200kW_400kHz固态高频感应加热电源

２ 串联型逆变器的工作原理
图 １ 示出串联型逆变器的基本拓扑结构图。该 高频电源采用 ＡＣ／ＤＣ／ＡＣ 变频结构，三相 ３８０Ｖ 交 流电经过三相 全控桥式整 流，整流后的 脉动直流电压 经过滤波环节 变为平滑的直 图 １ 串联型逆变器基本拓扑结构图 流电压后，送入高频逆变器，在感应线圈上产生方波 高频电压和正弦波高频电流。
图 ２ 示出锁相环的工作原理。由电流互感器检 测到的逆变器输出电流信号经过整形电路变成方波 信号后送入鉴相电路。同时，为了保证相位锁定后， 逆变器工作在小感性状态，从压控振荡器输出的反 映电压相位的信号经过延时后送入鉴相电路。鉴相
图 ２ 锁相环工作原理
４ 驱动电路设计
虽然 ＭＯＳＦＥＴ 是电压控制型器件，但由于存在 着输入电容，尤其是当多管并联时，该电容往往较 大，因此要求驱动电源有较大的驱动能力。本装置 单逆变桥的设计功率为 ５０ｋＷ，每个桥臂采用 ８ 只 ３６Ａ 的 ＭＯＳＦＥＴ 并联，单个 ＭＯＳＦＥＴ 的输入电容为 ５１８５ｐＦ，当逆变器工作频率为 ４００ｋＨｚ，正向驱动电 压为＋１５Ｖ，反向驱动电压为－ ５Ｖ，则每个桥臂所需要 的驱动电源功率 Ｐ＝ＣｉｓｓＵｇ２ ｆ ／２＝３．３Ｗ。
过大；当负载阻抗较大时，负载电流将达不到额定电 工作在小感性状态。
流，因此必须采取措施使负载的等值阻抗和电源的
额定阻抗相等或相近。在本装置中采用高频变压器
对负载阻抗进行匹配。
对于串联谐振型逆变器，有补偿电容器在变压
器初级补偿和次级补偿两种形式。采用初级补偿时，
匹配变压器不仅传递有功功率，而且还需要传递负
领域（如高频介质加热等行业）外，固态高频电源完全能取代电子管高频电源，而成为新一代感应加热电源的代表。
本文以 ＭＯＳＦＥＴ 作为逆变器的开关器件，以多管并联的方式开发出容量为 ５０ｋＷ 的单桥，然后以逆变桥并联的方式
研制出 ２００ｋＷ／４００ｋＨｚ 的逆变器。设计了特殊的大功率驱动电路，实现了对器件多管并联的可靠驱动。采用 ＰＩ 控制
５ 负载匹配及逆变桥的并联
根据电路理论，只有在电源内阻抗和负载阻抗 相等时，负载获得的功率才最大。在感应加热应用
电情况下，使各逆变器的输出功率均衡，最大程度地 保证逆变器的安全。
６ 试验波形
场合，负载的等效电抗受加热线圈的形状和匝数、材
图 ５ａ 示出逆变器上、下桥臂的驱动波形，可见
料的电导率和磁导率、线圈与工件之间的距离、工作 在开通与关断信号之间留有死区时间，避免了桥臂
开通与关断。
的 二 极 管 则 取 代 了 原 寄 生 二 极 管 的 作 用 ，在 换 流
过程中为电流提供通路。
逆变器的频率取决于功率器件的开关频率 ｆ， 根据 ｆ 与负载谐振频率 ｆ０ 之比值大小的不同，逆变 器可以工作在容性、阻性和感性状态。当 ｆ＜ ｆ０ 时，逆 变器工作在容性状态，此时功率开关的开通损耗很 大，而且反并联二极管的反向恢复电流会在开关管 之间的引线电感上感生很大的电动势，威胁功率器 件的安全［１］。当 ｆ＝ ｆ０ 时，逆变器工作在阻性状态，功 率开关器件的开通损耗和关断损耗都很小，是一种 理想的工作状态。当 ｆ＞ｆ０ 时，逆变器工作在感性状 态，当功率因数角较小时，功率器件的开关损耗较 小，反并联二极管在零电流下关断，实现了 ＺＣＳ。在 频率较高时，开关损耗是影响逆变器性能的主要因 素，因此为了减小开关损耗，保证逆变器的安全，逆 变器应工作在偏感性的准谐振状态。
由于 ＭＯＳＦＥＴ 带有反并联寄生二极管，该管的 反向恢复时间约为 ２μｓ，当工作频率为 ４００ｋＨｚ 时， 其反向恢复时间超过了 ３／４ 工作周期，因此在逆变 器换向时，该二极管过长的反向恢复时间会造成逆
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第 ４０ 卷第 Biblioteka 期电力电子技术Ｖｏｌ．４０， Ｎｏ．３
２００６ 年 ６ 月
Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ
第 ４０ 卷第 ３ 期 ２００６ 年 ６ 月
电力电子技术 Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ
２００ｋＷ／４００ｋＨｚ 固态高频感应加热电源
朱晓荣， 彭咏龙， 石新春， 李和明
