PSM功率控制大功率感应加热电源及应用

入通道互锁电路、驱动电源智能监控电路及状态输
出与故障自复位电路组成。
控制回路产生的 ＰＷＭ 信号经信号输入端保护
与输入通道互锁电路，传送到 ＬＤＩ 进行处理。ＬＤＩ 使
每个输入信号都具有施密特触发特性，同时进行编
图 ５ 实验结果
码，以通过脉冲变压器来传输。ＩＧＤ 对脉冲变压器传
来的编码信息进行解码和放大，以驱动 ＩＧＢＴ。
频率和相位，使逆变器始终工作于谐振状态。
图 ３ 示出逆变器的控制电路。它由 ＰＷＭ 控制
电路、负载电流检测、超前补偿、过零比较、频率综合
及同步控制等电路组成。由 ＰＷＭ 专用控制芯片产
生的高频脉冲信号 ２ｎ 分频及编码后，将这个大周期
的 ２ｎ 个脉冲进行编号，设定信号经过 Ａ／Ｄ 转换后产
生 ｎ 个选通信号，经控制矩阵解码后对这 ２ｎ 个脉冲
号的平衡电阻，将该误差校正为零。
作曾得到 ＷＴＺ 中德国际科技合作协议的支持。
４结论
ＣＳＲ六极磁铁负载电感较大，但输出电流上升时 间又较短，给电源设计与调试带来诸多困难。通过实际 电源试验，基本摸清了电源的设计要点。与常规脉冲开 关电源相比，通过增加开关管的工作频率，采用了 ＰＩＤ
参考文献
［１］ 高大庆，武 荣．兰州重离子加速器冷却储存环脉冲开关 电源［Ｊ］．电力电子技术，２００３，３７（２）：１５￣１６．
能 信 号 ，由
功率控制矩
阵产生选通
信号，对其 进行选择性 组合；另一
图 ２ ＰＳＭ 功率控制框图
路控制脉冲
经过延时环节后直接送给驱动电路。延时环节的作
用是补偿因分频及选通所产生的硬件延时，以使各
控制脉冲到达驱动电路的时刻一致。
电流采样用以采集逆变桥的输出电流，获得
负载谐振的状态及过零信息，以此来跟踪负载的
（上接第 ８５ 页） ２ＳＤ３１５Ａ 采用脉冲变压器进行电气 减小了 ＩＧＢＴ 的开关损耗，提高了整机的功率因数。
隔离，由逻辑驱动接口 ＬＤＩ、智能门极驱动 ＩＧＤ 和 研究的 ＰＳＭ 感应加热电源已用于汽车配件的热处
ＤＣ／ＤＣ 变换器 ３ 个功能单元组成。一个 ＬＤＩ 驱动两 理中，节能效果显著。
由控制矩阵产生相应的选通信号，允许或禁止相应
的脉冲码输出，再由或门将所有状态送出，允许或禁
止控制脉冲输出。如控制值为 ２５％，则控制码为
１０００，相应的控制矩阵输出选通信号为 １，５，９，１３，
即允许控制周期内 １６ 个脉冲的第 １，５，９，１３ 号输
出，而其它脉冲均被禁止。
ＰＳＭ 功率控制串联谐振式感应加热电源的逆变
驱动电路，设计出感应加热电源，该电源已用于汽车配件热处理。逆变器采用全桥串联谐振式逆变电路，具有逆变和
功率调节两个功能。逆变器的开关管按照 ＰＳＭ 的控制策略实现了功率控制。逆变器自动跟踪负载谐振频率，控制开
关管在零电压开通和零电流关断，实现 ＺＣＳ 和 ＺＶＳ 软开关，大大减小了开关器件的功率损耗，逆变器的输出功率因
由 ｆｏ＝１（／ ２π!ＬｏＣｏ ）可得所需谐振电容 Ｃｏ＝ （１／Ｌｏ）"１／２πｆｏ #２＝０．３１７μＦ。由于输出变压器为单相， 其额定电流近似为 Ｉｅ＝Ｐｏ ／Ｕｓ＝４５／０．５＝９０Ａ。
主功率开关管 ＩＧＢＴ 的峰值电流 Ｉｍ＝ ! ２ Ｉｅ ／α， 其中 α由逆变器输出电压的占空比 Ｄ 决定，影响 Ｄ 的主要原因是死区时间，一般 α选 ０．８，Ｉｍ＝１５９Ａ， ＩＧＢＴ 的电流额定值选为 ２００Ａ。主开关管的耐压为： ＵＭ ＝２ＵｅＭ ＝１０７４Ｖ， 可 选 ＩＧＢＴ 的 电 压 额 定 值 为 １２００Ｖ。谐振回路的品质因数 Ｑ＝４．１８。谐振电容的耐 压 ＵＣＭ＝ＱＵＭ＝２２４５Ｖ，可取 ＵＣＭ＝３０００Ｖ。
进行选通，然后把这 ２ｎ 个经过选通的脉冲综合后送
到与门，即可实现脉冲的选择控制。例如对于一个
ｎ ＝４ 的 实
际应用系
统，一个控
制周期内
的控制脉
冲 为 １６
个 ， 这 １６
图 ３ 逆变器控制电路框图
个脉冲经过编码分别为 ０，１，２，…，１５，控制信号经
过 Ａ／Ｄ 转换后，产生 ４ 分频 ４ 位控制值码，该码经
ＳＨＥＮ Ｊｉｎ－ｆｅｉ，ＳＨＡＮ Ｇｕａｎｇ－ｗｅｉ，ＹＡＮ Ｗｅｎ－ｘｕ，ＨＵＩ Ｊｉｎｇ
（Ｓｏｕｔｈｅｒｎ Ｙａｎｇｔｚｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｗｕｘｉ ２１４１２２， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒ ａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ａ ｋｉｎｄ ｈｉｇｈ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｈｅａｔｉｎｇ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ ｐａｒｔｓ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ，ｗｈｉｃｈ ｗａｓ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｐｕｌｓｅ ｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ．２ＳＤ３１５Ａ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｄｒｉｖｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｆｕｌｌ ｂｒｉｄｇｅ ｓｅｒｉｅｓ ｒｅｓｏｎａｎｔ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｗａｓ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ＰＳＭ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ，ｉｎ ｔｈｉｓ ｗａｙ， ｔｈｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｅｘｅｃｕｔｅｄ ｂｏｔｈ ｉｎｖｅｒｔｉｎｇ ａｎｄ ｐｏｗｅｒ ａｄｊｕｓｔｉｎｇ．Ｔｈｅ ＰＳＭ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｉｓ ｃａｐａｂｌｅ ｏｆ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｌｏａｄ ｒｅｓｏｎａｎｔ ｆｒｅ－ ｑｕｅｎｃｙ ａｕｔｏｍａｔｉｃｌｌｙ，ｐｅｒｆｏｒｍｉｎｇ ｂｏｔｈ ＺＶＳ ａｎｄ ＺＣＳ ｉｎ ａｌｌ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ｔｈｉｓ ｒｅｓｕｌｔｓ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｉｎ ａ ｇｒｅａｔ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｓｗｉｔｃｈ－ｉｎｇ ｌｏｓｓｅｓ ｗｉｔｈ ｕｎｉｔｙ ｐｏｗｅｒ ｆａｃｔｏｒ ｂｕｔ ａｌｓｏ ｉｎ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ：ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｈｅａｔｉｎｇ；ｃｏｎｔｒｏｌ；ＰＳＭ
本文采用一种脉冲均匀密度调制（Ｐｕｌｓｅ Ｓｙｍ－ ｍｅｔｒｉｃａｌ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ，简称 ＰＳＭ）功率控制感应加热 电源，对逆变器的开关周期进行均匀时序调制，逆变 器承担逆变和功率调节两个任务，即使在轻载情况 下，也能使逆变器的输出电流波形峰值波动很小，而 且开关管工作在零电流关断（ＺＣＳ）、零电压开通 （ＺＶＳ）状态。ＰＳＭ 功率控制高频感应加热电源已成 功用于汽车配件的热处理中。
１引言
目前，感应加热电源主要采用调频、调压、移相和 脉冲密度调制（ＰＤＭ）方式来实现输出功率的调整。改 变逆变器的输出频率实现输出功率调节，是目前普遍 采用的一种功率调节方式［１］，但其缺点是逆变器的负 载为感性，特别是轻载时逆变器输出功率因数低，开 关损耗大；改变逆变器的输入直流电压实现输出功率 调节，逆变器的输出频率固定，目前主要采用晶闸管 可控整流电路调压和直流斩波调压，但其主要缺点是 输入功率因数低，ＥＭＩ 大，开关损耗大［２］；近年来研究 的零电压 ＰＷＭ 移相全桥 ＤＣ／ＡＣ 逆变器［３，４］，通过改变 逆变器的脉冲宽度实现输出功率调节，但其存在内部 环流使导通损耗增大，难以适用于轻载情况；采用 ＰＤＭ 方式实现输出功率调节，因其输出频率固定［５］， 利用串联谐振负载的储能，对逆变器的开关进行间断 控制，调节间断周期的大小，以达到功率调节的目的， 但其主要缺点是轻载时的间断时间长，逆变器的输出 电流波形峰值波动很大，甚至出现电流断续。
ＶＴ１～ＶＴ４—— —主开关 ＩＧＢＴ
Ｌｏ— ——感应线圈
ＶＤ１～ＶＤ４—— —反并联二极管 Ｃｏ—— —串联谐振电容
Ｃ１～Ｃ４—— —并联吸收电容 Ｔｏ—— —输出变压器
ＰＳＭ功率控制大功率感应加热电源及应用
设计的感应加热电源基本参数：感应加热电源 的输出功率为 ４５ｋＷ，输出频率为 ２０ｋＨｚ，输入电源 为三相交流 ３８０Ｖ／５０Ｈｚ，负载等效电感 Ｌｏ＝２００μＨ， 负载等效电阻为 ６Ω。
