一种感应加热电源的设计

摘要：感应加热电源在金属熔炼、铸造、锻造、透热、淬火、弯管、烧结、表面热处理、铜焊以及晶体生长等行业得到了广泛的应用。同时，由于感应加热电源的加热特点，超音频、大功率是感应加热电源领域研究的重点之一。详细介绍了所设计的感应加热电源，给出了实现的方法和实验电路，并对此方法进行了仿真。实验和仿真结果表明该设计方案具有一定的可行性。
关键词：感应加热；串联谐振；数字锁相环

0 引言
感应加热电源发展至今在中、低频段已经比较成熟，虽然新型大功率电力电子器件已取代传统的晶闸管，但仍然存在不少问题，比如负载匹配、频率跟踪、高频化的实现，高功率因数和低谐波，大容量带来的器件的串联均压与并联均流问题等。电力电子器件本身的发展对这些问题的解决起着很大的作用，同时，从控制方面也有待人们去研究和发现新的方法和思路。
本文对10kHz/150kW中频感应加热电源的主电路和控制电路进行了设计，采用单片机控制和IGBT器件取代原有的模拟控制和晶闸管器件，实现对老装备的更新改造；推出主电路的参数计算公式，建立了系统的等效电路，负载的等效模型并分析了控制电路的结构和原理。

1 主电路的设计
所研制的10kHz/150 kW单相半桥串联谐振感应加热电源样机的主电路结构如图l所示。为了减小逆变功率开关的开关损耗，逆变器的工作频率大于其谐振频率。若逆变器的工作电压不变，则在谐振点附近的输出功率最大，当提高逆变器工作频率时，负载等效阻抗增高，输出功率减小，输出功率因数很低，而且逆变器主开关管工作在硬开关状态，开关损耗大，效率低。该电源采用串联谐振式全桥Dc/AC逆变电路，以IGBT为主开关器件，由电流调节和功率调节组成双闭环的PWM直流斩波器进行功率调节，用频率跟踪电路控制逆变器的工作频率，使逆变器始终工作于谐振状态，逆变器输出功率因数接近于l，而且IGBT能始终工作在准零电流开关状态，整机工作效率较高。

图1中：L。为感应线圈折算到高频变压器初级的等效电感；
Co为串联谐振电容；
R0为负载及线路的等效电阻。
由于采用了负载谐振技术，为保证主开关管工作于ZCS状态，输出功率的调节只能依靠改变逆变桥的供电电压来实现。本电源的功率调节由三相不可控桥式整流电路、PWM直流斩波电路、功率控制电路等部分组成，由电流调节和功率调节组成双闭环功率控制电路，具有调压范围宽，输出稳定性好等优点。

2 控制电路结构
2.1 控制电路结构
所设计的10kH/150 kW感应加热器的控制电路结构如图2所示。

2.2 功率IGBT驱动电路
本次没计采用富士电机公司EXB系列EXB841集成化驱动线路。EXB841是高速型(最大40kHz运行)，采用具有高隔离电压的光耦合器作为信号隔离，因此能用于交流380V的动力设备上。IGBT通常只能承受10μs的短路电流，所以必须有快速保护电路。EXB系列驱动器内设有电流保护电路，根据驱动信号与集电极之间的关系检测过电流。其驱动线路如图3所示．

通常EXB841在过流时检测IGBT(在门极导通时)集-射极间的电压，当该电压超过6V时，延迟10 μs则判断为过流。但在实践中，当IGBT集-射极间电压为6V时，其往往已损坏，因此集电极至EXB84l的脚6串联一个3 V稳压管，使EXB841检测值由6V降低为3 V。这一改进明显增加了 EXB84l对过流判断的灵敏性，使线路不仅能正常地驱动元件，而且在过流时能更有效地保护元件。
2.3 过流和过压的保护电路
IGBT的抗过流能力较弱，因此线路设计须考虑保护：主要有两种方法：①EXB84l过流保护，但这种方式风险较大；②在电抗器和逆变桥输入之间串一个电流传感器，当其输出值超过预定值时，．方面封锁PWM斩波脉冲，另一方面封锁逆变脉冲。
换流过程中的电压毛刺会引起电路产生过电压，这种现象主要靠增加阻容吸收来克服，须注意：逆变回路二极管上也需要加阻容吸收，如图4所示。

还有锁相电路设计等，这里不再累述。

3 整流控制电路
电路分成两个部分，一是由DS80C320经与反馈量计算的输出脉宽调制PWM脉冲，一是经光电隔离后驱动IGBT栅极触发电路。
驱动波形和斩波波形如图5～图8所示。

4 实验波形和结果分析
4.1 工作频率等于谐振频率的波形
工作频率等于谐振频率的波形如图9～图15所示。

4.2 工作频率大于谐振频率(感性)的波形
工作频率大于谐振频率的波形如图16所示。

4.3 结果分析和讨论
由实验波形可以看出，系统在谐振工作状态波形较好；在工作频率远离谐振频率时，波形发生畸变。频率跟踪较快，跟踪周期范围是10～24 μs，这个跟踪范围对负载来说是足够的，因为在加热过程中，负载的阻抗变化不会太显著。