[硕士论文精品]并联谐振高频逆变电源的研究.pdf
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1、摘要 摘要 本文以高频感应加热逆变电源为研究对象,以I G B T 为开关器件,采用并联型谐振 逆变拓扑,完成2 0 k H z 4 0 k W 并联型高频感应加热逆变电源的设计。 文中回顾了感应加热技术的发展史,介绍了相关的基本知识,同时对电力电子器件 的发展以及感应加热电源的发展状况做了总结。描述了并联谐振逆变器的调功方法。分 析了感应加热电源常用的两种拓扑结构,并联型谐振逆变器的工作原理。 通过对并联型谐振逆变器各种工作状态的分析,得出其必须工作在容性近谐振状态 下才是安全可靠的结论。通过采用锁相环技术实现了逆变器工作频率的自动跟踪和容性 逆变角度的控制,提出了一种他激转自激方法。设计了
2、适用于并联谐振型逆变器的I G B T 驱动与保护电路。给出了整流控制电路,逆变控制策略及电路,I G B T 驱动电路,过压过 流保护电路。 关键词:感应加热;并联谐振;重叠时间:I G B T 驱动;保护电路 A b s t r a c t A b s t r a c t 1 h i sp a p e rh a sr e s e a r c h e do nh i 曲f i e q u e n c yi n d u c t i o nh e a t i n gp o w e rs u p p l y :A d o p t i n g p a r a l l e lr e s o n a n
3、 tt o p o l o g y ;a2 0 k H z 4 0 k Ws u p p l yh a sb e e nd e s i g n e dw h i c hu s e sp o w e rI G B T a si t ss w i t c h i n gd e v i c e S I ti n t r o d u c e dt h eh i s t o r y 锄dt h eb a s i ck n o w l e d 固eo fi n d u c t i o nh e a t i n gt e c h n o l o g y ,a I l dt h e d e v e l o p
4、 m e n to fp o w e rd e v i c e sa n dt h ei n d u c t i o nh e a t i n g t e c h n o l o g ya r ei n t r o d u c e d 鹊w e l l c o m p a r e st h et 、V ob a s i cr e s o n a n tt o p o l o g i e s 锄dt h ep a r a n e lo n e i sm a i n l yf 0 c u s e d I t sb a s i c p e r l 白锄i n gp r i n c i p l e T
5、 h l 0 u g l lt h ea n a l y s i so fd i f f e r e n to p e r a t i n gs t a t e s , i ti sp o i n t e do u tt h a tac a p a c i t i v e q u a s i r e s o n a n ts t a t ei sas a f ba n de 伍c i e n tw o r k i n gc o n d i t i o nf o rap a r a l l e li n v e r t e r As t a r t i n g m e t h o di sb r
6、 o u 2 h tf o n v a r dw h i c hs w i t c ht h es t a n i n g6 o ms 印a r a t ee x c i t i n gt os e l f e x c i t i n g s u c c e s s 内l l y ;P L L ( P h a S eL o c kL o o p ) t e c h n o l o g yi se m p l o y e dt or e a I i z et h e 舶q u e n c y 仃a c i n g a n dc o n s t a J l tp h a s ea n g l ec
