IGBT感应加热电源的研究与设计
摘要
介绍了一种利用锁相环和定角控制实现变频器频率自动跟踪的新方法。在分析并联逆变器工作状态的基础上，提出了一种采用闭环整流控制电压和电流的新方法。分析了IGBT中频感应加热电源常见故障，设计了相应的保护措施和保护电路。研制了100kw / 8khz并联感应加热电源，验证了所设计的控制方法的科学性和有效性。
1．介绍
感应加热技术是一种先进的加热技术，具有加热效率高、速度快、可控、易于实现自动化等传统加热方法所不具备的优点，在国民经济和社会生活中有着广泛的应用。并联中频感应加热设备(1~10kHz)具有对功率器件容量要求低、易于并联扩大容量、负载适应性强等优点，在感应加热电源中得到越来越多的应用。出现在80年代早期,整个电力电子半导体器件IGBT的控制权,以其高速、高输入阻抗、容易驱动,低开态压降和其他优秀的特性,已经广泛应用在高频字段,并让感应加热技术有一个新的飞跃,研究感应加热电源在中国深化。以100 kW / 8 kHz并联感应加热电源为目标，探讨了中频感应加热电源发展的关键技术。
图并联感应加热电源的拓扑结构
2．并联逆变器工作条件
并联逆变器有三种工况，负载谐振频率为：
（1）
- 当时，负载在感应状态下工作。此时，负载电流的相位引导电压的相位。IGBT在转换时被迫在大电流模式下关闭，IGBT的两端会形成峰值电压，可能会造成器件损坏。
- 当时，负载在谐振条件下工作。这是一个理想的工作条件。由于电路存在杂散参数，当锁相环的精度和负载发生变化时，很难达到这种工作状态。
- 当时，负载电容工作状态,此时负载电流阶段需要的电压阶段,转换过程将导致电流峰值即将开放的电力设备,但限制直流侧滤波电抗器的行动确保电力设备的安全。因此，电容式工况是一种理想的工况，在实际运行中也是可靠的。
3．纠正控制
整流采用三相全控整流程序，控制器采用电流、电压双回路策略。控制原理图如图2所示。整流侧控制核心采用MCS-51系列单片机，外围电路构成整流触发控制系统。固定电源控制和保护是设备的中央控制部分。采用单片机控制和晶闸管转换技术，并与两个闭环调节器相配合。
图 整流侧控制机构框图
平均整流输出直流电压可以控制的延迟角alpha;的大小完全控制晶闸管整流桥是改变，可以控制设备输出功率的大小。PI调节器是监管机构的静态误差,因此鉴于静态时间等于反馈,当设备的负载变化，PI调节器的双闭环使用采样电流和取样电压作为反馈信号,调节使用闭环电压和电流的大小，这将确保电流和电压的输出值不超过给定值的极限电流和电压的设备,从而达到精确的限制电流和电压的效果。当动作电流的值超过相关的价值,因为设备过载,触发延迟角alpha;的晶闸管整流桥上升的效果反馈的电流、直流电压降低，平均操作当前有限的期望值最大的操作电流,并达到限流的作用。以同样的方式,在电压调节，输出电压测试,和PI调节器自动温和派alpha;的大小，从而输出电压保持稳定。最大输出电压根据额定电压的反馈值变化，达到电压限制的功能。
4．逆变器的控制
逆变器控制的主要功能是实现负载的频率的自动跟踪,补充的逆变器,坚实的触发脉冲逆变器功率器件和控制输出电压的整流桥,以确保的安全装置，当发生故障的内部或外部设备。变频器控制的核心技术是锁相。本文采用定值锁相控制的方法，即将负载电流与电压提前一个角度，从而使器件在小容量状态下始终如一地工作。锁相控制模块如图3所示。在该模块中，锁相环由互斥异或鉴相器、低通滤波器、PI控制器、压控振荡器、分压器等组成。由于负载端在启动前没有输出，即没有信号，逆变器IGBT得不到脉冲，所以需要增加启动控制电路。为此，设计了独立励磁到自励磁模块。系统启动时处于单独激励状态。当负载电压达到一定值时，情绪变为自激。这种方法要求单独激励的频率要接近或略高于低频激励的频率。否则，启动将失败。这种启动方式是逆变器的最佳方式，逆变器桥的开关采用自关装置。
图逆变侧角度控制框图
