IGBT高频感应电源加热逆变电源研制

　　引言

　　本文以IGBT高频感应加热电源为研究对象，首先介绍了课题的背景，国内外高频感应加热电源的发展现发展也做了就爱你要的介绍，并简述本课题所做工作的主要内容。

　　本文从感应加热的基本原理出发，对感应加热电源中的电流型逆变器和电压型逆变器作了比较分析，对感应加热电源常用的两种拓扑结构进行了分析，重点介绍了关于串联型感应加热的特点，由于其具有结构就爱你但、加热效率高、设备体积小等优点，得到串联型你变器拓扑更加合适高频感应电源的结论，因此成为本课题的选定的方案，也时整机制的理论基础。并分析了感应加热电源的各种调用方式，对谐振槽基本理论进行了详细的分析。

　　整机制首先要选择合适的器件，在本文对主演的器件的参数、结构特性、驱动要求等进行了详细的说明。

　　在选择合适的器件的基础上，设计出的整机的结构;其中包括整流环节、逆变环节、驱动技术、保护措施等。在现场进行大量的应用实验，选定电源的控制与保护等环节的实现方案。并对实验波形进行了测试和分析，通过现场的应用来验证了以上理论的正确性。论文最后对本课题所做的工作做了一个简单的总结。

　　关键词：高频，感应加热，串联逆变，全桥主电路，IGBT

　　IGBT FREQUENCY INDUCTION HEATING POWER MANUFATURE

　　LEADER

　　This paper has researched high frequency solid induction heating power supply. In the first, it has introduced the development and history of high frequency induction heating power in the world and in our country; it has introduced the development and history of power electronic devices and the history knowledge of induction heating also.

　　In the next ,it has introduced the basic knowledge of induction heating .It has analyzed the two main topologies that are often used in induction heating power supply ,and analyzed power regulating methods of induction heating supply .The basic principals of the resonant tank are also analyzed in this paper because this ,we drawn a conclusion that if power is regulated in the rectifier ,then it will be easy to enhance power capacity and enable the power supply to work on high frequency .The molds of passive element are analyzed and after the analyzed it has got the guide during the selection of passive elements.

　　The electrical design of whole power supply is given .The control diagram of rectifier ,inverter and inverter driver and protection circuit are all given here .simulation waveforms are also given in this chapter .In has a brief summation for the whole dissertation .

　　KEY WORDS: high frequency ,Inducting heating ,Series resonant inverter ,Full—bridge.

　　1、绪论

　　1.1 选课意义

　　由于电磁感应加热具有计算热效率、升温快、可控性好，且易于实现机械化、自动化等优点，感应加热变频装置已越来越广泛的应用于熔炼、透热、淬火、弯管、焊接、加热等工业领域，已取得了明显的经济效益和社会效益。感应加热变频电源装置的发展方向时沿着大容量、高频率、高效率、智能化、并以提高可靠性、拓宽用途为目标。

　　80年代出现的绝缘栅双极晶体管(IGBT)因具有开关频率高、驱动功率小通态压降小、电流密度大等优点而得到越来越广泛的应用[1]。在此之前，晶闸管中频电源和电子管式高频电源装置是应用于感应加热的主要产品，但他们都有体积庞大，价格昂贵，能耗大，效率偏低的共同缺点。

　　国外市场早在九十年代初就已出现IGBT感应加热变频电源。随着IGBT制造和应用技术的不断的发展，现在国内外市场上已出现功率达五六百千瓦和频率高达80KHZ的感应加热频率电源，能耗降低，使用效率高。但是电子管式高频电源装置。

　　目前我国国内的IGBT感应加热电源有中频(500HZ—10KHZ)和高频(10KHZ—50KHZ)系列，而高频系列的感应加热电源仍以小功率为主导产品;80KHZ以上的大功率装置仍处于实验室研发阶段，市场主导产品仍然是电子管式高频电源装置。

　　为了满足广大用户的实际需要同时为达到国内先进水平我们准备采用简单的电路控制技术、低价的成本，制造和还发出具有广泛的应用范围、能耗低、使用效率高的IGBT感应加热电源装置当热更大功率和更高的IGBT感应加热电源装置的制造和开发仍然有非常大的发展空间，有待我们进一步去研究和开发。

　　高频感应加热技术是二十世纪初发展起来的一项加工技术，由于它具有加热速度快材料内部发热和热效率加热均匀且有选择性，产品质量好几乎无环境污染易于实现生产自动化等一系列优点而得到迅速推广目前这种加热技术在机床制造、起床、拖拉机制造、轴承制造、量具、刃具制造及一般机械零件制造中都得到广泛应用并且其应用范围日益扩大。

　　IGBT高频感应加热电源设备可比同类电子管式电源大幅度提高电能效率，明显降低冷却用水量，节水节能效果显著;装置体积小、无噪音、无污染、大大改善工作环境;同时可以替代国外进口电源设备。为国家节约外汇资金。