7、 o n t r o l :I G B Td r i v i n ga n dp r o t e c t i v ec i r c u i ts u i t a b l ef 0 r p a r a l l e li n v e r t e ri sd e v e l o p e d ,w h i c hs u c c e s s m l l ys o l v et h ep r o b l e mo f t i m ec o m p e n s a t i n ga n d o v e r l a p p i n gr e g u l a t i o nf o rt h e “V i n g
8、s i 印a l s I t g i V e st h ep o w e rs u p p l yd e s i 萨w h i C h i n c l u d e Sr e c t i 6 e ra n di n v e n e rc o n t r o l ,I G B Td r i v e r 嬲w e l la sp r o t e c t i o nc i r c u i t K e y w o r d s :i n d u C t i o nh e a t i n g ;p a r a l l e lr e s o n a n c e ;o V e r - l a pt i m e
9、; I G B Td r i V i n g ; p r o t e c t i o nc i r c u i t I l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是各人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 签名:翻 日 期: 二oo 八年三月十二日 兰一 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定: 江南大学有权
10、保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件争磁盘,允 许论文被查阅和借阅,可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文, 并且拳人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名: 鲎i 导师签名: 趁维 日 期:二o o 八年三月十二日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 感应加热的概况 感应加热技术是一种先进的加热技术,它具有传统加热方法所不具备的优点因而在 国民经济和社会生活中获得了广泛的应用。此项技术的核心内容之一就是感应加热电源 的研制,电源的性能价格比直接决定了其获得应用的速度与广度,随着电
11、力电子器件制 造技术及其控制技术的逐步成熟,以电力半导体器件为主要元件的固态电源的制造成本 J 下在迅速下降,不断提升其性能水平是这种新技术获得最大限度推广的重要条件。1 8 3 1 年M i h c a e l F a r d a y 发现的电磁感应定律说明,在一个电路围绕的区域内存在交变磁场时, 电路两端就会产生感应电动势,其大小跟穿过这一电路的磁通量的变化率成正比。此定 律是今天感应加热在工业加热方面具体应用的理论基础。利用感应涡流的热效应进行加 热称为感应加热。1 8 6 8 年F o u c u a t l 提出的涡流理论,以及H a e v i s i d e 提出的铁芯中电流 的
12、感生论述了能量由绕组向铁芯传输的问题,使感应加热的应用成为可能。现代感应加 热的主要依据是电磁感应、集肽效应和热传导三项基本理论。1 8 9 0 年瑞典技术人员发明 了第一台有芯熔炼感应炉,1 9 1 6 年美国人发明了闭槽有芯炉,从此感应加热技术逐渐进 入实用化阶段。1 9 2 1 年无心感应炉在美国出现,采用火花式中频电源,后来出现中频机 组电源和现代的晶闸管变频电源。1 9 2 7 年开始采用中频无芯炉炼钢,期间逐渐采用电子 三极管构成的高频电子振荡器进行焊管、淬火等工艺。五十年代末晶闸管的出现在电力 电子学有着十分重要的意义,1 9 5 6 年瑞士、西德研制成功晶闸管中频装置,从此打破
