小功率感应电源的设计文献

小功率高频感应加热器的设计与制作时间：2010-12-16 20:41:49 来源： 作者：小功率高频感应加热器的设计与制作家用感应加热装置的典型应用是电磁灶,其功率一般在 lkW 左右,要求被加热容器的底部直径不小于 120mm.本设计的感虚加热器输出功率定在 200W300W,感应器有效直径 lOOmm 左右, 主要用于小容量的液体、食品、易拉罐饮品的加热,在家庭、医院、宾馆房间、零售商店中有广泛应用.感应加热要求感应线圈的品质因数(Q 值)高,Q 可由下式计算: Q=X/R=L/R 其中 ,L 是感应线圈的电感( 单位 H), 是驱动源的开关频率,R 是感应线圈的等效串联电阻().通过以不同的驱动频率驱动加热线圈,可以得到线圈参数与频率的关系.当感应线圈靠近铁制品时其等效电阻将大幅度增加,Q 值下降;而当其靠近非铁磁性金属时, 其等效电阻增加很少, 其 Q 值下降不大这种特性使铁金属更易被感应加热. 例如, 在驱动频率为 100kHz 时, 靠近铁制品的线圈, 其 R 值为 2,而靠近铝制品时,R 值仪0.238;当驱动频率为 400kHz 时,空载线圈的 Q 值达到 318,在靠近铝制品时下降为 124,而在靠近铁制品时下降至 13.因此, 在选择驱动源频率时,要选择空载线圈的 R 值和有铁金属时的 R 值相差大的频率,这个频率范围一般在 lOOkHz 至 400kHz.为了减小加热线圈自身的损耗,线圈需用很多股细铜线组成的绞合线来绕制,这样容易制战高频损失小、Q 值高的线圈.感应线圈有两种形状,一种是加热普通平底铁金属容器的平板线圈另一种是加热易拉罐的筒形线圈.在实际的感应加热电路中,感应线圈与其等效串联阻抗 R,以及外加电容器 C 等共同构成 LCR 串联谐振电路.图 1 是本高频感应加热器的方框图采用绝缘栅场效应管的半桥驱动、LC 串联谐振电路,用锁相环(PLL)和脉宽调制(PWM)电路作闭环控制 ,以保证串联谐振频率的稳定:用半桥功率电路驱动加热线圈 .半桥输出电路输出阻抗低,即使用方波信号作电压驱动,输出电流波形也是正弦波,因而电压相电流的相位差小 ,功率传输效率高.整机电路见图 2.PLL 及 PWM 恒流控制电路:采用开关稳压集成电路 UC3825,实际开关频率可达 lMHz,具有两路大电流推挽式输出电路. 利用 UC3825 内的振荡电路构成压控振荡器 VCO,其频率范围可取为 200kHz300kHz,由定时阻容元件 R10+R9/Rt 和 C5 的值决定.动态电阻 Rt 由小信号 MOSFET 管构成,其阻值受 MCl4060B 的输出控制.考虑到加热线圈 L 的电感量及串联谐振电容量的自由度,这个频率的可变化范围应有两倍左右 .当取图 2 中的数值时, 振荡频率约 160kHz380kHz.为了保证振荡频率的稳定,采用 PLL 电路 MCl4046B 作相位检测器.由电流互感器 CT 检测出通过加热线圈 L 的电流,CT 次级的负载 Rl 取 200,转换,比为 1V/1A,经 D1、D2 双向限幅Cl 耦合至 ICl 的 PCa 端;ICl 的 PCb 端输入电压由 IC2 的 PWM 输出电压分压.得到,其值约 5Vpeak,以满足CMOS 电平的需要 .由于流过加热线圈的电流有少许滞后,故在 PCb 端加入容量约 1000pF 的相位补偿电容器 C2.如果工作频率和 LC 参数有变化, 该电容量也应梢应变化. 如 f=300kHz 、电流相位滞后 45. 时 相位补偿电容:Ccomp=1/2Rf=l/6.28x500x300xl03=1061pF 如果以某一频率驱动加热线圈,当接近铝制时,由于 LCR 串联谐振电路的阻抗很低, 通过的大电流可能会损坏 MOSFET;如果空载, 也可能造成桐同后果. 因此必须采用恒流控制.这里,利用电流互感器 CT 的输出经 D3、D4 倍压整流届作为反馈信号 ,输出电流的调节用脉宽调制方式控制平均电流,由IC2 内部的误差放大器来实现.由 IC2 内部的基准电压源经电阻分压后取得+2.5V 的电压, 作为比较器的基准电压.调节 W1 可改变输出电流, 也可调节输出功率 .MOSFET 驱动电路、半桥输出电路及 LC 串联谐振电路: 在负荷为铁制品时, 由于串联谐振电路的 R 将增大,故应设置较高的电源电腥(选定为 300V).