　　随着科学技术的发展。传统的工频加热由于耗能高、重量体积笨重、加热性能差等缺点已不满足各行各业的需要，因而急待研究性能更好的代替产品。逆变电源体积小、重量轻高效、节能具有优越的经济指标，因此成为各加热行业最具有前途的发展方向，现代电力电子技术的不断发展为研究高频你边加热电源奠定了基础。

　　基于以上讨论，本课题选择研究全固态高频感应加热电源，目的旨在进一步提高金属的加热处理和加工工艺。

　　1.2课题主要内容

　　选课题希望通过对IGBT应用技术和3525脉宽调制器应用技术的研究，串联谐振逆变器感应加热的原理分析，做成50KHZ、40KW的高频感应加热电源装置，达到国内先进水平。

　　研究内容分三部分：

　　1、用3525脉宽调制器作为主控制器件做成具有方波跟踪的主控线路板;

　　2、优化布线，减少分布电感对开关器件正常工作的干扰;

　　3、用IGBT作为开关器件爱你，二极管三相不可控整流桥以及及电容、电感组成的谐振器件做成50KHZ，40KW的高频感应加热电源装置。

　　2、高频感应加热电源的发展和趋势

　　2.1 电力电子器件的发展

　　1957年，美国研制出世界上第一之普通的(400HZ)反向阻断型可控硅，后来成为晶闸管(SCR)。经过60年代的工艺完善和应用开发，到了70年代，晶闸管已形成从低压小电流到高压大电流的系列产品。在这期间，世界各国还研制出一系列的派生器件，如不对称晶闸管(ASCR)、逆导晶闸管(RCT)、双向晶闸管门极辅助关断晶闸管(GATT)、光控晶闸管9LASCR)以及80年代迅速发展起来的可管段晶闸管(GTO)。由于晶闸管及其派生器件所构成大额各种电力电子装置在工业应用中主要解决了传统的电能变换装置中所在存在的能耗大和体积笨重的问题，因此电能的利用率大大地提高了，同时也是工业噪音得到一定的控制。目前在internet上可以查到的高压大电流晶闸管有POWEREX推出的用于高压交流开关和静止无功发生器用的1200V/1500V的晶闸管。

　　1948年美国贝尔实验室发明了第一只晶体管以来，经过20多年的努力，到了70年代，用于电变化的晶体管(GTR)已进入工业应用领域，由于GTR自关断能力且开关速度可达20KHZ，在PWM技术中一度得到广泛的应用，并且促使装置性能进一步的提高和传统直流电源装置的革新，出现了所谓的“20前周革命”，但因功率晶体管的存在二次击穿、不易并联以及开关皮绿仍然低等问题，他的应用受到了限制。

　　70年代后期电力半导器件在高频话进程中一个标志器件，功率场效应晶体管(power MOSFET)开动进入使用阶段，进入80年代，人们有在降低器件的导通电阻，消除寄生效应、扩大电压和电流容易以及驱动电路集成化等方面进行大量的研究，取得了很大的进展。功率场效应管应用最广的是电流垂直流动结构的器件(VDMOS)。它具有工作频率高(即使千赫兹、抵压管可达兆赫)、开关损耗小、安全工作区宽(不存在二次击穿的现象)、漏极电流为负极温度特性(易于并联)、输入阻抗高等优点，是一种场控型自关断器件，是目前电力电子技术发张的主要器件之一。100A/1000V的VDMOS已商业化，研制水平达250A/1000V，其电流的容量还有继续增大的趋势，尽管VDMOS器件的开关速度非常快，但其导通电阻与U2.5成正比，这就限制了他在高频中、大功率领域的应用。

　　80年代电力电子器件较为引人瞩目孙湾成就之一九十开发出双击型符合器件，研制符合器件的主要目的是实现器件的高压、大电流参数同动态参数之间的最合理的折中，时使其谦有MOS器件和双极性器件的突出特点，从而产生初较为理想的高频、高压和大电流的器件，目前被认为最具有发展前途的符合器件是绝缘栅双极性晶体管IGBT和MOS栅控晶闸管MCT(MOS controlled thirstier)。

　　IGBT于1982年在美国率先研制出样品，1985年开始投产使用，目前最高电压已经达到4500V，最大电流可为1800V，MCT是80年代后期出现的另一种比较理想的器件，目前研制的水平为300A/2000V,1000A/1000V最高电压可达3000V。

　　80年代期间发展起来的静电感应器件SIT(static induction transistor)和静电感应晶闸管SITH( static induction thirstier )是利用门极电场改变空间电荷区宽度来开闭电流通道的原理研制成的器件。

