequency converter， and are assisted by two kinds of power regulation modes： pulse frequency modulation （pfm） and pulse density modulation （pdm）. the above two power regulation methods have their application range and application characteristics. in order to make the induction heating power su

4、pply more effective， a duplex mode induction heating power supply is introduced in this paper.keywords： induction heating; duplex mode; research前言感应加热电源有着众多的应用，以电磁炉为例其是感应加热电源民用的典型代表。感应加热电源功率调节所使用的pfm和pdm两类调节方式各有其优缺点。pfm调功方式在低功率段损耗较大，在感应加热电源进行调功设计时应在低功率段采用pdm，在高功率段采用pfm，通过两者相结合能够有效提高调功效率。本文在分析pfm调功损耗

5、的基础上对感应加热电源调功方式进行了优化设计，从而使得感应加热电源在双工模式下具有良好的工作特性。1 感应加热电源特性感应加热电源是一种高效清洁加热方式，通过调节功率控制能够使其应用于多种不同的场合。感应加热电源主要通过功率调节的方式来改变感应加热电源的工作效率，但是当逆变器因损耗大增时将严重影响感应加热电源的工作效率。在感应加热电源上应用双工调节模式，将pdm和pfm相结合将有助于减少感应加热电源工作时的能量损耗，提升感应加热电源的工作效率。感应加热电源主要依靠交变磁场在待加热物体中产生涡流的方式来产生热量，利用交变电流的改变产生变化的磁场。感应加热电源功率控制依靠的是数字芯片（dsp等），

6、实现对于工频的精确控制，从而控制磁场的细微变化。感应加热电源加热具有极高的安全性，其是非接触加热，依靠涡流产生热量，加热能量能够较为集中在待加热物体中实现对于电能的高效利用。感应加热电源所使用的逆变器主要分为单管、半桥和全桥几种，单管逆变器由于开关应力限制主要应用于1kw左右频段，而全桥逆变器则主要应用于5kw以上的范围。在感应加热电源的应用中多采用的是d类逆变器，这是由于相对于de类逆变器d类逆变器调节方式更加灵活、实现方便、价格较低。在感应加热电源的功率调节时应用pfm调功方案时低功率阶段将受开关频率较大所带来的影响而影响功率调节效率，但是在高功率输出阶段感应加热电源所处于的工作频率要与负

7、载频率相接近，从而使得感应加热电源的逆变器工作频率较高。需要注意的是，应用pdm功率调节方法时将会带来电压闪变的问题，而在调节时pdm功率调节范围将与功率调节周期呈现出正相关的关系，而在处于低功率时，pdm功率调节具有良好的设计特性，且能够有效的限制感应加热电源工频频率的增大。针对感应加热电源所具有的上述特性，本文为解决这一问题采用的调功策略解决了上下桥臂不对称所带来的问题，且感应加热电源所采用调功策略的开关管始终处于zvs条件下，体现出了较为良好的软开关特性。在感应加热电源的调功电路设计上，在低功率pdm调功阶段为提高调解效率降低调解损耗要改变以d类逆变器为主的电路设计，由于d类逆变器在低功

8、率阶段工作时其工作频率需要高于主电路的谐振频率，從而降低逆变器的输出功率，为实现这一目标主电路上的开关损耗和反并联二极管的通态损耗都较大，不利于感应加热电源的功率调节。为改变这一问题，可以在感应加热电源功率调节的主电路设计中采用de类逆变器用以取代d类逆变器在低功率阶段的使用，由于de类逆变器的最大输出功率比d类逆变器的输出功率要小，主电路上的负载电流将流经开关管与并联电容从而使得反并联二级管的通态损耗降至最低。此外，在这一状态下de类逆变器的并联电容相对于d类逆变器的电容容量更大，从而降低了de类逆变器开关管的断电压斜率，减少了关断损耗。2 双工模式感应加热电源逆变器解原理与结构双工模式感应