13、了 中频发电机组在中频无心感应炉中的垄断地位。自八十年代开始,一系列新型自关断器 件如:M O S F E T 、I G B T 、S I T 、M C T 等的出现,使电力电子技术向更高频率的应用领域进军。 可以预见,随着高频电力电子技术的迅速发展,当功率器件的技术、容量和价格能够和 高频电子管电源相比时,电力半导体加热电源必将全面取代电子管振荡器。 感应加热是利用处在交变磁场中的导体内产生的涡流和磁滞损耗,作用于金属本体 而引起的热效应,可在极短的时间产生大量的热能,来对金属表面或整体进行加热。 它与传统的加热设备相比具有诸多优点: 加热温度高,速度快、温度容易控制,而且是非接触式加热;
14、加热效率高,节能,整机效率可以达到9 0 左右; 加热速度快,被加热物的表面氧化少; 温度容易控制,容易实现自动控制,产品质量稳定; 能加热形状复杂的工件;工件容易加热均匀,产品质量好。 机械运动、噪声小、负载匹配容易、可以根据负载特性改变频率: 启动停止方便,频率能够自动跟踪以保证最佳的运行状态。 鉴于以上众多优点,感应加热电源已经广泛应用于工业,如:在锻造方面,可对钢材 和钛、镍等稀有金属进行加工预热;在热处理方面,为了加强工件的硬度和韧性,应用 感应加热可对钢材进行透热、表面淬火、穿透淬火、回火:在熔炼方面,通常用感应加 热的方法来熔化优质钢和有色金属;在焊接固压方面,可把金属片涂料抹在
15、金属表面, 江南人学在职人员。学何论文 然后利用感应加热使其熔化镀涂并固化,有些汽车部件的连接也需感应加热电源;在烧 结方面,使用感应加热能在石墨曲颈瓶或感应器中对炭化物加热到2 5 5 0 的高温【I 】。感 应加热技术对国民经济起很大的推动作用。此外小功率感应加热电源也已逐渐进入到家 用生活中,现阶段的热水器、微波炉等都有感应加热产品问世。 1 2 感应加热技术基本原理 感应加热的基本原理可以用电磁感应定理和焦耳一楞次定理来描述:电磁感应定理可 以描述为:当穿过任何闭合回路所限制的面的磁通量随时间发生变化时,在回路上就会 产生感应电势e ,如图l l 所示将一金属导体外面套上一个匝数为N
16、l 的线圈,当交变电流 i l 通入感应圈时,感应圈内就会产生交变磁通巾使感应圈中的工件受到电磁感应而产生感 应电势e 。设工件的等效匝数为N 2 , 夕t 弋 属工件 图卜l 感应加热的工作原理 F i g 1 1T h ep r i n c i p l eo fi n d u c t i O nh e a ti n g 则感应电势e N 2 警 如果磁通是交变的,设= 。s i n 缈t 则 e N 2 警一N 2 M 缈t E 的有效值为E = 4 4 4 f N 2 M 感应电势E 在工件中产生感应电流1 2 ,1 2 使工件内部开始加热, 达式为:O = O 2 4 I :R t (
17、 1 2 ) ( 1 - 3 ) 其焦耳楞次定理的表 ( 1 4 ) 9 一导体所消耗的功率转变成的热量Q I 广通过导体的电流强度 R 导体的电阻 t 电流通过导体的时问 P = E I c o s = 4 4 4 f N 2 M I c o s ( 1 5 ) 感应电势和发热功率不仅与频率和磁场强弱有关,而且与工件的截面大小、截面形状等 有关,还与工件本身的导电、导磁等特性有关。 2 第一章绪论 在感应加热设备存在着三个效应:集肤效应、邻近效应和圆环效应。 集肤效应:当交流电通过导体时,沿导体截面上的电流分布是不均匀的。最大电流 密度出现在导体的表面层,这种电流集聚的现象。交变磁场在导体中
18、感应出的电流办称 为涡流。工件中产生的涡流由于集肤效应,沿横截面由表面至中心按指数规律衰减,工 程上规定:当涡流强度从表面向中心降低到其数值等于最大涡流强度的0 3 6 8 ,该处到表 面的距离5 称为电流透入深度。出于涡流所产生的能量与涡流的平方成乎比,因此由表 面至芯片部热量下降速度要比涡流下降速度快得多,可以认为热量( 8 5 9 0 ) 集中在厚 度为6 的薄层中。 透入深度6 由下式确定: 艿= 5 0 3 0( 1 ,6 ) 式中,p :金属材料的电阻率; p ,:金属材料的相对磁导率; 厂:高频交变电流的频率。 由式( 1 6 ) 可以看出,当材料的电阻率p 、相对磁导率m 确定