　　2.2高频逆变电源的特点

　　和传统的电源相比不同，高频逆变电源在电网侧直接整流为直流，然后经逆变桥变换为高频输出。逆变电源具有优越的性能指标，主要优点包括：

　　一、重量轻、体积小、没有工频变压器，节约了铜铁等制造材料、提高了灵活机动性。

　　二、高效节能，具有较低的损耗和较高的功率因数。

　　三、性能优良，晌应周期为微妙级，可以实现对无名行为的控制，改善加热质量。

　　四、一机多用，可以再不改变主电路的条件下，采用电子控制电路，实现多功能化。

　　2.3 高频逆变电路的发展趋势

　　高频逆变电源的发展与电力电子技术和器件的发展密切相关，高频逆变式电源正是随着现代电力电子技术的发展而发展起来的。

　　感应加热技术的从诞生至今，经过近百年的发展，取得了令人瞩目大成果，尤其是六十年代以后，固态电力电子器件的出现与发展，使感应加热技术和现代化生产方面密切相关，发挥了很大的作用，因此世界各国都十分的关注感应加热电源技术的发展，并投入了相当的经济支持和技术力量。目前传统的感应加热电源与固态感应加热电源取长补短，互补共存。

　　目前逆变式电源鸡蛋户争朝以下方向发展:

　　一、沿20KHZ的技术路线开发研制50KHZ、100KHZ级的逆变式电源。

　　二、探索旨在降低电力电子器件开关功耗，提高开关频率的零电压，零电流开关(软开关)技术，其中包括电路拓扑结构和工程实现。高频(1~10MHZ，实验室已达数百瓦水平;在100KHZ级达几千瓦水平。高频谐振软开关技术只有在数百KHZ以上才能充分显示其巨大的优越型，由于器件、材料和技术上的原因，在今后较长德尔一段时间内，高频逆变式电源依然以硬开关技术为主，但软开关技术愈来愈多得到开发成果和样机【1】。

　　三、研制和生产大容量的逆变式电源。为适应市场生物需求，大功率、高频率逆变式电源已经引起越来越多人的关注，大量研发工作正在进行，而且容量还在不断的增加。

　　四、研制和生产大容量的逆变式电源。为适应高质量、高性能和加热工作的市场需要，愈来愈多的研究开发和生产智能控制的逆变式电源，其中包括了波形控制和模糊控制技术，人工神经网络技术、自动跟踪技术等等。采用波形控制和模糊控制技术的逆变式电源，在日本、美国、法国等国已有批量产品，我国已有研究开发成果和样机。

　　五、研究功率因数校正和减少电网谐振干扰。没有钱串联逆变式电源的输入整流滤波单元均采用不可控二极管整流和大容量滤波电容，他会产生交变的严重非正弦化和窄脉冲电流，导致有的逆变器功率因数很低。输入电流波形和提高功率因数已成为重要的课题，特别是对三项相和中大功率的逆变式电源需要进一步开展功率因数校正干扰和减少电玩那个谐振波的研究。

　　2.4我国逆变式电源发展所存在问题

　　在高频逆变式电源的发展过程中，国外是以企业为主体的商业化开发，因此产品导航市场而且技术报道少，在国内主要是高等院校等研究机构推动了逆变式电源的发展，如浙江大学等研究单位我做了很多的工作，已企业为主体的技术创新上有差距。

　　从长远看，高频逆变式电源是发展的放向，但是由于高频逆变式电源发展时间不长，所以技术还带与完善，由于逆变频率高，高频逆变式电源的调节范围大，工作在空载、负载和短路等不同状态下，环境条件恶劣;对设计提出来很高的要求，当前高频逆变式电源面临生物主要问题是提高向能和改善可靠性。事实证明，产品可靠性是占领市场的关键。可靠性问题是系统工程问题，涉及许多技术因素，特别瑟吉是在大功率高频逆变式电源中，开关器件承受的电流大，电压高，需要优良的开关器件及其相应的驱动保护电路和控制电路。

　　2.5 国外感应加热技术现状

　　低频感应加热的特点是透热深度深、工件景象温差小，因此热应力小，比较适合大型工件的整体透热、大容量炉的容来呢和保温。目前，在低频感应加热场合普遍使用创痛的工频感应加热炉。国外的工频感应加热装置可达数百兆瓦，用于数十吨生物大型工件的透热或百顿的刚睡保温，预计短期内，一股太器件构成的低频感应加热电源在功率容来那个、价格和可靠性方面海难以于简单的工频感应炉竞争，虽然其效率、体积和性能均优于工频炉。

　　在中频(150~10KHZ)范围内，晶闸管感应加热装置已完全取代了传统的中频发电机组和电磁倍频器，国外的装置容量已达数十兆瓦。

　　在超音频(10~100KHZ)范围内，早起基本是空白，晶闸管出现以后一度曾采用晶闸管已时间分割电路和倍频电路构成的超音频电源。八十年代开始，随着一系列新型功率器件的相继出现，已这些新型期间爱你(主要有GTO\GTR\MCT\IGBT\BSIT和SITH)构成的结构简单的全桥型超音频固态感应加热电源逐渐占据了主导地位，其中以IGBT应用最为普遍，爱河时因IGBT使用起来发行便可靠，很受电路设计者的欢迎。1994年日本采用IGBT研制出了1200KW/50KHZ的电流型感应加热电源，你逆变器工作于零电压开关状态，市现率微机控制。西班牙在1993年也已经报道了3—600KW/100KHZ的IGBT电流型感应加热电源，欧、美地区的其他一些国家，如英国、法国、瑞士等的系列化超音频感应加热电源也达数百千瓦。

