一種應用于感應加熱的并聯諧振逆變電源設計方案

1 引言

在現代工業的金屬熔煉、彎管，熱鍛，焊接和表面熱處理等行業中，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，易于實現高溫和局部加熱，易于實現機械化和自動化等優點。

隨著電力電子學及功率半導體器件的發展，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，本文提出了一種應用于感應加熱的并聯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。

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行斬波調節，變為功率可調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傳感器檢測斬波輸出的電流信號，經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，實現閉環控制。逆變器控制部分采用鎖相環頻率跟蹤電路控制逆變器的工作頻率，產生高頻觸發脈沖，驅動逆變電路中功率器件的通斷。

2.1主電路設計

并聯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的濾波器尺寸小等優點。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上均串聯一個二極管，通過IGBT的正向電流也將全部通過串聯二極管，這就要求串聯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。

2.2PWM斬波控制電路

斬波的實現是通過控制IGBT(上圖2中VT管)的導通來控制電流的大小，從而間接控制功率。在穩態運行過程中，為實時了解負載的變化，需從諧振回路中反饋電流的變化，通過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輸入電流的大小。控制電路采用PI 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，就可通過調節，使反饋向設定值逼近直至等于設定值，從而實現無差調節，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、結構簡單、可靠性高以及價格便宜等特點。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，經驅動模塊放大后觸發斬波器元件IG- BT的導通。

2.3逆變器觸發控制

并聯諧振逆變器的觸發控制中，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脈沖有重疊區，這點與串聯諧振逆變器有較大不同。圖4是逆變器觸發脈沖的波形。

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，以實現逆變器件的零電壓換流。