一種應用于感應加熱的并聯(lián)諧振逆變電源設計方案

1 引言

在現代工業(yè)的金屬熔煉、彎管，熱鍛，焊接和表面熱處理等行業(yè)中，感應加熱技術(shù)被廣泛應用。感應加熱是根據電磁感應原理，利用工件中渦流產(chǎn)生的熱量對工件進(jìn)行加熱的，具有加熱效率高，速度快，可控性好，易于實(shí)現高溫和局部加熱，易于實(shí)現機械化和自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)。

隨著(zhù)電力電子學(xué)及功率半導體器件的發(fā)展，感應加熱電源基本拓撲結構經(jīng)過(guò)不斷的完善，一般由整流器、濾波器、逆變器 及一些控制和保護電路組成。逆變器在感應加熱電源中起著(zhù)十分重要的作用，根據逆變器的特點(diǎn)，本文提出了一種應用于感應加熱的并聯(lián)諧振逆變電源設計方案，針對其主電路、斬波電路及逆變器控制電路等進(jìn)行了分析和設計。

2 電源系統的總體設計

電源的系統框圖為圖1所示，三相交流電壓通過(guò)不控整流及濾波電路后轉換為直流電壓，該電壓被送到直流斬波器進(jìn)行斬波調節，變?yōu)楣β士烧{節的近似恒流源后輸入逆變器，之后控制感應加熱負載。

直流斬波控制部分則通過(guò)傳感器檢測斬波輸出的電流信號，經(jīng)PI調節器，控制PWM的輸出脈寬，從而改變斬波輸出電流的大小，實(shí)現閉環(huán)控制。逆變器控制部分采用鎖相環(huán)頻率跟蹤電路控制逆變器的工作頻率，產(chǎn)生高頻觸發(fā)脈沖，驅動(dòng)逆變電路中功率器件的通斷。

2.1主電路設計

并聯(lián)諧振逆變電源的主電路由三相不控整流橋、直流斬波器、電流源并聯(lián)諧振逆變器和負載匹配電路四部分組成。如下圖2所示。

這里采用不控整流加斬波構成直流電流源，主要是考慮到其具有保護速度快以及高頻斬波帶來(lái)的濾波器尺寸小等優(yōu)點(diǎn)。斬波器和逆變器中的主功率器件(VT與 VT1、VT2、VT3、VT4)均采用IGBT管。逆變器橋臂的每一個(gè)IGBT上均串聯(lián)一個(gè)二極管，通過(guò)IGBT的正向電流也將全部通過(guò)串聯(lián)二極管，這就要求串聯(lián)二極管能夠通過(guò)很大的正向電壓和承受很高的反向電壓，因此VD1~VD4選用的是快速恢復二級管。逆變器通過(guò)半導體開(kāi)關(guān)有規律地切換，在負載側得到一定頻率的交流電流，其頻率由開(kāi)關(guān)的動(dòng)作頻率決定，由于是電流源供電，逆變器輸出電流近似為方波，負載對基波分量呈高阻，壓降較大，而三次及三次以上諧波產(chǎn)生的壓降較小，可近似認輸出電壓(即電容C兩端電壓)為正弦波。

2.2PWM斬波控制電路

斬波的實(shí)現是通過(guò)控制IGBT(上圖2中VT管)的導通來(lái)控制電流的大小，從而間接控制功率。在穩態(tài)運行過(guò)程中，為實(shí)時(shí)了解負載的變化，需從諧振回路中反饋電流的變化，通過(guò)與基準值比較獲得占空比的大小。圖1系統框圖中的電流檢測可選用霍爾電流傳感器，檢測逆變器直流母線(xiàn)輸入電流的大小?？刂齐娐凡捎肞I 調節器，由運放與電阻、電容等元件構成，可將檢測電流與設定電流比較，只要反饋和設定有偏差，就可通過(guò)調節，使反饋向設定值逼近直至等于設定值，從而實(shí)現無(wú)差調節，提高系統穩定性。 PWM脈寬控制選用TL494,它是一種應用廣泛的PWM控制芯片，具有抗干擾能力強、結構簡(jiǎn)單、可靠性高以及價(jià)格便宜等特點(diǎn)。在本設計中具體電路如圖3 所示。

輸入(即PI調節輸出)自1腳引入，引腳13接低電平，PWM脈沖信號從8腳輸出，經(jīng)驅動(dòng)模塊放大后觸發(fā)斬波器元件IG- BT的導通。

2.3逆變器觸發(fā)控制

并聯(lián)諧振逆變器的觸發(fā)控制中，為避免大電感Ld上產(chǎn)生大的感應電勢，電流必須是連續的，因此要保證逆變器在換流時(shí)，VT1、VT3和VT2、VT4兩組橋臂應遵循先開(kāi)通后關(guān)斷的原則，即要求兩組橋臂的觸發(fā)脈沖有重疊區，這點(diǎn)與串聯(lián)諧振逆變器有較大不同。圖4是逆變器觸發(fā)脈沖的波形。

加熱工件在加熱過(guò)程中會(huì )引起諧振頻率的變化，為使逆變器可靠工作，逆變器需要始終工作在功率因數接近或等于1的準諧振或諧振狀態(tài)，以實(shí)現逆變器件的零電壓換流。