　　在高频(100KHZ以上)领域，国外目前正处于向固态电源的过渡阶段【2】。以日本为例其系列的电子管振荡器高频感应加热电源的水平可达5-1200KW/100-500KHZ，而其采用SIT的固态高频感应加热电源的水平可达400KW/400KHZ，并且在1987年已经开始研制1200KW/200KHZ的SIT电源。欧美各国采用MOSFET的高频感应加热电源的容量正在突飞猛进，例如西班牙采用MOSFET的电流型感应加热电源的制造水平可达600KW /200KHZ，德国的电子管高频电源水平约为10KW，而其在1989年研制生物电流型MOSFET感应加热电源的容量已达480KW/50-200KHZ。

　　2.6 国内感应加热技术现状

　　我国感应加热技术从50年代开始被广泛的应用于生产当中。60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，并开拓了较为广泛的应用市场。

　　在中频领域中，晶闸管中频电源装置基本上取代了旋转发电机，以激昂形成了500~8000赫兹、100~3000KW的系列化产品。但国产中频电源大多采用并联谐振逆变器结构，因此在研发更加大容量生物并联逆变中频电源的同时，尽快研制出结构简单、易于频繁启动的串联谐振逆变中频电源，也是中频领域有待解决得问题。

　　在高频领域的研究工作八十年代已经开始。浙江大学采用晶闸管倍频50KW/50KHZ的高频电源，采用时间分割电路研制了30KHZ晶闸管高频电源。从九十年代开始，国内采用IGBT研制高频电源。浙江大学研制开发的50KW/50KHZ高频电源以及那个通过浙江省技术部的鉴定，总的来说，国内目前的高频电源研制水平大致在500KW/50KHZ，与国外饿水平相比还有很大的差距。

　　3、感应加热的原理

　　3.1感应加热的发展简史和用途

　　早在19世纪初人们就发现了电磁感应现象，知道处于交变磁场中的导体内会产生感应电流而引起导体发热，但是，长期以来人们视这种发热为损耗，并未保护电气设备和提高效率而千方百计的减少这种发热的现象，直到19世纪末才开始研发和利用这种热进行有目的的加热、熔炼、焊接、热处理等，随之出现了各种形式的感应加热设备。

表2.1：感应加热电源的应用领域

　　Tab 2.1: The used state of induction heating

　　1890年瑞典人发明的第一台感应熔炼炉——开槽式有芯炉，1916年美国热制造除闭槽式有芯炉，由于有色金属的冶炼，1921年无芯炉在美国出现，采用火花式中频电源，后来出现了中频机组带电源和现在的晶闸管变频电源。工频路产生于20世纪30年代。高频电源等也由于不同的工艺要求而相继出现。感应加热装置最早使用与表面热处理，以后普及焊接领域和各种透热。现在感应加热技术已广泛应用于国民经济的加热装置都有很大的发展，感应加热的应用领域已随之扩大，其应用范围越来越广。究其原因，主要是感应加热具有如下一些特点：

　　1、加热温度高，而且是非接触式加热;

　　2、加热效率高，可以节能;

　　3、加热速度快，倍加热的物体表面被氧化少;

　　4、温度容易控制，可以局部加热且加热均匀;

　　5、容易实现自动控制，实现方便;

　　6、作业环境好，几乎没有热、噪音和灰尘;

　　7、作业占地少，生产效率高;

　　在应用领域方面，感应加热已经广泛应用于金属熔炼、透热、热处理和焊接等过程，服务于冶金、国防、机械加工等部门及铸、段和船舶、飞机汽车等制造行业中。此外，感应加热也已经进入到人们的家庭生活中，例如微波炉、电磁炉、热水炉等。

　　3.2感应加热的原理

　　3.2.1 磁感应与感应加热

　　Mihel Farady 于1831建立的电磁感应定律说明，在一个电路围绕的区域内存在交变磁场时，电路两端就会产生感应电动势，当电路闭合时则产生电流。这个定律同时也就适合了今天的理论基础。

　　感应加热的原理图如图2—1所示：

　　当感应线圈上通上交变的电流i时，线圈内部会产生相同频率的交变磁通Φ，交变磁通Φ又回在金属工件中产生感应e。根据MAXWELL电磁方程式，感应电动势的大小为：

式中N是线圈匝数，加入磁通Φ 是按正弦规律变化的，则有：

　　图2-1 感应加热的原理

　　Fig 2-1 The diagram of induction heating

　　由此可见，感应加热是依靠感应线圈传递给加热的金属，然后电能在金属转变为热能，感应线圈预备加热金属之间并没有直接的接触，能量是通过电磁感应传递的。另外需要指出的是，感应加热的原理与一般电气设备中产生的涡流以及涡流引起发热的原理是相同的，不同的是在一般的设备涡流是有害的，而感应加热设备产生的涡流是用其进行加热的。

