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具有并联谐振的逆变电源电路设计原理解析
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2017-12-07
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前言
在现代工业的金属熔炼、弯管，热锻，焊接和表面热处理等行业中，感应加热技术被广泛应用。感应加热是根据电磁感应原理，利用工件中涡流产生的热量对工件进行加热的，具有加热效率高，速度快，可控性好，易于实现高温和局部加热，易于实现机械化和自动化等优点。随着电力电子学及功率半导体器件的发展，感应加热电源基本拓扑结构经过不断的完善，一般由整流器、滤波器、逆变器及一些控制和保护电路组成。逆变器在感应加热电源中起着十分重要的作用，根据逆变器的特点，逆变电源又分为串联谐振和并联谐振两种。本文提出了一种应用于感应加热的并联谐振逆变电源设计方案，针对其主电路、斩波电路及逆变器控制电路等进行了分析和设计。
电路构成及设计
电源的系统框图为图1所示，三相交流电压通过不控整流及滤波电路后转换为直流电压，该电压被送到直流斩波器进行斩波调节，变为功率可调节的近似恒流源后输入逆变器，之后控制感应加热负载。直流斩波控制部分则通过传感器检测斩波输出的电流信号，经PI调节器，控制PWM的输出脉宽，从而改变斩波输出电流的大小，实现闭环控制。逆变器控制部分采用锁相环频率跟踪电路控制逆变器的工作频率，产生高频触发脉冲，驱动逆变电路中功率器件的通断。
主电路1、并联谐振逆变电源的主电路由三相不控整流桥、直流斩波器、电流源并联谐振逆变器和负载匹配电路四部分组成（图2）。
这里采用不控整流加斩波构成直流电流源，主要是考虑到其具有保护速度快以及高频斩波带来的滤波器尺寸小等优点。斩波器和逆变器中的主功率器件（VT与VT1、VT2、VT3、VT4）均采用IGBT管。逆变器桥臂的每一个IGBT上均串联一个二极管，通过IGBT的正向电流也将全部通过串联二极管，这就要求串联二极管能够通过很大的正向电压和承受很高的反向电压，因此VD1~VD4选用的是快速恢复二级管。逆变器通过半导体开关有规律地切换，在负载侧得到一定频率的交流电流，其频率由开关的动作频率决定，由于是电流源供电，逆变器输出电流近似为方波，负载对基波分量呈高阻，压降较大，而三次及三次以上谐波产生的压降较小，可近似认输出电压（即电容C两端电压）为正弦波。
PWM斩波控制
斩波的实现是通过控制IGBT（图2中VT管）的导通来控制电流的大小，从而间接控制功率。在稳态运行过程中，为实时了解负载的变化，需从谐振回路中反馈电流的变化，通过与基准值比较获得占空比的大小。图1系统框图中的电流检测可选用霍尔电流传感器，检测逆变器直流母线输入电流的大小。控制电路采用PI调节器，由运放与电阻、电容等元件构成，可将检测电流与设定电流比较，只要反馈和设定有偏差，就可通过调节，使反馈向设定值逼近直至等于设定值，从而实现无差调节，提高系统稳定性。PWM脉宽控制选用TL494，它是一种应用广泛的PWM控制芯片，具有抗干扰能力强、结构简单、可靠性高以及价格便宜等特点。在本设计中具体电路如图3所示：输入（即PI调节输出）自1脚引入，引脚13接低电平，PWM脉冲信号从8脚输出，经驱动模块放大后触发斩波器元件IG- BT的导通。
在现代工业的金属熔炼、弯管，热锻，焊接和表面热处理等行业中，感应加热技术被广泛应用。感应加热是根据电磁感应原理，利用工件中涡流产生的热量对工件进行加热的，具有加热效率高，速度快，可控性好，易于实现高温和局部加热，易于实现机械化和自动化等优点。随着电力电子学及功率半导体器件的发展，感应加热电源基本拓扑结构经过不断的完善，一般由整流器、滤波器、逆变器及一些控制和保护电路组成。逆变器在感应加热电源中起着十分重要的作用，根据逆变器的特点，逆变电源又分为串联谐振和并联谐振两种。本文提出了一种应用于感应加热的并联谐振逆变电源设计方案，针对其主电路、斩波电路及逆变器控制电路等进行了分析和设计。
电路构成及设计
电源的系统框图为图1所示，三相交流电压通过不控整流及滤波电路后转换为直流电压，该电压被送到直流斩波器进行斩波调节，变为功率可调节的近似恒流源后输入逆变器，之后控制感应加热负载。直流斩波控制部分则通过传感器检测斩波输出的电流信号，经PI调节器，控制PWM的输出脉宽，从而改变斩波输出电流的大小，实现闭环控制。逆变器控制部分采用锁相环频率跟踪电路控制逆变器的工作频率，产生高频触发脉冲，驱动逆变电路中功率器件的通断。
主电路1、并联谐振逆变电源的主电路由三相不控整流桥、直流斩波器、电流源并联谐振逆变器和负载匹配电路四部分组成（图2）。
这里采用不控整流加斩波构成直流电流源，主要是考虑到其具有保护速度快以及高频斩波带来的滤波器尺寸小等优点。斩波器和逆变器中的主功率器件（VT与VT1、VT2、VT3、VT4）均采用IGBT管。逆变器桥臂的每一个IGBT上均串联一个二极管，通过IGBT的正向电流也将全部通过串联二极管，这就要求串联二极管能够通过很大的正向电压和承受很高的反向电压，因此VD1~VD4选用的是快速恢复二级管。逆变器通过半导体开关有规律地切换，在负载侧得到一定频率的交流电流，其频率由开关的动作频率决定，由于是电流源供电，逆变器输出电流近似为方波，负载对基波分量呈高阻，压降较大，而三次及三次以上谐波产生的压降较小，可近似认输出电压（即电容C两端电压）为正弦波。
PWM斩波控制
斩波的实现是通过控制IGBT（图2中VT管）的导通来控制电流的大小，从而间接控制功率。在稳态运行过程中，为实时了解负载的变化，需从谐振回路中反馈电流的变化，通过与基准值比较获得占空比的大小。图1系统框图中的电流检测可选用霍尔电流传感器，检测逆变器直流母线输入电流的大小。控制电路采用PI调节器，由运放与电阻、电容等元件构成，可将检测电流与设定电流比较，只要反馈和设定有偏差，就可通过调节，使反馈向设定值逼近直至等于设定值，从而实现无差调节，提高系统稳定性。PWM脉宽控制选用TL494，它是一种应用广泛的PWM控制芯片，具有抗干扰能力强、结构简单、可靠性高以及价格便宜等特点。在本设计中具体电路如图3所示：输入（即PI调节输出）自1脚引入，引脚13接低电平，PWM脉冲信号从8脚输出，经驱动模块放大后触发斩波器元件IG- BT的导通。
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