50kW200kHz串联谐振感应加热电源的研究

传统结构串联谐振逆变器结构如图 ２ 所示。
图 １ 串联谐振感应加热电源主电路
串联谐振感应加热电源的主系统由整流、滤波、 逆变、负载以及相应的控制和保护电路组成。输入的 三相交流电经晶闸管三相全桥整流，再经电感电容
定稿日期： ２００８－ ０４－ ０１ 作 者 简 介 ： 马 娟 （ １９８３－ ） ， 女 ， 内 蒙 古 呼 和 浩 特 人 ， 硕
（ ２） 容性状态 当 ｆ＜ ｆ０ 时，逆变器工作在容性状 ４７
第 ４２ 卷第 ８ 期 ２００８ 年 ８ 月
电力电子技术 Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ
Ｖｏｌ．４２， Ｎｏ．８ Ａｕｇｕｓｔ， ２００８
态。如图 ３ｂ 所示，ｔ０ 时刻前，ＶＳ１，ＶＳ４ 导通，ＶＳ２，ＶＳ３ 关断；ｔ０’时刻，ｉｏ 换向，经过 ＶＤ１，ＶＤ４ 续流；ｔ０ 时刻，关 断 ＶＳ１，ＶＳ４，可实现零电流关断；ｔ３ 时刻，开通 ＶＳ２， ＶＳ３，立即在 ＶＤ１，ＶＤ４ 两端加上了大小为 Ｕｄ 的反压， 由于 ＶＤ１，ＶＤ４ 反向恢复时间较长，因此不能立即关 断，在它们结束反向恢复过程之前，会造成上下桥臂 的直通，通过电源产生过大的环路电流。因此，传统 结构的逆变器不能工作在容性状态下。
１引言
感应加热技术在工业中应用广泛，从最初的工 频加热炉到后来的晶闸管中频电源、ＩＧＢＴ 超音频电 源及 ＭＯＳＦＥＴ 高频电源，都在感应加热工业中发挥 了极其重要的作用。ＭＯＳＦＥＴ 等固态器件的诞生，带 动了整个电力电子学的发展，也使感应加热技术有 了一个新的飞跃［１］。我国对感应加热电源的研究一直 在不断深入，下面以 ５０ ｋＷ／２００ ｋＨｚ 的串联谐振感 应加热电源为对象，讨论高频感应加热电源开发中 的一些关键技术。
由于改进型逆变器可以工作在感性、容性、阻性 ３ 种状态下，在实际工况中，可以适应由短时电压电 流变化而造成的工作状态变化，因此更具实用价值。
３ 基于 ＣＤ４０４６ 的锁相环频率跟踪技术
在感应加热过程中，随着工件温度的变化，负载 参数也发生变化，从而引起谐振频率的变化。由于负 载在谐振或准谐振状态下，输出功率最大，电源效率 最高，因此当负载固有频率 ｆ０ 变化时，要求逆变器工 作频率 ｆ 也随之变化，以保持在准谐振状态，亦即逆
６结论
图 ７ 实验波形
串联谐振型感应加热电源在高频感应加热领域
占有很大优势。通过改造串联谐振型感应加热电源
中传统逆变器的结构，克服了 ＭＯＳＦＥＴ 寄生二极管
恢复时间过长的问题，使其能适应感性、阻性和容性
各种工作状态。锁相环频率跟踪采用基于 ＣＤ４０４６
的硬件设计技术，稳定、可靠地实现了频率和相位跟
４ 故障保护技术
对串联谐振感应加热电源而言，逆变部分的输入
５ ０ ｋＷ／２００ ｋＨｚ 串联谐振感应加热电源的研究
端由大电容滤波，并提供直流电压。当逆变器发生桥 臂直通或负载短路等故障时，滤波电容上电压通过开
因 ｉｓｈｏｒｔ 只能以有限的速度上升，从而为短路保护电 路争取保护动作时间。
关器件放电。由于开关器件内阻很小，因此放电电流 上升非常快，浪涌电流冲击非常大，会对电源造成很 大的损害，因此必须为逆变器装置提供快速、准确、可 靠的短路过流保护。过流保护方法一般可归纳为两 类：①当故障发生后，直接切断逆变输入，以达到保护 目的；②当故障发生后，封锁所有桥臂的驱动脉冲信 号，该方法比较直接，但会造成 ＭＯＳＦＥＴ 关断时承受 应力过大，尤其在关断感性电流时，容易引起擎住效
别。以锁相环 ＣＤ４０４６ 为核心，设计了频率跟踪电路。出现故障时，通过直接切断逆变器的输入进行保护。在研究基
础上，设计出 ５０ ｋＷ／２００ ｋＨｚ 的样机，它能在实验工况下安全、可靠地运行。
关键词： 电源；感应加热；故障；保护 ／ 串联谐振；频率跟踪
中图分类号： ＴＭ９２４．５；ＴＮ８６
文献标识码： Ａ
文章编号： １０００－ １００Ｘ（２００８）０８－ ００４７－ ０３
Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｎ ５０ ｋＷ／２００ ｋＨｚ Ｓｅｒ ｉｅｓ Ｒｅｓｏｎａｎｔ Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｈｅａｔｉｎｇ Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ
ＭＡ Ｊｕａｎ， ＺＨＯＵ Ｗｅｉ－ｓｏｎｇ， ＺＨＡＯ Ｑｉａｎ－ｚｈｅ
（Ｔｓｉｎｇｈｕａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０２２０１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｓｏｍｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｗｏｒｋ ｏｎ ｓｅｒｉｅｓ ｒｅｓｏｎａｎｔ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｈｅａｔｉｎｇ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ．Ｉｔ ｔｈｏｒｏｕｇｈｌｙ ａｎａｌｙｚｅｓ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ ｏｎ ｗｏｒｋｉｎｇ ｓｔａｔｕｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｍｏｄｉｆｉｅｄ ｏｎｅ．Ａ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ａｌｓｏ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｈａｓｅ－ｌｏｃｋ ｌｏｏｐ ＣＤ４０４６．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｔｈｅ ｅｒｒｏｒ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ｃａｎ ｐｒｏｔｅｃｔ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｓｙｓｔｅｍ ｂｙ ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｃｕｔｔｉｎｇ ｏｆｆ ｔｈｅ ｉｎｐｕｔ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｏｖｅｒｆｌｏｗｉｎｇ ｏｃｃｕｒｓ．Ａｎ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｓａｆｅｌｙ ｏｐｅｒａｔｅ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｗｏｒｋ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ． Ｋｅｙｗｏｒ ｄｓ： ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ；ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｈｅａｔｉｎｇ；ｆａｉｌｕｒｅ；ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ／ ｓｅｒｉｅｓ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ；ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｔｒａｃｋｉｎｇ
（ＬＰＦ）三部分组成，依据串联谐振负载频率 ｆ 越高， ＶＣＯ的输出电压信号 ｕ 相位越超前输入电流信号 ｉ 相位的特性，来设计 ＰＬＬ 电路，如图 ５ａ 所示。
在实际工况中，由于负载情况的变化，逆变器很可能