　　这样，感应电势在工件中产生感应电流(涡流)i，使工件加热，其焦耳热为：

　　Q=0.24I2Rt (2-5)

　　式中，Q：电流通电电阻产生的热量(J);

　　I：电流有效值(A);

　　R: 工件的等效电阻(Ω);

　　t: 工件供电的时间(S)。

　　有式(2-4)可以看出，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，其产生的磁通量也越大，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;同样提高工作的频率，也会使工件的感应电流增加发热效。使工件升温更快。另外，涡流的大小与金属的截面大小、截面形状、导电率、导磁率以及透入深度有关【6】。

　　因此，逆变高频感应加热电源的研制具有很大的实用价值。

　　3.2.2 电流透入深度与肌肤效应

　　透入深度的规定是由于电磁效应的肌肤效应而来的。电流密度在工件中的分布是从表面向里衰减的，其衰减大致成指数规律变化。工程上通常是这样规定的，当导体电流密度有表面向里面衰减到数值等于表面电流密度的0.368倍时，该处到表面的距离δ称为电流透入深度。因此可以认为交流电流在导体中产生的热量大部分集中在电流透入深度δ内。

　　透入深度δ可以用下式来表示：

　　式中，mr：导体材料的电阻率;

　　r：是导体材料的导磁率;

　　f：电流频率;

　　分析一下式(2-6)，当材料的电阻率ρ，相对磁导率确定以后，透入深度δ仅与频率的平方根成反比，因此他可以通过改变频率来控制，频率越高，工作的透热厚度就越深，这种特性在金属处理中得到了广泛的应用，例如淬火、热处理等。

　　4、高频感应加热电源的分类与分析

　　4.1串联型逆变器与并联型逆变器的比较分析

　　4.1.1 两种逆变器的对偶性

　　由自关断器件构成的电压型串联谐振逆变器和电流型并联谐振逆变器的电路拓扑分别如图3-1所示。

　　图 3-1 电路拓扑结构

　　Fig 3-1The diagram of circuit

　　从电路原理的角度来看，两种电路时完全对偶的，这种对偶性的主要表现在一下几方面：

　　A. 电压、电流波形的对偶：

　　电压型串联你逆变器：入端电压为直流;当工作在负载谐振频率时，入端电流为全波整流波形;输出电压为方波，输出的电流为正弦波;

　　电流型并联逆变器：入端电流为直流;当工作在负载谐振频率时，入端电压为全波整流波形;输出电流为方波，输出的电压为正弦波;

　　B 、电路特性的对偶：

　　电压型串联逆变器：负载阻抗频率特性为串联特性，因此不易空载;短路及直通保护困难，逆变器及负载开路保护容易;

　　电流型并联逆变器：负载阻抗频率特性为并联特性，因此可以空载;短路及直通保护容易，逆变器及负载开路保护困难;

　　C、电路拓扑的对偶：

　　电压型串联逆变器：入端并联电容Cd(等效电压源);负载为R、L、C串联谐振电路;逆变开关为单向耐压、双向载流;

　　电流型并联逆变器：入端串联电容Ld(等效电压源);负载为R、L、C并联谐振电路;逆变开关为双向耐压、单向载流;

　　从上面比较可以看出，理解和掌握(A)、(C)中的对偶关系有助于分析和比较两种逆变电路的工作原理，而了解(B)中的对偶关系则有助于正确可靠地设计保护电路。

　　4.1.2 两种逆变器高频化的难点

　　各种电路结构，都有其个性特征，都具有较其它电路明显的优点，与其它电路相比，也必然有其缺点。否则，要么它本身就不具备存在的必要性，要么其它电路就被取代。对感应加热电源而言，应为并联对逆变器和串联逆变器的对偶型，所以各自都有一定的局限性，或者说是实现起来的难点。在高频逆变气的选择中，我们尽量避免一种电路实现的难点，充分利用他们的优点。在高频应用中，还要充分了解高频开关器件的特性。对于MOSFET而言，反向呈二极管特性;对于反向耐压较低的IGBT，其模块内部通常反并联相应的二极管，所以不具有承受反压的能力。

　　高频感应加热的设计有三个要点：器件是前提，工艺上的可实现性是关键，满足工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。我们知道大容量的快速二极管生物反向恢复问题，但二极管的开通也有延时，这是因为载流子的注入需要一定的时间。感应工作状态避免了二极管的反向恢复电流。但开通延时却会导致导致电压过冲和振荡。在电流型逆变器中，由于二极管和关断器件是相串联的，因此在任何状态下，其电流容量必须与自关断器件相当，而在电压型逆变器中，二极管只在输出功率因数对应开通电流。从理论上讲，当逆变器工作在负载谐振时，通过二极管的电流为零。因此在同等容量的电源中，逆变器对二极管的容量要求较大。而容量越大的器件，其开关特性往往越差，从这一点来说，将电压型逆变器高频化有利于选择高频二极管。