首先，负载侧电压由电压互感器获得，电压互感器通过零检测电路进入鉴相器。鉴相器采用异或门对相位，要求两个输入信号为50%占空比方波。当两个信号被锁定时,相位差为90°。因此，相位补偿后的除法器输出信号可以得到鉴相器的另一侧输入。相位检测器的输出表示电平信号的某一相位关系，通过低通滤波器与设置锁相值进行比较滤波后，可以得到相位误差，然后通过PI调节器得到锁相。由积分器保证无偏差调节，准确定位已设定的相位。PI调节器的输出电平进入VCO控制变频器频率。由于滤波电抗器的电流是连续的，为了得到可靠的循环，逆变器的上下两腿都要先打开后关闭。IGBT驱动脉冲在转换过程中有足够的重叠时间。因此，本文设计了重叠时间的形式部分。重叠时间可调，可根据工作状态进行微调。
5．电源保护设计
5.1逆变器的过电压和过流保护
在逆变电桥中，由于IGBT是一种全控器件，所以可以在不同的工况下工作。在容量模式下，后续的FRD在转换后会立即负担反向电压;在感应模式下，IGBT会立即关闭。由于引线线圈电感的存在，IGBT会产生脉冲脉冲。因此采用了改进的相位跟踪技术。即对电源进行调制，使其工作在容量模式下，并通过检测施加在二极管两端的反向电压对其进行约束。该方法有效地控制了串联二极管的反向电压，提高了电源的可靠性。另外，为了保护器件，可以采用图4所示的势利电路来吸收IGBT和二极管的尖峰脉冲。
图过电压保护
过电压保护电路如图5所示。逆变器发生过电压时，提供触发脉冲信号，使IGBT由整流变为逆变。晶闸管Tp已投入运行。因此，晶闸管提供给滤波电感器供电的回路，抑制了逆变器输入端电压的上升率。将逆变器的输入箝位到低电平，保护IGBT不受过电压的影响。
图过电压保护
当过载发生时：
（1）所有的IGBT都投入使用，两座桥可以在很短的时间内共享短路。
（2）当过流发生时，应立即触发Tp。原因是Tp投入运行后的电压降远低于IGBT桥投入运行时的电压降。由于并联电流的存在，IGBT的电流一次转移到Tp，所以短路IGBT的电流没有超调。同时，信号被发送到整流器，整流器由整流模式变为逆变模式。电源释放后应关闭电源。
5.2 综合保护
为了提高保护的可靠性，设计了锁相保护电路。这是一种综合保护。锁相保护框图如图6所示。当负载出现异常情况时，例如输出是开着的，输出是短的，或者传感器是短的，负载电压和负载电流的相位差会有很大的变化。该电路可与锁相控制电路相结合。当负载电压和负载电流的相位差变化迅速时，鉴相器的输出电压也随之迅速变化，当鉴相器的输出电压超过保护的额定值时，就会发出信号使保护电路工作。
图 锁相保护框图
6．实验和结论
根据理论和大量的实验，研制了一种中频感应加热电源，功率为100kW/8kHz。规格有:输入电压380V，输出功率100kW，槽路谐振频率8khz，样机空载运行时，实测数据集如表1所示。图7为IGBT驱动脉冲波形重叠时间。
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DC voltage /V |
DC current/A |
Peak voltage/V |
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110 |
15 |
210 |
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220 |
27 |
390 |
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320 |
38 |
510 |
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400 |
50 |
600 |
表1 实验数据
图 重叠时间驱动脉冲波形
图 逆变器输出电压和电流波形
逆变器的输出电压和输出电流波形如图8所示，电压波形为正弦波形，电流波形为方波。该装置在完成从单独励磁到自励磁的转变后，将在小电容模式下工作。根据经验数据和波形，特别是逆变器的锁相控制，证明了本文设计的工作原理是正确的，可以使装置在小电容固定角度模式下工作。该电路的成功设计大大提高了设备的自动运行水平。它可以使现场编辑的东西方便和操作的东西，节省了大量的人力物力资源，同时，它可以减少事故的发生。本文所介绍的设计原理和电路结构可应用于其它频率、不同功率值的感应电源和加热电源的设计。