9、加热电源逆变器的结构如图1所示。在图1中逆变器依靠relay1实现开关管并联电容之间的切换，通过调整relay2继电器来实现负载电容的切换。通过上述方式实现感应加热电源在不同功率特性下逆变器工作模式的转换，为实现继电器的精确调节主要依靠的是微控芯片的i/o输出控制来实现的。在感应加热电源逆变器控制电路的设计上，如所使用的是d类模式逆变器其主要依靠的是在逆变器两端并联电容的方式来降低关断损耗的。需要注意的是，逆变器两端所并联的电容需要合理的进行选择，避免过大或过小。在并联电容的选择上要确保并联电容的充电时间高于igbt的关断下降和拖尾时间的和，从而使得关断损耗得到进一步的降低。在逆变器的de模式

10、，其充放电的时间与并联电容容量呈正比，为实现这一类型de类逆变器所并联的电容要远远高于d类逆变器。而de类逆变器开关管具有较小的开关管关断电压斜率，从而使得开关管的关断损耗较少。在de类模式下逆变器开关管所并联的电容降低了开关管开通使得电压至零，在实现了逆变器zvs的同时避开了反并联二级管，从而使得反并联二极管通态损耗并不存在。总体来说de类逆变器将有效避免反并联二级管的通态损耗，提高逆变器的工作效率。在感应加热电源逆变器开关管的设计上需要合理的确定并联电容的使用数量与工作时间，实现感应加热电源逆变器主电路的双工设计。3 感应加热电源双工模式下的工作特性3.1 pdm与pfm调功分析pfm调功

11、实现方式简单，多应用于负载品质因数较高的感应加热场合，在较小的频率范围内能够完成大范圍功率的调节。而当负载品质因数处于较小范围时，pfm调功的效率将大幅下降，使得逆变器处于较低的工作效率。通过对pfm调功过程中感应加热电源的工作特性进行建模分析后发现，pfm调功与逆变器的负载品质因数成正比，即品质因数越高调功效率越好。而在固定负载品质因数的条件下，逆变器的损耗将随着工频的增加而呈现出先增后减的趋势，igbt关断损耗的存在将使得逆变器的工作效率持续降低。通过对低功率阶段下pfm调功特性进行分析后发现，处于低功率阶段的pfm调功将使得逆变器的开关损耗大幅增加，感应加热电源的工作效率大为降低。pdm

12、调功主要采用调节开关管驱动脉冲密度的方式来对逆变器的输出功率进行调节，在调功周期内pdm的工作频率保持基本恒定，从而使得pdm调功具有较为良好的软开关特性。需要注意的是，pdm调功输出功率的波动将会对感应加热电源的电压质量带来一定的影响，出现电压波动和闪变问题。而电压波动则主要来自于负荷的剧烈波动变化。而在满足闪变标准时，pdm调功周期与pdm调功功率范围呈正比。为保障感应加热电源能够取得良好的应用效果需要做好pdm调功周期与pdm调功功率的匹配。3.2 感应加热电源逆变器工作特性的建模仿真基于psim仿真模型参数（负载等效电阻5？赘、负载等效电感74h、开关管并联电容d22nf/de274n

13、f、工频20 khz -50khz）完成感应加热电源工作特性的仿真，通过对仿真结果进行分析发现d类逆变器pfm调功工频在20khz时功耗最小，效率最高。在低功率阶段，逆变器的输出功率从200w-1500w的区段内变化时开关管de类逆变器的关断电压上升率是在不断变化的，且在600w时其上升率要比d类变频器的关断电压上升率小得多，仅为d类逆变器的1/14左右。从模拟数据上可以看出，在低功率阶段采用de类逆变器将能够有效的改善电源的工作特性。4 结束语感应加热电源有着广阔的应用前景，新时期随着新技术的发展与应用将有助于提高感应加热电源的产业化应用。本文在分析感应加热电源技术特点的基础上提出了感应加热电源的双工模式应用，在改善了感应加热电源在低功率阶段工作特性的基础上降低了感应加热电源的工作能耗、提高了工作效率，并对双工模式感应加热电源的主