短时间工作于容性或阻性状态。为了抑制 ＭＯＳＦＥＴ
自身反并联二极管的作用，采用如图 ４ 所示的改进型 逆变器结构，通过在桥臂上串并联快恢复二极管［３］，使
５ 样机试验波形
由图 ７ａ 上下桥臂 ＭＯＳＦＥＴ 的驱动波形可见， 上桥臂开关器件关断后下桥臂开关器件才开通；由 图 ７ｂ 逆变器输出电压和电流的波形可见，逆变器工 作于弱感性状态。
应，因此必须对吸收电路和箝位电路进行计比较复杂。
采用方法 ①时，应另加间歇电流源保护［５］，如 图 ６ 所示。在设计两级 ＬＣ 时，采取前级电感电容 大，后级电感电容小，后级加电流检测和开关的方 案。由于后级电容小，因此发生直通故障后，冲击电 流也较小。一旦发现检测电流超过正常标准，即说明 此时发生了过流故障，ＩＧＢＴ 开关随即断开，切断逆 变输入，从而达到保护的目的。
变器必须具有频率相位自动调节的功能。
采用基于 ＣＤ４０４６ 的锁相环（ＰＬＬ）频率跟踪技
术，可以满足对频率自动调节的要求。ＰＬＬ 主要由相
位 比 较 器 （ＰＣ）、压 控 振 荡 器 （ＶＣＯ）、低 通 滤 波 器
图 ３ 传统结构在感性和容性状态下的工作模式波形
２．２ 改进型串联谐振逆变器工作状态分析 综上所述，传统逆变器只能工作于感性状态。而
士。研究方向为感应加热技术。
图 ２ 传统结构串联谐振逆变器电路
（ １） 感性状态 当 ｆ＞ｆ０ 时，设负载电流 ｉｏ 方向从 左到右为正，逆变器工作在感性状态。如图 ３ａ 所示， ｔ０ 时刻前，ＶＳ１，ＶＳ４ 导通，ＶＳ２，ＶＳ３ 关断，ｉｏ 为正；ｔ０ 时 刻，关断 ＶＳ１，ＶＳ４，Ｃ２，Ｃ３ 放电，Ｃ１，Ｃ４ 充电；ｔ１ 时刻， Ｃ１，Ｃ４ 充电至 Ｕｄ ／２，Ｃ２，Ｃ３ 放电至 Ｕｄ ／２，此时，负载电 压为零，ｉｏ 仍为正向；至 ｔ２ 时刻，Ｃ１，Ｃ４ 充电至 Ｕｄ，Ｃ２， Ｃ３ 放电至零。ｉｏ 仍未过零，只能通过 ＶＤ２，ＶＤ３ 续流； ｔ３ 时刻，开通 ＶＳ２，ＶＳ３，可实现零电压开通，但此时 ｉｏ 仍未换向，因此 ＶＳ２，ＶＳ３ 中无电流流过；ｔ４ 时刻，ｉｏ 换 向，ＶＤ２，ＶＤ３ 续流结束，ＶＳ２，ＶＳ３ 流过电流。因此，在 感性状态下电路可安全运行［２］。
第 ４２ 卷第 ８ 期 ２００８ 年 ８ 月
电力电子技术 Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ
Ｖｏｌ．４２， Ｎｏ．８ Ａｕｇｕｓｔ， ２００８
５０ ｋＷ／２００ ｋＨｚ 串联谐振感应加热电源的研究
马 娟， 周伟松， 赵前哲 （清华大学，北京 １０２２０１）
摘要： 对串联谐振感应加热电源进行了研究。详细分析了传统逆变器结构与改造型逆变器结构在工作状态上的区
踪。在发生桥臂短路故障时，直接切断直流输入，利
用间歇电流源达到了短路保护的目的。在理论研究
的基础上，设计出 ５０ ｋＷ／２００ ｋＨｚ 的实验样机。实验 证明，样机实现了安全可靠的运行。
串联谐振感应加热电源中的频率跟踪电路如 图 ５ｂ 所示［４］。电流互感器检测到的 ｉｏ 信号经过整形 电路后成为方波信号送入鉴相器；ＶＣＯ 输出的 ｕ 信 号经死区形成电路后送入鉴相器。电流和电压送入 鉴相器前，都会经过延时调整，通过调节电阻器 Ｒ２ 和 Ｒ３ 使电压电流保持合适的相位关系，从而使逆变器 工作在弱感性状态。根据前述工作原理，鉴相器输出 一定占空比的方波信号，经过 ＬＰＦ 电路后成为平直 的直流信号，该信号反映了驱动电压信号与 ｉｏ 信号 的基波相位差，并朝着减小 ｕ 与 ｉ 之间相位差的方向 变化，直到 ｕ 与 ｉ 信号相位保持在设定的差值范围 内，即实现了频率和相位的自动跟踪。
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图 ５ ＰＬＬ 组成示意图及其频率跟踪电路原理框图
通过 ｉ 与 ｕ 的相位比较，得到误差输出电压 ｕｅ， 该电压正比于 ｉ 与 ｕ 的相位差，经过 ＬＰＦ 滤除高频 分量后，得到平均控制电压 Ｕｄ，Ｕｄ 朝着减小 ｕ 与 ｉ 之间相位差的方向变化，直至 ｕ 与 ｉ 的频率和相位 一致，称作频率相位锁定。