一种感应加热电源的设计

第１Ｏ卷第３期　奄涤教　石阙　Ｖｏ１．１Ｏ　Ｎｏ．３　２００７年３月　ＰＯＷＥＲ　ＳＵＰＰＬＹ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ　ＡＮＤ　ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＳ　Ｍａｒｃｈ　２００７　一种感应加热电源的设计　祁春清，　索迹　（苏州市职业大学电子信息工程系，　江苏　苏州　２１５１０４）　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　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ａｎ　Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ　Ｈｅａｔｅｒ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｕｐｐｌｙ　ＱＩ　Ｃｈｕｎ—ｑｉｎｇ，　ＳＵＯ　Ｊｉ　（Ｓｕｚｈｏｕ　Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，　Ｓｕｚｈｏｕ　Ｊｉａｎｇｓｕ　２１５　１０４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｍｉｄ一￣ｑｕｅｎｃｙ　ｈｉｇｈ－ｐｏｗｅｒ　ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ　ｈｅａｔｅｒ　ｉｓ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｗｉｄｅｌｙ　ｉｎ　ｉｎｄｕｓｔｒｙ，ｓｕｃｈ　ａｓ　ｒｅｆｉｎｉｎｇ，ｃａｓｔｉｎｇ，ｆｏｒｇｉｎｇ，　ｄｉａｔｈｅｒｍｙ，ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ，ｗｉｎｄｉｎｇ－ｐｉｐｅ，ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ，ｈｅａｔ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ，ｂｒａｚｉｎｇ　ａｎｄ　ｃｒｙｓｔａｌ　ｇｒｏｗｔｈｉｎｇ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｓｐｅｃｉａｌ　ｈｅａｔｉｎｇ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｇ　ａｎｄ　ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ　ｔｈｅ　ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ　ｈｅａｔｅｒ，ｗｈｉｃｈ　ｃａｎ　ｏｐｅｒａｔｅ　ａｂｏｖｅ　ｓｏｎｉｃ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ａｎｄ　ｈｉｇｈ　ｐｏｗｅｒ，ｂｅｃｏｍｅｓ　ｔｈｅ　ｏｎｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｏｃｕｓ　ｏｆ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｗｏｒｋ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｆｉｅｌｄ．Ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ　ｈｅａｔｅｒ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，　ａｎｄ　ｓｕｐｐｌｉｅｓ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ａｎｄ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｃｉｒｃｕｉｔｓ，ａｎｄ　ｃａｒｒｉｅｓ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｔｏ　ｔｈｉｓ　ｃｉｃｒｕｉｔ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｉｎｄｉｃａｔｅ　ｔｈａｔ　ｔｈｉｓ　ｓｃｈｅｍｅ　ｉＳ　ｆｅａｓｉｂｌｅ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ　ｈｅａｔｉｎｇ；ｓＳｅｒｉｅｓ　ｒｅｓｏｎａｎｃｅ；ｄｉｇｉｔａｌ　ｐｈａｓｅ　ｌｏｃｋｅｄ　ｌｏｏｐ（ＤＰＬＬ）　中图分类号：ＴＭ５７１　文献标识码：Ａ　文章编号：０２１９—２７１３（２００７）０３—００１４—０４　０　引言　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　感应加热电源发展至今在中、低频段已经比　算公式，建立了系统的等效电路，负载的等效模型　较成熟，虽然新型大功率电力电子器件已取代传　并分析了控制电路的结构和原理。　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　１　主电路的设计　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　所研制的１０　ｋＨｚ／１５０　ｋＷ单相半桥串联谐振　决起着很大的作用，同时，从控制方面也有待人们　感应加热电源样机的主电路结构如图１所示。为　去研究和发现新的方法和思路。　了减小逆变功率开关的开关损耗，逆变器的工作　本文对１０　ｋＨｚ／１５０　ｋＷ中频感应加热电源的　频率大于其谐振频率。若逆变器的工作电压不变，　主电路和控制电路进行了设计，采用单片机控制　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　收稿日期：２００６—０７—１０　１４　维普资讯 http://www.cqvip.com

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１，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。　Ｉ　Ｄ　｜　Ｐ一ｗｎＫ［　“Ｄ　－　＝（　链　图１　１０　ｋＨｚ／１５０　ｋＷ感应加热电源主电路　图１中：，Ｊ。为感应线圈折算到高频变压器初　级的等效电感；　为串联谐振电容；　尺。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１０　ｋＨｚ／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　本次设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３８０　Ｖ的动力设　备上。ＩＧＢＴ通常只能承受ｌ０　ｓ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　★研究与设计　一种感应加热电源的设计——　Ｈ　Ｈ卷蓊Ｈ　Ｈ　８４１　８４１　驱动电路　驱动电路　控制　电源　￥８０Ｃ３２　单片机　图２　１０　ｋＨｚ／１５０　ｋＷ感应加热器的控制电路结构图　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。　过流保护输｝｝｛４．７ｋ／２Ｗ　图３　ＥＸＢ８４１驱动线路原理图　通常ＥＸＢ８４１在过流时检测ＩＧＢＴ（在门极导　通时）集一射极间的电压，当该电压超过６Ｖ时，延　迟１０ｔｘｓ则判断为过流。但在实践中，当ＩＧＢＴ集一　射极间电压为６Ｖ时，其往往已损坏，因此集电极　至ＥＸＢ８４１的脚６串联一个３　Ｖ稳压管，使　ＥＸＢ８４１检测值由６Ｖ降低为３Ｖ。这一改进明显　增加了ＥＸＢ８４１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：＠ＥＸＢ８４１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，　一方面封锁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。　ｌ５　维普资讯 http://www.cqvip.com

