具有并聯(lián)諧振的逆變電源電路設計原理與方案

在現(xiàn)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，利用工件中渦流產生的熱量對工件進行加熱的，具有加熱效率高，速度快，可控性好，易于實現(xiàn)高溫和局部加熱，易于實現(xiàn)機械化和自動化等優(yōu)點。隨著電力電子學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過不斷的完善，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十分重要的作用，根據逆變器的特點，逆變電源又分為串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振兩種。

      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行了分析和設計。

電路構成及設計

       電源的系統(tǒng)框主電路 1、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（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的濾波器尺寸小等優(yōu)點。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IGBT 上均串聯(lián)一個二極管，通過 IGBT 的正向電流也將全部通過串聯(lián)二極管，這就要求串聯(lián)二極管能夠通過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。逆變器通過半導體開關有規(guī)律地切換，在負載側得到一定頻率的交流電流，其頻率由開關的動作頻率決定，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。

PWM 斬波控制

       斬波的實現(xiàn)是通過控制 IGBT（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 上產生大的感應電勢，電流必須是連續(xù)的，因此要保證逆變器在換流時，VT1、VT3 和 VT2、VT4 兩組橋臂應遵循先開通后關斷的原則，即要求兩組橋臂的觸發(fā)脈沖有重疊區(qū)，這點與串聯(lián)諧振逆變器有較大不同。加熱工件在加熱過程中會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)，以實現(xiàn)逆變器件的零電壓換流。

IGBT 驅動與保護電路

本電源采用 IGBT 作為逆變開關和直流斬波器件，雖然具有電流容量大、驅動功率小、開關頻率高等優(yōu)點，但 IGBT 過流過壓能力相對晶閘管較弱，尤其是其承受反壓能力更加脆弱。因此 IGBT 驅動及保護電路性能的好壞直接影響到電源運行的可靠性和高效性。本設計中 IGBT 的驅動采用日本富士公司EXB 系列的 EXB841 集成化驅動電路，它適合驅動 300A/1200V 以下的IGBT，其最高工作頻率為 40kHz.

       在設計中同時還加入了 RS 觸發(fā)器：當 IGBT 發(fā)生過流時，EXB841 的 5腳電平為低，RS 觸發(fā)器的 S 端變?yōu)楦唠娖?，輸出?Q 輸出高電平，經過三極管輸出的本地過流信號為低，此電平加到與門上可封鎖 EXB841 的輸入信號，達到及時撤出柵極信號、保護 IGBT 的目的。

       另外一個可封鎖 EXB841 的輸入的信號為母線過流信號，如結束語的工作穩(wěn)定性。鎖相環(huán)逆變器頻率跟蹤電路的設計，可實現(xiàn)在加熱過程中負載參數變化時對諧振工作頻率的自動跟蹤，使逆變器工作在容性近諧振狀態(tài)，保證逆變器的運行安全。

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