　　从结构工艺来看，高频电源对分布参数较为敏感，杂散电感和分布电容容易引起电压的过冲和开关过程的高频振荡，电流型逆变器件的要求具有双向耐压的能力，因此增加了结构设计和安装过程的工作量以及分布参数。另外由于电压型逆变器可以利用逆变调功，不必想电流型逆变器那样采用可控整流或直流斩波，可见采用电压型逆变器的感应加热电源在整体结构上更加简洁，有利于高频结构的设计。

　　高频化的主要目的是满足生产工艺的需要，例如工件的表面淬火。将电压逆变器高频化，不仅满足生产应用的需要，同时提高输出调节速度，减少直流滤波环节的无功元件(滤波电感和储能电容)的容量，相应减少元件的体积和重量。但在电流型逆变器中，由于需要借助与直流调功，因此调功的速度受到了直流调功的限制，当采用相控整流桥调节功率时，直流滤波电感必须按照逆变直通时的逆变保护过程来设计，不受你边工作频率的影响，因此滤波电感必须足够大。

　　高频化相应的带来一些问题，主要有两点：一是频率的提高导致开关损耗的大大的增加;二是高频开关过程的开关应力大，di/dt 和 dv/dt高，对于器件不利;同时高的 di/dt和 dv/dt 将引起器件周围寄生电感和电容之间的高频振荡，导致了较大的电磁噪音。

　　基于以上原因，我们采用了串联逆变其来制作高频感应加热电源。

　　4.2 串联逆变器常用的调功方法

　　串联逆变器常用的调功方法可分为两类：逆变调功和直流调功。

　　4.2.1逆变调功的方法

　　逆变调功的方法目前主要有：

　　1)脉冲频率调制法(PFM);

　　2)脉冲密度调制法(PDM);

　　3)脉冲宽度调制法(PWM);

　　逆变调功的方法与直流调功的方法相比优点是：

　　1)可以不用可控整流，使控制电路大大简化;

　　2)调节输出功率的速度比用可控硅要快。

　　一、脉冲频率调制法(PFM)

　　脉冲频率调制法(PFM)的原理十分简单;它通过改变逆变器的开关频率来改变输出阻抗来达到调节输出功率的目的。

　　串联谐振的负载等效电路如图3-2。

　　图3-2 串联谐振的父子等效电路

　　Fig.3-2 Equivalent circuit of series connection

　　二、脉冲密度调制法(PDM);

　　PDM方法通常通过控制脉冲宽度，向负载馈送能量的时间来控制输出功率。

　　简单的说就是以负载的谐振周期作为一个调功单位，总共100个调功单位，在N个单位逆变器向负载输出功率;剩下生物100-N个单位内逆变器不发生变化及不工作，负载以自然频率逐渐的衰减。这样的话输出的脉冲密度为N%,输出功率与脉冲密度有一定的关系，因而调节脉冲密度就可以改变输出的功率。

　　PDM方法的缺点是：

　　1)逆变器输出功率的频率不完全等于负载的自然频率，在功率闭环的场合中工作稳定性差。N个周期系统是以一定的开关频率输出功率，另外100-N个周期负载以自然频率衰减振荡的。每次在自然衰成输出功率减振荡恢复状态时要重新锁定频率，这时系统极可能会失控。因此在功率闭环和温度闭环的时候，工作的稳定性不好。

　　2)功率调节特性不理想，呈有级调功特性。

　　三、脉冲宽度调制法(PWM)

　　一般不采用逆向调功的逆变器，同一桥臂之间的两个开关是互补的，斜对角之间的两个开关是同时开通与关断的;这类逆变器输出的电压为±Ud 的方波，如果在控制电路中设法是原来同向的两个桥臂开关的驱动信号错开一个相位角，是的输出的电压交替的正负电压交替过程中插入一段电压区，这样就改变了输出电压的有效值，最终调节了输出功率。

　　目前，其生物逆变器的移相PWM方法的工作频率是固定的，不需要考虑负载在不同工作频率下的特性。而在感应加热电源中的移相PWM要求工作频率必须能跟跟踪负载的谐振频率。这种控制方法通常要求使一桥臂的驱动脉冲与输出电流的相位保持一致。而另外一个桥臂的驱动脉冲与的输出电流的相位可以调节。

　　根据β超前还是之滞后分为两种PWM方式:

　　1)在图3-3中，β滞后00~1800可调。在00~1800调节过程中，输出脉宽减少是同时，将引起输出电压相对于输出电流的相位由于超前变成滞后，也就是频率不断地就降低，因此这种方式成为降频式PWM控制。

　　2) 在图3-4中，β滞后00~1800可调。在00~1800调节过程中，输出脉宽减少是同时，将引起输出电压相对于输出电流的相位更加超前，也就是频率不断地就提高，因此这种方式成为升频式PWM控制。