大功率感应加热
摘要
本文提出了一种利用共芯变压器(CCT)提高共芯变压器系统功率的感应加热(IH)方法。其结构由整流电路、逆变电路、谐振电路和共芯变压器组成。三相二极管整流电路作为系统的输入。采用并联全桥设计逆变电路，采用IGBT作为开关控制电路的运行。逆变器输出采用LC串联谐振电路。变压器谐振是将两个一次绕组和一个二次绕组连同磁芯一起设计的。磁芯由铁氧体材料制成。实验结果表明，采用带CCT的并联逆变器可以提高IH的输出功率。
1．简介
IH被广泛应用于工业国内和医疗应用。IH的应用趋势可以是在功率电子中产生所需的频率电流。此外，它还应用于控制共振和能量的控制算法中，以加载和产生磁场分量，从而产生交变磁场来加热IH靶。IH的关键应用已经发展到许多制造工艺，如熔化、锻造、表面处理、密封、粘合、退火和焊接，包括其他需要预热和后加热的工艺。不仅IH可以提高工艺的速度，其在精度、效率、可重复性和绿色能源方面的声誉也是众所周知的。此外，它们是汽车和飞机工业过程自动化所需的关键特性。IH系统在大功率领域也发挥着重要作用。因此，本文提出了一种利用共芯变压器提高电流互感器功率的新电路。
2．该电路的描述和操作
2..1电路描述
所提出的IH系统的配置如图1所示。它的结构由整流电路、逆变电路、谐振电路和共芯变压器组成。三相二极管整流电路作为系统的输入。逆变器采用并联全桥设计，IGBT作为控制电路运行的开关。对于INV1和INV2，串联谐振电路由等效电阻(Req1和Req2)、等效电感(Leq1和Leq2)、谐振电容(Cr1和Cr2)组成。它们用作逆变器的负载。变压器谐振是由两个初级绕组和一个二次绕组与磁芯一起设计的。磁芯由铁氧体材料制成。共芯全桥逆变器的等效电路如图2所示，其中输入电压视为提供给系统的两个对称交流电压。
共芯逆变器的等效电路由两个全桥逆变器V1和V2组成，这两个全桥逆变器与谐振器共同分担IH负载。V1和V2两个逆变器电流产生两个共振联系,Irl和Ir2分别由相移控制的角度phi;1和phi;2 Q11-Q14之间的IGBT门脉冲信号和温度系数——抓起。然后通过开关操作将注入IH线圈的功率和负载连续控制在一定范围内。由于IH负载电流由两个谐振环节电感电流共享。两个逆变器的开关频率年代可以设计和固定值等于共振频率。
2.2变频器的工作
各逆变器的工作波形如图3所示。逆变器的输出功率是由控制相移角phi;1和phi;2每个逆变器,可以定义的操作模式和等效电路见图4。功率器件的开关状态分为四种工作模式。
图9 CCT完成逆变器的开关顺序
模式1是再生模式。虽然INV1,2的IBGT晶体管Q11、Q13、Q21、Q23的栅极被触发，但是由于谐振负载下的高电压，这些栅极无法工作。另一方面，谐振电流和通过INV1,2的D11、D14、D21和D24从IH负载流向输入电源。当和达到0时，Q11、Q13、Q21和Q23门开启。
模式2在为电能传递模式。触发INV,2的Q11、Q14、Q21、Q24，将电流导入变压器一次侧。然后功率从每个逆变器将转移到IH负载。当、达到0后，正电流通过逆变器1、2负载时，开启Q12、Q13、Q22、Q23的门。
模式3是为再生模式。虽然INV1,2的Q12、Q13、Q22、Q23三极管的闸极被触发，但由于谐振负载下的高电压，栅极无法工作。另一方面，谐振电流和通过INV1,2的D11、D14、D21和D24从IH负载流向输入电源。和达到0后，Q12、Q13、Q22、Q23的门打开。
模式4是电能传递模式，对于，打开INV1、2的Q12、Q13、Q22、Q23，将电流导入变压器一次侧。然后功率从每个逆变器转移到谐振负载。当、达到0后，正电流通过负载1、2时，Q11、Q14、Q21、Q24的门被触发，电路运行回到模式1。
各逆变器中电阻、电抗的等效值相同。谐振情况下，各逆变器单元的输出电压和电流波形如图3所示。晶体管Q11-Q14和Q21Q24的占空比控制在50%左右。在桥腿的每一个逆变器单元的开关大约
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