又由于在空载时,R 很小而 Q 值高将有很大的电流流过功率输出管 ,故应选用漏极电流大的 MOSFET 管. 这里选用电流达 12A 的 2SKl489 两强构成半桥输出驱动信号由 UC3825 输出、经 C13CJ6 和脉冲变压器 Tl、 T2 耦合至推动级.D7D10 用于保护大功率 MOSFET.在半桥输出电路中插入了电流互感器 CT,用以检出流过加热线圈的电流.加热线圈 L 和电容 C19、C20 构成 LC 谐振电路作为半桥输出的负载. 当 LC 串联电路谐振时,即使用方波驱动 ,流过线圈的电流波形也是正弦波. 加热线圈可作为平板形( 加热甲底容器)或筒形 (加热易拉 .罐).为减少由于集肤效应产生高频损失 ,加热线圈的材料用 120 根 0.08mm 的细铜线绞合而成.线圈的尺寸见图 3.整机供电电路 :功率输出电路由交流市电经桥式整流提供+300V 电源,用 7812 和 78L05 提供+12V 及+5V 给其余电路供电.+300V 电源在开机时会有大的冲击电流 ,因而滤波电容不能用电解电容,而要选薄膜电容器;C24 为 4.71F,另在半桥输出的电源端子加 4.7F(C21),使滤波电容的总容最为 9.4F.为避免半桥输出电路产生的噪声串人交流供电线路,加入了电感 L2 作滤波器.元件选用:D1l、D13、D7、D9 采用肖特基二级管,D8、D10 采用超高速二极管;电感 Ll、L2 及电流互感器 CT 均采用磁环绕制. 试用效果: 由 WI 设定功率为250W,此时交流电流约 1.2A.对盛水的平底铁制容器,用平板线圈加热到水温 80耗时 200 秒; 当不盛水时, 加热至 100仅用加 40 秒;当用筒形线圈加热盛满水的铁罐头盒时, 加热至 80耗时 180 秒.感应加热电源的发展 作者：三伊天星 彭咏龙 1 引言由于电磁感应加热具有加热效率高、速度快、可控性好及易于实现机械化、自动化等优点，已在熔炼、铸造、弯管、热锻、焊接和表面热处理等行业得到广泛的应用。在国外，感应加热技术已日趋成熟。在铸造方面，正在迅速发展双联熔炼工艺，即利用中频炉保温改性，进行球墨铸铁或合金钢的精密浇铸；在锻造方面，利用感应加热实现快速透热热锻，其材料利用率可达85%，铸件表面光洁度可50m；在焊接、淬火方面，一方面致力于开发大功率全固态高频电源，另一方面致力于开发高度自动化的热处理成套处理系统。随着我国电力供应的改善、环保要求的提高，发展和扩大感应熔炉的规模，在大型企业推广双联熔炼工艺 ，改造我国铸造行业已成为可能。这一改造工程不但涉及到大功率中频感应加热电源、保温炉的设计制造，还涉及到双联熔炼工艺的最佳化控制系统设计等。2 感应加热电源的发展动态感应加热电源是感应加热的关键设备之一，感应加热电源的发展与电力电子学及电力半导体器件的发展密切相关。本世纪初玻璃管汞弧整流器的发明标志着电力电子学的起源，而 50 年代末半导体硅晶闸管的出现则标志着以固态半导体器件为核心的现代电力电子学的开始。在 50 年代前，感应加热电源主要有：工频感应熔炼炉、电磁倍频器、中频发电机组和电子管振荡器式高频电源。50 年代末硅晶闸管的出现引起了感应加热电源技术以致整个电力电子学的一场革命，感应加热电源及应用得到了飞速发展。至今，在中频（150Hz10kHz）范围内，晶闸管中频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。国外装置的最大容量已达数十兆瓦，国内也已形成200Hz8000Hz、功率为 100kW3000kW 系列的产品，可以配备 5t 以下的熔炼炉及更大容量的保温炉，也适用于各种金属透热、表面淬火等热处理工艺，但国产中频电源目前都采用并联谐振型逆变器结构。因此，在研究和开发更大容量的并联逆变中频电源的同时，研制结构简单，易于频繁起动的串联逆变中频电源是国内中频感应加热装置领域有待解决的问题，尤其是在熔炼、铸造应用中，串联逆变电源易实现全工况下恒功率输出（有利于降低电能吨耗）及一机多负载功率分配控制，更值得推广应用。