高频感应加热原理、电路及应用_电力电子

高频感应加热方式的特点

非接触式加热、加热温度高 加热效率高、节能 加热速度快，被加热物质表面氧化少 温度容易控制，可以局部加热，产品质量稳定 容易实现自动控制 污染少、环保
感应加热电源有主电路和控制及保护电路两大块组成。 主电路由整流器、滤波器、逆变器和负载电路组成。其中整 流滤波发展较为成熟，通常是逆变器、负载阻抗匹配及控制 电路的发展水平限制着感应加热电源的发展。
由于直流电流源采用大电感滤波，大电感能够抑制短路电流的上升，所以 有利于过流保护。由于 IGBT 内部封装有反并联二极管，所以 IGBT 不能承受反 向电压，因此要为每个主开关器件串联一个同等容量的电力二极管以承受换流 后相应桥臂要承受的反压。电路中每个主开关器件都并联有阻容网络构成的保 护电路。
串联谐振电路特点
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由上图可知，负载固有频率不变，改变逆变器开关频率即可改变电 源的输出功率。当 f / f < 1时，逆变器处于容性状态，输出功率随着逆变 器开关频率的增大而增大；当 f / f = 1时，逆变器处于谐振状态，此时逆 变器输出最大功率；当 f / f > 1时，逆变器呈感性，开关频率越大感抗越 大，输出功率减小。所以在逆变器的输入电压恒定时，逆变器的工作频 率越偏离负载谐振频率，负载的等效阻抗越大，则逆变器的输出功率越 小。PFM 就是利用这一原理来调节输出功率的。
降低逆变器的损耗 负载阻抗匹配技术的效率问题 控制电路数字化、智能化发展
电路实现
串联、并联谐振逆变器的拓扑结构
高频感应加热电源的负载可以等效成一个电阻和一个电感串联或 并联的形式。等效的电感、电阻是感应器和负载耦合的结果，其值受耦 合程度的影响。这种负载都是功率因素很低的感性负载；为了提高功率 因数，一般采用增加补偿电容的方法来提高。一般有并联补偿和串联补 偿两种方式，从而形成两种基本的谐振电路：并联谐振电路、串联谐振 电路。
优点：控制电路容易实现，负载适应性号，调节范围宽 缺点：频率变化较小，功率器件的利用率较低，EMI 比较大。
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PFM 法即是一般所说的调频调功，也称为扫频调功。 它是逆变器侧调功模式中最简单的一种。PFM 是通过改变 逆变器的工作频率，从而改变负载输出阻抗以实现调节输 出功率的目的。
f ：逆变器功率管的开关频率， f ：负载的谐振频率 P ：逆变器的输出功率
串联型电路谐振时电源电压都加在负载等效电阻上，电源供给负载的全 都是有功功率。电感和电容上的电压大小相等，而且等于逆变器母线电压的 Q倍，但方向相反，常称此谐振为电压型谐振。而流过补偿电容和感应器上 的电流为逆变器输出电流。 串联型电源的滤波器是通过大电容实现的，逆变器的供电电压不变。如果 同一桥臂出现短路，由此产生的短路电流会对功率器件造成严重损坏。因此 串联逆变器中，同一桥臂的功率管换流时一定遵循“先断后通”的原则，即 在上下桥臂的驱动脉冲之间加入“死区时间”。在这段“死区时间”里，为 了确保无功电流的续流，必须在功率管的两端反并联一个快恢复二极管。
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PFM 调功法最大的优点是不需调压环节，整流电路可以使用二 极管整流，从而简化了设备，使成本得到降低；且 PFM 法的控制 电路的设计较简单，调频部分实现起来较方便，一般是通过检测负 载电流作为反馈量来构成闭环控制的。 PFM调功方式的特点：可以对电源的工作频率、负载电流和电 路的功率因数直接进行控制；而且输出功率也可以不断调整，根本 没有其他调功方式中的功率梯级调节问题；当负载 Q 值很大时，极 小的频率偏移就可在很大范围内对功率进行调节；
带电容缓冲的串联谐振逆变器电路图
逆变侧功率调节方式
脉冲密度调制(PDM) 脉冲宽度调制(PWM) 脉冲频率调制(PFM)
优点：输出频率一般保持不变，功率器件的开关损耗相对 较小，数字化控制容易实现，适合在开环的场合中应用 缺点：逆变器输出频率不完全等于负载固有频率，系统稳定 性比较差。率动态响应不理想，属于有级的调功方式。
并联谐振电路特点
并联型电路谐振时电源的电流全部加在等效电阻上，电感和补偿电容上的 电流是输入电流的Q倍，常把此谐振称作电流型谐振。而补偿电容和感应器上的 电压为逆变器输出电压。
并联谐振电路必须用电流源供电，电流源由整流器和大电感构成。如果并联 型逆变器的上、下桥臂同时断开，则积蓄在大电感中的能量将无处排放，会严重 损害功率器件。因此需在上下桥臂的驱动信号中加入“重叠时间”。在这个时间 内，虽然桥臂处于短路状态，但由于电感的“通直隔交”特性，电流不会突变， 只要换流足够快，就不会对功率器件造成危害。
高频感应加热原理及应用
原理 主要电路 应用
当导体中通过交变电流时,导体周围形成交变磁场,磁场的强 弱直接与电流强度成正比"如果将材料放在高频磁场内,刚磁 力线同样会切割材料,在材料中产生感应电动势,从而产生涡 流"涡流也是高频电流,同样具有高频电流的一些性质"由于 材料具有电阻,结果使材料发热,利用感应涡流的热效应进行 加热,叫感应加热"
串联谐振电路的优点
关断时间短，换流时开关管自然关断 启动较简单、适用于频繁启动场合 感应器与逆变电源可以相距较远，负载分布电感对 输出功率影响较小 对二极管反向恢复速度要求较低 对驱动脉冲要求较低 调功方式
串、并联谐振逆变器电路图
感性负载及容性负载输出电压电流波形
臂间换流 臂内换流
缺点：1.负载谐振回路的 Q 值较小时，逆变器开关频率的变化 会使被加热金属件的集肤深度也随之而变化，在表面淬火等场合中， 这种变化对热处理行业的加热效果有很大的影响。2.负载为低阻抗 时，逆变器功率器件的开关损耗较大
应用领域
感应加热可用于金属熔炼、透热、热处理和焊接等 过程 已成为冶金、国防、机械加工等部门及铸、锻和船 舶、飞机、汽车制造业等不可缺少的能源 感应加热已经不断进入家庭生活中，例如微波炉、 电磁炉、热水器等都可以用感应加热作为能源 感应加热的其它应用：塑料橡胶行业、热粘合行业、 电子工业等