19、以后,透入深度6 仅与 频率f 的平方根成反比,此工件的加热厚度可以方便的通过改变频率来加以控制。频率越 高,工件的加热厚度就越薄,这种特性在金属表面热处理中得到了广泛的应用。 感应加热另外涉及到两个重要的电磁现象:邻近效应和圆环效应。所谓邻近效应指的 是两根通有交流电流的导体靠得很近时,在相互影响下,电流要做重新分布。邻近效应 的电流密度分布不仅取决于导体本身的磁场,而且与邻近导体磁场的总作用有关。圆环 效应指的是,将交流电流通过圆环形线圈时,最大电流密度出现在线圈导体的内侧。感 应电炉就是综合利用这几种效应的设备。感应线圈两端加上交流电压,线圈和工件上产 生的电流方向相反,当二者相互靠拢时
20、,线圈和工件表现为邻近效应,结果,线圈电流 集聚在内侧表面,工件电流集聚在外表面。这时,线圈本身表现为圆环效应,而工件本 身表现为集肤效应。 1 3 感应加热电源的研究与发展 1 3 1 感应加热用电力电子器件的发展 经过数十年的发展与应用,感应加热技术取得了不断的进步,以至于整个电力电子 学的产业地位也逐步提高。而固态感应加热技术的核心就是:固态功率器件。固态功率器 件实际上就是以半导体材料构成的功率开关【2 1 。在其发展过程中,始终如的追求目标就 是使固态器件不断接近理想开关的特性: 通态电阻为零,通态电流无穷大; 断态电阻无穷大,阻断电压无限高: 开关过程无延时,开关控制无损耗。 因此
21、固态器件发展的过程,就是不断提高其频率特性和容量,不断降低器件的驱动 损耗、通态损耗和开关损耗。 3 江南人学往职人员学位论文 目前应用于功率变换装置的固态功率器件种类很多,各有优缺。按照门( 栅) 极的控制 特性一般分为两类:半控型器件和全控型器件I 孔。 半控型器件是指第一代固态器件晶闸管及其派生产品,因晶闸管门极只能控制开通, 而不能控制关断,所以称为半控型。1 9 5 7 年,美国研制出世界上第一只普通的( 4 0 0 H z 以 下) 反向阻断型可控硅,后称晶闸管S ( C R ) 。经过6 0 年代的工艺完善和应用开发,到了 7 0 年代,晶闸管己形成从低压小电流到高压大电流的系列
22、产品。在这期问,世界各国还 研制出一系列的派生器件,如不对称晶闸( A S C R ) 、逆导晶闸管( R C T ) 、门极辅助关断晶 闸管( G A l r r ) 、光控晶闸管( L T S C R ) 等等。在感应加热电源中频领域( 1 0 H l ( z 以下) ,晶闸管 仍将是最佳的器件,主要表现在:通态压降很低( 典型值1 I V ) ,通念损耗很小;借助于负载 谐振实现换相关断,而无须强迫换流电路;单机大容量是其它器件无法竞争的;频率特性得 到了充分应用。由晶闸管及其派生器件所构成的各种电力电子装置在工业应用中主要解 决了传统的电能变换装置中所存在的能耗大和装置笨重的问题,因此
23、电能的利用率大大 地提高了,同时也使工业噪声得到一定程度的控制。目前i n t 锄e t 上可以查到的高压大电 流晶闸管有P O w E R E X 推出的用于高压交流开关和静止无功发生器用的1 2 0 0 0 v 1 5 0 0 A 的晶闸管l 钔。 全控型器件是指二十世纪七十年代后期相继出现的各种自关断器件,主要有G T O 、 G T R 、M o S F E T 、I G B T 、S I T 、S I T H 、M C T 等等。自1 9 4 8 年美国贝尔实验室发明了第 一只晶体管以来,经过2 0 多年的努力,到了7 0 年代,用于电力变化的晶体管( G T R ) 已进 入工业应
24、用领域,由于G T R 具有自关断能力且开关速度可达2 0 K H z ,在P w M 技术中一 度得到了广泛的应用,并促使装置性能进一步提高和传统直流电源装置的革新,出现了 所谓的“2 0 千周革命”,但因功率晶体管存在二次击穿、不易并联以及开关频率仍然偏低 等问题,它的应用受到了限制【5 】。 7 0 年代后期,电力半导体器件在高频化进程中一个标志性器件,功率场效应晶体管 ( P o w e r 】M o S F E T ) 开始进入实用阶段。进入8 0 年代,人们又在降低器件的导通电阻、消除 寄生效应、扩大电压和电流容量以及驱动电路集成化等方面进行了大量的研究,取得了 很大的进展。功率场
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