在超音频（10kHz100kHz）频段内，由于晶闸管本身开关特性等参数的限制，给研制该频段的电源带来了很大的技术难度，它必须通过改变电路拓扑结构才有可能实现，国内在 70 年代开始研制晶闸管倍频逆变电源，目前产品水平为 250320kW/1015kHz，后于 80 年代末又采用改进型倍频逆变电路研制了 50kW/50kHz 晶闸管超音频电源，但由于倍频电路的双谐振回路耦合使负载呈非线性，时变加热负载参数与谐振回路参数匹配调试较复杂及后出现的晶体管固态加热电源的频率及功率可完全覆盖而没有得到很好的推广应用。70 年代末和 80 年代初，现代半导体微集成加工技术与功率半导体技术的结合，为开发新型功率半导体器件提供了条件，相继出现了一大批全控型电力电子半导体器件，极大地推动了电力电子学发展，为固态超音频、高频电源的研制提供了坚实的基础。第一台晶体管超音频感应加热电源在 1985 年面世，其容量为 25kW/50kHz，由于单管容量小而采用了多管并联技术，功率晶体管开关速度受到存储时间限制（S 级）及它存在致命的二次击穿问题，限制了它的推广使用，随后出现的达林顿晶体管功率模块大多为电机调速应用设计，其开关速度更低，一般无法适用于感应加热电源。功率 MOS 晶体管与功率双极管相比存在许多优点，由于它为多子工作器件，不存在存储时间，因此它的开关时间远远小于双极晶体管。另外，MOS 晶体管不存在二次击穿问题，具有矩形安全区、驱动功率小、易并联等优点，非常适合 于高频大功率感应加热电源应用。采用 MOS 管可能引起的问题是由于高速开关要求电源工艺布置严格，另外，高压 MOS 晶体管通态损耗较大。1983 年美国 GE 公司发明了新的很有前途的功率器件IGBT，它综合了 MOS 管与双极晶体管的优点，IGBT 结构除增加一个 n 层外，非常象 MOS 管结构，因此在其通态压降低的同时开关速度加快。自 1988 年解决了挚住问题后（由寄生 NPN 晶体管引起），大功率高速 IGBT 已成为众多加热电源的首选器件，频率高达 100kHz，功率高达 MW 级电源也可实现。如 1994 年，日本采用IGBT 研制出了 1200kW、50kHz 电流型并联逆变感应加热电源，逆变器工作于零电压 开关状态，并实现了微机控制；西班牙在 1993 年也已报道了 30kW600kW，50100kHz 电流型并联逆变感应加热电源，欧、美地区的其他一些国家如英国、法国、瑞士等国的系列化超音频感应加热电源目前最大容量也达数百千瓦。国内在 90 年代初开始对 IGBT 超音频电源的研制，目前制造水平为1000kW、50kHz，与国外的水平仍有相当大的距离。在高频（100kHz 以上）频段，目前国外正处在从传统的电子管电源向晶体管化全固态电源的过渡阶段，以模块化、大容量化 MOSFET 功率器件为主，西班牙采用 MOSFET 的电流型感应加热电源制造水平达到 600kW/400kHz，德国在 1989 年研制的电流型 MOSFET 感应加热电源水平达480kW/50200kHz，比利时 Inducto Elphiac 公司生产的电流型 MOSFET 感应加热电源水平可达1000kW/15600kHz。应用于高频电源的另一功率器件为静电感应晶体管（SIT），主要以日本为主，电源水平在 80 年代末达到了 1000kW/200kHz，100kW/400kHz，SIT 开关速度比 MOSFET 慢，同时它存在很大的通态损耗，随着 MOSFET、IGBT 性能不断改进，SIT 将失去它存在的价值。国内目前 MOSFET 固态高频电源制造水平为 400kW、500kHz。但总的来说，与国外的水平有一定的差距。3 感应加热电源技术的发展趋势感应加热电源技术的发展与功率半导体的发展密切相关，随着功率器件的大容量化、高频化带动感应加热电源的大容量化和高频化。3.1 高频化目前，感应加热电源在中频频段主要采用晶闸管，超音频频段主要采用 IGBT，而高频频段，由于 SIT 存在高导通损耗等缺陷，主要发展 MOSFET 电源。感应加热电源谐振逆变器中采用的功率器件利于实现软开关，但是，感应加热电源通常功率较大，对功率器件、无源器件、电缆、布线、接地、屏蔽等均有许多特殊要求，尤其是高频电源。因此，实现感应加热电源高频化仍有许多应用基础技术需进一步探讨，特别是新型高频大功率器件（如 MCT、IGCT 及 SIC 功率器件等）的问世将进一步促进高频感应加热电源的发展。3.2 大容量化从电路的角度来考虑感应加热电源的大容量化，可将大容量化技术分为二大类：一类是器件的串、并联，另一类是多台电源的串、并联。