（华北电力大学，河北 保定 ０７１００３）
Ｖｏｌ．４０， Ｎｏ．３ Ｊｕｎｅ， ２００６
摘要： 随着大功率半导体器件的发展，固态高频电源在容量和频率两方面都得到很大提高，除在一些特殊应用
３ 锁相环
由以上分析可知，为了减小开关损耗，逆变器应 工作在小感性的准谐振状态，但随着加热过程的进 行，被加热工件的参数会发生变化，进而使槽路的谐 振频率发生变化，如果逆变器的工作频率不随之变 化，则将使逆变器偏离最佳工作点，不仅造成功率器 件的关断电流增加，引起关断损耗增大，而且当逆变 器工作点偏离谐振点较远时，在一定的 Ｑ 值下会使 负载等效阻抗增大，以致不能充分利用逆变器的功 率容量［１，３］。为此，需要设计锁相电路，以实现逆变器 工作频率对负载频率的自动跟踪。
频率及涡流透入深度等因素的影响，不同的负载在 的直通；图 ５ｂ 示出逆变器的输出电流和电压信号，
特定的应用场合所呈现出的阻值不同。当负载阻值 图中电压信号通过表笔 ３∶１ 衰减测出，电流信号通
较小时，如果不经阻值变换直接接到逆变器上，则逆 过 ２００∶１ 的电流互感器采样并通过电阻分压得到。
变器电压不能达到最大值，否则输出电流的峰值将 由图可见，电流信号滞后于电压信号，保证了逆变器
１引言
高频感应加热利用电磁感应原理对工件进行加 热，其功率密度在被加热工件内的分布可通过选择 电源频率和合理设计感应线圈而得到［１］。过去因受 半导体器件的限制，高频感应加热电源都采用电子 管振荡结构，致使设备存在着效率低，体积大，使用 前需要预热，而且电子管使用寿命短等缺点。
随着大功率半导体器件的发展，高频大功率固 态高频电源的研制取得了很大的进展。在高频电源 中，采用的功率器件主要有 ＭＯＳＦＥＴ 和静电感应晶 体管（Ｓｔａｔｉｃ Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ，ＳＩＴ）。ＳＩＴ 因通态损 耗大，制造工艺复杂、成本高、价格昂贵等缺陷而限 制了其推广应用。ＭＯＳＦＥＴ 开关速度快，３６Ａ／１ｋＶ 功 率 ＭＯＳＦＥＴ 的关断时间小于 ７５ｎｓ，且易于并联，因 此广泛应用于高频大功率领域。
载等效电感所需的无功功率，因此变压器的容量较 大，但效率较低，即便是容量极大的铁心材料也难以 满足要求，需要采用空心变压器。然而，空心变压器 的激磁阻抗较低，激磁电流较大，且由于初、次级耦 合较松，不仅漏感大，增加了补偿电容的容量，而且 初次级的等效变比与匝比相差较大，在实际设计中 不好掌握。采用次、级补偿时，匹配变压器只传递有 功功率，且容量较小，可选用漏感较小和变比较理想 的铁心变压器［４］，因此装置中采用次级补偿形式。
（Ｎｏｒｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｐｏｗｅｒ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂａｏｄｉｎｇ ０７１００３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｄｅｖｉｃｅｓ，ｇｒｅａｔ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ａｔ ｃａｐａｃｉｔｙ ａｎｄ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏｆ ｓｏｌｉｄ－ ｓｔａｔｅ ｈｉｇｈ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｈａｓ ｂｅｅｎ ａｃｈｉｅｖｅｄ ａｎｄ ｓｏｌｉｄ－ｓｔａｔｅ ｈｉｇｈ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｃａｎ ｒｅｐｌａｃｅ ｔｈｅ ｖａｃｕｕｍ ｔｕｂｅ ｂａｓｅｄ ｈｉｇｈ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｅｘｃｅｐｔ ｓｏｍｅ ｓｐｅｃｉａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｆｉｅｌｄ（ｆｏｒ ｅｘａｍｐｌｅ，ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｈｅａｔｉｎｇ ａｎｄ ｓｏ ｏｎ）． Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ａ ２００ｋＷ／４００ｋＨｚ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｗｈｉｃｈ ａｄｏｐｔ ＭＯＳＦＥＴ ａｓ ｓｗｉｔｃｈ ｄｅｖｉｃｅｓ ａｎｄ ｉｓ ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｏｆ ｆｏｕｒ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｂｒｉｄｇｅｓ ｗｉｔｈ ｃａｐａｃｉｔｙ ５０ｋＷ ｉｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ａ ｓｐｅｃｉａｌ ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ｄｒｉｖｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｉｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｔｏ ｄｒｉｖｅ ｐａｒａｌｌｅｌｅｄ ｄｅｖｉｃｅｓ．Ａ Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ（ＰＬＬ）ｗｉｔｈ ＰＩ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｉｓ ａｄｏｐｔｅｄ ｔｏ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｔｈｅ ｌｏａｄ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｔｈｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｍｏｄｅ，ｗｈｉｃｈ ｇｕａｒａｎｔｅｅ ｔｈｅ ｓａｆｅｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ．Ｂｙ ａｄｏｐｔｉｎｇ ｈｉｇｈ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ ｔｈｅ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｍａｔｃｈｉｎｇ ａｎｄ ｓｈａｒｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ ａｍｏｎｇ ｉｎｖｅｒｔｅｒｓ ａｒｅ ａｃｈｉｅｖｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： ｉｎｖｅｒｔｅｒ；ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ；ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｈｅａｔｉｎｇ ／ ｓｏｌｉｄ－ｓｔａｔｅ ｈｉｇｈ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ；ＭＯＳＦＥＴ
的锁相环（Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ，ＰＬＬ）方法，实现了对负载频率的准确跟踪和对逆变状态的可靠控制，保证了逆变器的
安全。采用高频变压器实现负载阻抗的匹配，不仅保证了逆变器的高输出功率，而且实现了逆变器之间的均流。
关键词： 逆变器；电源；感应加热 ／ 固态高频；金属氧化物场效应晶体管
中图分类号： ＴＭ４６４；ＴＭ９２４．５
Ｊｕｎｅ， ２００６
变器上下桥臂之间短路，形成很大的环流，导致 踪和锁定逆变器相角的目的。为了防止逆变器上、下
功率 ＭＯＳＦＥＴ 损坏。为了克服寄生二极管的影响， 桥臂直通短路，从压控振荡器送出的控制信号经过 通过外部串、并联快恢复二极管对串联型逆变器 死区形成电路后，送入驱动电路以控制功率器件的
的拓扑结构进行了改进。与 ＭＯＳＦＥＴ 串联的快恢 复 二 极 管 限 制 了 寄 生 二 极 管 的 作 用 ，而 外 部 并 联