器采用单相全桥逆变电路，ＶＴ１，ＶＴ２ 为功率控制主开 关，根据输出功率的大小进行控制，ＶＴ３，ＶＴ４ 按常规 ＰＷＭ 控制。ＶＴ２ 工作时，４ 个开关管与常规全桥串联 谐振式逆变器一样交替工作。当逆变器工作在 ５０％功
率以下时，
ＶＴ２ 不 工 作，逆变器
工作在半
桥方式，
ＶＴ１ 驱 动 信号按
ＰＳＭ 规 律
参考文献
５ 试验结果及结论
第 ４０ 卷第 ２ 期 ２００６ 年 ４ 月
电力电子技术 Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ
ＰＳＭ功率控制大功率感应加热电源及应用
沈锦飞，单广伟，颜文旭，惠 晶
（江南大学，江苏 无锡 ２１４１２２）
Ｖｏｌ．４０，Ｎｏ．２ Ａｐｒｉｌ，２００６
摘要：采用一种脉冲均匀密度调制（Ｐｕｌｓｅ Ｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ，简称 ＰＳＭ）功率控制逆变器和 ２ＳＤ３１５Ａ 集成
Ｖｏｌ．４０，Ｎｏ．２ Ａｐｒｉｌ，２００６
设计指标。由图还可见，ｅ曲线不在零线上，这表明系 源响应速度。试验结果表明，在此选择的电路拓扑结构
统存在一个固定误差，但该误差对系统整体性能已 和电路参数是可行的，达到了 ＣＳＲ 的要求。目前，同规
无重大影响，若需要，可通过调节反馈信号和给定信 格的 ８ 台电源已生产完毕，正在进行联调。这项研究工
现逆变器的输出功率控制。
４ 驱动电路
２ＳＤ３１５Ａ 是 ＣＯＮＣＥＰＴ 公司的一种集成度很高
的驱动器，与 ＥＸＢ 系列驱动器相比，具有驱动能力
强，反向栅压足够大，可方便地通过改变外接参考电
阻来调整保护动作的阈值电压等优点。（下转第 ９２ 页） ８５
第 ４０ 卷第wenku.baidu.com２ 期 ２００６ 年 ４ 月
电力电子技术 Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ
２ 主电路设计
图 １ 示出 ＰＳＭ 功率控制感应加热电源的主电 路。它采用三相不可控整流电路，采用负载串联谐振 型单相桥式逆变器。
定稿日期：２００５－ ０９－ １５ 作者简介：沈锦飞（１９５５－ ），男，江苏启东人，硕士，教授，硕
士生导师，研究方向为电力电子与电力传动。
８４
图中
图 １ ＰＳＭ 功率控制感应加热电源主电路
整流二极管的额定电流 ＩＦ＝２Ｐｏ／! ３ Ｕｓη＝１５２Ａ， 可取整流二极管模块的 ＩＦ＝２００Ａ；额定电压 ＵＭ＝２ＵｅＭ＝ １０７４Ｖ，可取整流二极管模块的 ＵＭ＝１２００Ｖ。
３ ＰＳＭ 功率控制的实现
图 ２ 示出 ＰＳＭ 功率控制框图。实际应用电路 中，由专用芯片完成 ＰＷＭ 的产生，输出控制脉冲分 为两路，一路作为 ｎ 个不同周期的计数器的共同时 钟，经过 ２１，２２，…，２ｎ 分频后成为不同周期的控制使
数接近 １，提高了整机的效率。
关键词：感应加热；控制；脉冲调制
中图分类号：ＴＭ９２４．５，ＴＮ７８７
文献标识码：Ａ
文章编号：１０００－ １００Ｘ（２００６）０２－ ００８４－ ０２
Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ＰＳＭ Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｈｅａｔｉｎｇ Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ ｉｎ Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ Ｐａｒ ｔｓ Ｈｅａｔ Ｔｒ ｅａｔｍｅｎｔ
个通道。ＬＤＩ 对加到输入端的 ＰＷＭ 信号进行编码，
以通过脉冲变压器传输；ＩＧＤ 对通过脉冲变压器传
来的信号进行解码和放大，并检测 ＩＧＢＴ 过流和短
路状态，产生响应和封锁时间，同时输出状态信号
到 控 制 单 元 ＬＤＩ；ＤＣ／ＤＣ 变 换 器 为 各 驱 动 通 道 提
供＋１５Ｖ 电源。
２ＳＤ３１５Ａ 的外围电路由信号输入端保护与输
［２］ 张占松，蔡宣三．开关电源的原理与设计［Ｍ］．北京：电子工 业出版社，１９９８．
调节器，精心设计输出滤波参数等措施，大大加快了电 ［３］ 郑 机．直流稳定电源［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９８５．
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调节，逆变
器的输出
功率在零
到 ５０％ 满
功率之间
调节。当逆
图 ４ ＶＴ１ 的驱动信号
变器工作在 ５０％功率以上时，ＶＴ２ 工作，逆变器工作
在全桥方式，ＶＴ１ 驱动信号按 ＰＳＭ 规律调节，图 ４ 示
出 ＶＴ１ 的驱动信号。逆变器的输出功率在 ５０％到满功
率之间调节。这样，只要控制 ＶＴ１ 一个开关管，就能实