第ｌ０卷第３期　２００７年３月　奄涤技　石阉　ＰＯＷＥＲ　ＳＵＰＰＬＹ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ　ＡＮＤ　ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＳ　Ｖｏ１．１０　Ｎｏ．３　Ｍａｒｃｈ　２００７　Ｊ　图４　桥路阻容吸收形式　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。　图５　驱动电压波形（Ｄ＝０．３）（５０１ｘｓ／ｄｉｖ．１０Ｖ／ｄｉｖ）　图６　斩波器电压波形（Ｄ＝０．３）（５０１ｘｓ／ｄｉｖ．１０Ｖ／ｄｉｖ）　图７　斩波器电压波形（Ｄ＝０．７）（５０１ｘｓ／ｄｉｖ．１０Ｖ／ｄｉｖ）　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ｌ５　ｌ６　图８　斩波器电压波形（Ｄ＝Ｉ）（５０１ｘｓ／ｄｉｖ，１０Ｖ／ｄｉｖ）　图９　栅极脉冲波形（５０ｐ￣ｓ／ｄｉｖ．５Ｖ／ｄｉｖ）　图ｌ０　栅极脉冲与漏源极波形（５０１ｘｓ／ｄｉｖ．１０Ｖ／ｄｉｖ）　图１　１　频率跟踪之前（５０１ｘｓ／ｄｉｖ．２０Ｖ／ｄｉｖ）　所刁　。　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ｌ６所示。　４Ｉ３　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　维普资讯 http://www.cqvip.com

图１２　频率跟踪之后（５０“ｓ　ｖ，ｌＯＶ／ｄｉｖ）　图１３　从谐振电容采样整流后波形（５０ｌｘｓ／ｄｉｖ，２０Ｖ／ｄｉｖ）　（ａ）　上桥臂　（ｂ）　下桥臂　图１４　上下桥臂１ＧＢＴ的漏源极波形（５０１ｘｓ／ｄｉｖ，２０Ｖ／ｄｉｖ）　图１５　工作在谐振频率下的波形（电容电压和栅极脉冲）　（５０ｌｘｓ／ｄｉｖ。ｌＯＶ／ｄｉｖ）（方波），２０Ｖ，ｄｉｖ（正弦波）　畸变。频率跟踪较快，跟踪周期范围是ｌ０～２４　ｓ，　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。　★研究与设计　——一种感应加热电源的设计——　图１６　工作在感性下的波形　（５０ｌｘｓ／ｄｉｖ，１０Ｖ／ｄｉｖ）（５０１￣ｓ／ｄｉｖ，５Ｗｄｉｖ）（方波），　２０Ｖ／ｄｉｖ（正弦波）　５　结语　本文介绍了所设计制作的１０　ｋＨｚ／１５０　ｋＷ感　应加热电源样机，在经改造后的设备上做了部分　实验，获取了实际的数据和波形。具体有以下结　论：　（１）采用主电路及控制电路经过实际运行检　验；　（２）保护手段经实际运行检验证明可行；　（３）锁相控制电路能跟踪由于负载变化引起　的谐振频率的变化，从而最佳地控制加热的过程。　本实验中制作的锁相电路能很好地跟踪谐振　频率做跟踪范围是ｌ０～２４　ｓ，这个跟踪范围对负　载来说是足够的，在加热过程中，负载的阻抗变化　不会太显著。　参考文献　［１】　Ａｎｄｒｅａｓ　Ｓｃｈｏｎｋｎｅｃｈｔ．Ｎｏｖｅｌ　Ｔｏｐｏｌｏｇｙ　ｆｏｒ　Ｐａｒａｌｌｅｌ　Ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｓｏｆｔ　Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ．Ｈｉｇｈ　Ｐｏｗｅｒ．Ｈｉｇｈ　Ｆｒｅ—　ｑｕｅｎｃｙ　Ｉｎｖｅｒｔｅｒｓ［ＡＪ．ＩＥＥＥＩｎｄｕｓｔｒｙＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　Ｃｏ　ｅｎｃｅ（Ｔｈｉｒｔｙ－Ｓｉｘｔｈ　ＩＡＳ　Ａｎｎｕａｌ　Ｍｅｅｔｉｎｇ）【Ｃ１．Ｃｈｉｃａｇｏ　Ｉｌｌｉｎｏｉｓ　ＵＳＡ，２００１，　［２ｌ袁俊国，于非，吴兆麟．移相式高频感应加热装置的研　究【ＪＪ．电力电子技术，１９９９，３３（６）．　［３】　李忠文，安生挥．实用电机控制电路［Ｍ】．北京：化学工　业出版社．２００３．　【４】王健．感应加热用ＩＧＢＴ超音频电￣－［Ｊ１．热工技术，２００１，　（４）：６８—７０．　作者简介　祁春清（１９７３一），女，工学硕士，工程师，讲师，研究方　向为电力电子与电力传动。　索迹（１９７２一），男，工学硕士，助工，助教，研究方向　为电力电子与电力传动　１７