在器件的串、并联方式中，必须认真处理串联器件的均压问题和并联器件的均流问题，由于器件制造工艺和参数的离散性，限制了器件的串、并联数目，且串、并联数越多，装置的可靠性越差。多台电源的串、并联技术是在器件串、并联技术基础上进一步大容量化的有效手段，借助于可靠的电源串、并联技术，在单机容量适当的情况下，可简单地通过串、并联运行方式得到大容量装置，每台单机只是装置的一个单元或一个模块。感应加热电源逆变器主要有并联逆变器和串联逆变器，串联逆变器输出可等效为一低阻抗的电压源，当二电压源并联时，相互间的幅值、相位和频率不同或波动时将导致很大的环流，以致辞逆变器件的电流产生严重不均，因此串联逆变器存在并机扩容困难；而对并联逆变器，逆变器输入端的直流大电抗器可充当各并联器之间的电流缓冲环节，使得输入端的 AC/DC 或 DC/DC 环节有足够的时间来纠正直流电流的偏差，达到多机并联扩容。晶体管化超音频、高频电源多采用并联逆变器结构，并联逆变器易于模块化、大容量化是其中的一个主要原因。3.3 负载匹配感应加热电源多应用于工业现场，其运行工况比较复杂，它与钢铁、冶金和金属热处理行业具有十分密切的联系，它的负载对象各式各样，而电源逆变器与负载是一有机的整体，负载直接影响到电源的运行效率和可靠性。对焊接、表面热处理等负载，一般采用匹配变压器连接电源和负载感应器，对高频、超音频电源用的匹配变压器要求漏抗很小，如何实现匹配变压器的高能输入效率，从磁性材料选择到绕组结构的设计已成为重要课题。另外，从电路拓扑上负载结构以三个无源元件代替原来的二个无源元件以取消匹配变压器，实现高效、低成本隔离匹配。3.4 智能化控制随着感应热处理生产线自动化控制程度及电源可靠性要求的提高，感应加热电源正向智能化控制方向发展。具有计算机智能接口、远程控制、故障自动诊断等控制性能的感应加热电源正成为下一代发展目标。3.5 高功率因数、低谐波电源由于感应加热电源用电源一般功率都很大，目前对它的功率因数、谐波污染指标还没有严格要求，但随着对整个电网无功及谐波污染要求的提高，具有高功率因数（采用大功率三相功率因数校正技术）、低谐波污染电源必将成为今后发展趋势。 高功率因数感应加热电源的设计与实现1 引 言 目前，感应加热电源已广泛用于金属熔炼、透热、焊接、弯管、表面淬火等热加工和热处理行业。然而传统感应加热电源整流变换一般采用晶闸管相控整流或二极管不控整流方式，为获得较为稳定的直流电压，整流后往往采用大电容储能兼滤波，导致电网输入侧功率因数非常低，电流畸变，对电网造成谐波污染；此外，还对周围及自身系统的信号产生严重的电磁干扰，系统效率降低。为了减小谐波电流、提高功率因数，有必要采用功率因数校正技术(APFC)。有多种实现 APFC 的方法，目前常采用 APFC 控制芯片实现网侧功率因数校正，具有电路简单、控制方便、成本低的优点。但对于已采用功能强大数字信号处理器(DSP)作为控制器的感应加热等复杂电源系统，再使用专用 PFC 芯片反而会增加系统硬件成本，降低系统的集成度，而且调试不方便，更不利于系统升级。本文研究在使用 DSP 控制感应加热电源的基础上，对输入系统采取有源功率因数校正措施。实验结果表明，引入 APFC 技术后，网侧输入功率因数趋近于单位功率因数，网侧电流是与电压同相的标准正弦波，减少了对电网的污染。2 传统感应加热电源及改进传统的感应加热电源的主电路结构如图 1 所示，包括四个部分：不控整流、大电容储能滤波、逆变电路和谐振负载。图中通过不可控整流的方式将交流变为直流，再通过大电容滤波变成比较稳定的直流电作为逆变电路的供电电源，在逆变侧部分实现系统的逆变输出和功率调节。整个系统由 DSP 控制，电压电流检测装置通过检测直流母线的电压值和电流值并变送给 DSP，以实现功率反馈。负载检测包括温度检测和频率跟踪，通过将红外线传感器检测到的温度值变送给 DSP，以实现温度反馈；通过检测负载的谐振电流和电压信号反馈给 DSP 以实现频率跟踪。在DSP 内部对电压、电流等反馈信号分别 AD 变换、保持，通过数字乘法运算求出实际输出功率与数字给定功率比较，对偏差进行数字 PID 控制，可实现电源输出功率的闭环控制和 DPLL 频率跟踪，故障检测保护电路对缺水、过热、过压、过流等故障实时监控，由 DSP 故障处理子程序比较判断后，以中断方式处理各类故障、并报警显示。这种传统感应加热电