　　升频式PWM和降频式PWM有共同的特点，在调节输出电压的脉冲的同时也改变了负载的工作频率。因此也隐含了部分PFM调功的因素。

　　4.2.2 直流调功的方法

　　直流调功通常采用直流斩波或相控整流来改变逆变器的输入直流电压的大小。

　　一、直流斩波调功：

　　感应加热电源中的直流斩波调功方式【9】的调功原理如图3-5所示：

　　前端是有六只二极组成的三相不可控整流器，输出的直流电压Ud，经过电容C1的滤波后送入有T1、L1、D1、C2组成的斩波器，调节T1的占空比，逆变器得到的电压自爱0~Ud之间任意的电压值。而逆变器始终工作在一个固定的引前角，从而能够完成对逆变器的调功。

　　二、相控整流调功：

　　有六只晶闸管组成的三相全桥可控整流电路。

　　由以上的分析可知，串联逆变的调功方式多种多样，但所有的调功都有其自身的优缺点，比如逆变调功由于不可控整流，控制电路大大简化，但此时逆变的角度随功率的改变而改变(PDM方式除外)，在大角换流时，逆变管的损耗是很大的。这使得在进一步提供功率和工作频率是很不利的。在PWM方式调功时，功率是有级的调节。所以在进一步的提高功率和逆变器的工作频率时，一般选择在整流侧调功，而在斩波调功方式中，调功管工作在硬开关状态，开关损耗相当的大。同样也成为进一步提高整机容量的瓶颈。

　　4.3常用的软开关技术

　　电力电子开关器件都不是理想的开关器件，存在各种的寄生参数，其等效的结构如图3-6所示。其中虚线框内是器件及其自身寄生参数的等效结构【10】。

　　Cout 器件的输出结电容;

　　Lea器件引脚电感;

　　Cst安装结构引脚的分布电容;

　　Lst安装结构引起的布线电感;

　　Cst、Rsn、Lsn外加的缓冲元件;

　　当图3-6中的开关以频率为f工作的于开关状态，就会产生开关损耗。包含以下几部分：

　　Psw =(Pon)+(Poff)=

　　fsw(Cea+Cst)Usw2 +fsw(Lea+Lst)Lsw (3-1)其中，Usw 开通时刻器件的端电压;

　　Lsw 关断时刻器件生物电流;

　　Pon 开通过程中器件电流和器件端电压因开关转换的损耗;

　　Poff关断过程中器件电流和端电压因开关转换引起的损耗;

　　Poff和 Pon不仅与开关过程中器件的电流和电压有关，而且与开关频率成正比。因此整个开关的过程损耗 Psw与开关频率成正比。增加缓冲元件后，可以适当减少开关过程的U和I的叠加，从而实现Poff和 Pon 有所的减少。

　　除以上损耗问题外，告诉开关过程也会产生了很大的开关应力和开关噪音，当开通时刻Usw 不为零时，则Cout和Cst通过Lea 和 sw 放电，引起大的 di/dt 和器件电源的高频振荡;当关断时Lsw 不为零时，则Lea 和Lst的电流被迫转到Cout 和Cst 中，引起寄生电感和寄生电容的高频振荡和高的 dv/dt。这些振荡产生的电磁噪音不仅影响装置自身的控制系统，还会辐射到周围的环境，干扰其他设备的正常工作。图3-6的缓冲元件正是为了抑制高频振荡而增加的。

　　要消除器件的寄生参数是十分的困难的，但如果能够实现开关电流和电压为零，上述问题就可以消除，因此有两种方式：

　　使开关电流为零的电流开关模式(ZCS)，此时：

　　根据ZCS和ZCV思想模式产生的技术主要有两大类：一是谐振开关技术;二是软开关技术。

　　谐振开关技术主要有：谐振变换器;谐振型开关和谐振直流链。

　　谐振变换器结构有两种就是串联谐振变换器和并联谐振变2。在工作时使负载处于谐振状态，在实现无功补偿的同时创造了零电压或零电开关的条件，即在电压或电流为零实现开关的转换。

　　谐振开关典型结构有两种：一种是采用图3-7()型开关的叫变换器零电压准谐振开关变换器ZVS-QRC，另一种是采用图3-7()型开关的变换器叫零电流准谐振开关变换器ZCS-QRC。图中的Lr和Cr是谐振开关元件，在开关开通关断时谐振造成零电流零电压条件。

　　谐振直流链技术的两种实例如图3-8所示。图中生物负载通常是桥式变换器。在图3-8()中，Lr和Cr振荡至 锻压为零时，使辅助开关S1开通，在此时完成变换器的换流过程，则实现主控开关的零电压开关状态。但主控开关的工作周期必须是Lr和Cr振荡周期的倍数，因此输出电压的可调性很差，且主控开关的电压很高会达到直流电压的2~2.5倍。为了提高输出电压的可调性，通常使主控开关的工作周期比Lr和C r振荡周期大的多，同时对直流谐振波形进行调制输出，可以适当降低输出电压或电流的谐振波含量因此谐振直流链通常用在UPS和电机驱动等输出频率不高的场合。

与常规的PWM方式相比谐振开关技术的缺点是：工作于ZCS方式的器件通态电流峰值很大，而工作于ZVC方式的器件断态电压峰值很高。

　　软开关技术克服了谐振开关技术的缺点。软开关全桥逆变器如图3-9，是结构最为简单的一种。但是图3-9中S1\S2关断后，S3S4必须在C3C4的电压下降为零后开通，为了确保完成这样的电压换相过程，换相时的负载电流不能太小，否则会恶化管子的开通。

　　5、高频逆变电源的技术研究状况研究方法

　　5.1高频逆变电源技术研究状况

　　高频逆变电源主要包括功率器件、驱动器件、PWM控制电路、主电路等主要部分，随着高频逆变电源的发展，这些组成部分也不断发展：

　　一、 主要功率器件

　　高频逆变电源的产生和发展与功率开关器件有着密切的关系，晶闸管逆变电源开关频率低，而且是半导控制器件，所以性能受到限制。采用晶闸管、场效应管、IGBT等全控型自关断器件，是高频逆变电源大发展方向。其中晶体管需要交大的驱动电流，并且存在二次击穿，安全工作区窄。场效应管是电压型控制器件且开关速度快、安全工作区宽，但器件载流容量小，适合于高频小功率场合。IGBT器件则具有两者的优点，成为目前最合适的高频逆变电源的应用器件。

　　二、功率变换电路

　　高频逆变电源主电路的主要电路形式有单端、全桥、半桥三种情况。主电路设计的合理性是高频逆变电源设计的先决条件。一般认为单端，半桥，全桥三种电路形式分别适合于小、中、大功率输出。对于桥式电路，总存在上下桥臂直通的现象和变压器动态偏磁的问题，通过控制电路设置死去可以有效的防止直通现象的发生，板桥市电路本大亨结构具有抗偏磁的能力，全桥结构则要通过其他手段来克服本身易于发生偏磁缺点。

　　二、 控制方式和控制电路

　　本世纪50 年代，脉宽调制硬开关的出现，解开了逆变技术的发展序幕。由于逆变技术具有以上所说的突出优点，使得这种技术一问世，许多国家就争先致力于功率电子器件、磁性材料、控制集成芯片和电路拓扑等方面的研究。脉宽调制硬开关技术经过60年代的长期发展、70年代的发展期和80年代的成熟期，迄今为止，已经获得了最为广泛的应用。但是，它的开关频率不能太高，存在者换流慢、开关损耗相对较大、承受较高的du/dt和di/dt等问题。

　　70 年代中期，针对硬开关换流过程中存在的问题，频率调制谐振技术应运而生。它从根本上克服了传统脉宽调制硬开关变换器的缺点，因而迅速成为功率电子学新的发展方向和研究热点。频率调制谐振技术的核心内容，是抛弃将功率电源各元器件简单理想化的观念，在充分研究功率开关变换电路的分布参数和寄生元件作用机理的基础上，应用电感电容网络的谐振原理，迫使功率开关器件的电流或电压成正弦规律变化，当电流或电压过零时，使器件开通和关断，因而解决了开关动态损耗、电流冲击、电压应力和电磁干扰等方面的问题。但是，频率调制谐振变换技术也带来以下的新问题：①输出电压晕频率有关，为保持输出电压在各种运行条件下基本不变，必须采用变频控制，对负载变化的适应性差，所以常用于负载基本不变或变化不大的场合;② 功率器件的容量需要更大;③开关频率大范围变化导致滤波器、变压器等磁性器件的设计难以优化【5】。

　　5.2 高频逆变电源的研制方法

　　目前，对高频逆变电源的研制方法主要采用实验手段。通过首先初步确定功率器件、电路和控制系统，然后制成样机反复的调试、实验耗费很大的人力物力。同时在设计参数时，往往囊过于以来设计这的经验，不可避免带来片面性，很难保证产品的性能。

　　计算机仿真技术的发展，为高频逆变电源的研究提供了支持手段。在电路和系统层次上建立器件、电路和系统的模型，借于计算机仿真技术手段进行辅助分析和优化设计，进行全面定量的深入研究。这样可以节约大量的实验损耗，对实际研究起到知道作用。

　　6、参考文献

　　1、王延才主编. 电力电子技术 . 北京：机械工业出版社，2000年

　　2、愈大光主编. 电路及磁路 . 北京：高等教育出版社， 1996年

　　3、丁明道主编. 高低压电器及元器件选用与维护. 北京：兵器工业出版社，1990年

　　4、周长源主编. 电工电路理论基础. 北京：高等教育出版社，1996年

　　5、沈任远等主编. 常用电子元器件简明手册 北京：清华大学出版社，2000年

　　6、刘继平主编. 工业电子学. 北京：机械工业出版社，1993年

　　7、沈任远主编. 数模电子学. 北京：机械工业出版社，2000年

　　8、黄念慈主编. IGBT模块在逆变焊接机中的应用. 上海：三菱电机机电有限公司出版，2006年

　　9、王延才、王伟主编. 电力电子器件原理与应用. 北京：机械工业出版社，2005年

　　10、张燕宾主编. PWM控制原理. 北京：机械工业出版社，2002年

　　11、吕志才主编. 电磁感应加热原理与应用. 北京：机械工业出版社，2001年