一款并聯(lián)諧振逆變電源的設(shè)計(jì)方案

前言

在現(xiàn)代工業(yè)的金屬熔煉、彎管，熱鍛，焊接和表面熱處理等行業(yè)中，感應(yīng)加熱技術(shù)被廣泛應(yīng)用。感應(yīng)加熱是根據(jù)電磁感應(yīng)原理，利用工件中渦流產(chǎn)生的熱量對(duì)工件進(jìn)行加熱的，具有加熱效率高，速度快，可控性好，易于實(shí)現(xiàn)高溫和局部加熱，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)。隨著電力電子學(xué)及功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展，感應(yīng)加熱電源基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)經(jīng)過不斷的完善，一般由整流器、濾波器、逆變器及一些控制和保護(hù)電路組成。逆變器在感應(yīng)加熱電源中起著十分重要的作用，根據(jù)逆變器的特點(diǎn)，逆變電源又分為串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振兩種。本文提出了一種應(yīng)用于感應(yīng)加熱的并聯(lián)諧振逆變電源設(shè)計(jì)方案，針對(duì)其主電路、斬波電路及逆變器控制電路等進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)。

電路構(gòu)成及設(shè)計(jì)

電源的系統(tǒng)框圖為圖1所示，三相交流電壓通過不控整流及濾波電路后轉(zhuǎn)換為直流電壓，該電壓被送到直流斬波器進(jìn)行斬波調(diào)節(jié)，變?yōu)楣β士烧{(diào)節(jié)的近似恒流源后輸入逆變器，之后控制感應(yīng)加熱負(fù)載。直流斬波控制部分則通過傳感器檢測(cè)斬波輸出的電流信號(hào)，經(jīng)PI調(diào)節(jié)器，控制PWM的輸出脈寬，從而改變斬波輸出電流的大小，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。逆變器控制部分采用鎖相環(huán)頻率跟蹤電路控制逆變器的工作頻率，產(chǎn)生高頻觸發(fā)脈沖，驅(qū)動(dòng)逆變電路中功率器件的通斷。

主電路

并聯(lián)諧振逆變電源的主電路由三相不控整流橋、直流斬波器、電流源并聯(lián)諧振逆變器和負(fù)載匹配電路四部分組成（圖2）。

這里采用不控整流加斬波構(gòu)成直流電流源，主要是考慮到其具有保護(hù)速度快以及高頻斬波帶來(lái)的濾波器尺寸小等優(yōu)點(diǎn)。斬波器和逆變器中的主功率器件（VT與VT1、VT2、VT3、VT4）均采用IGBT管。逆變器橋臂的每一個(gè)IGBT上均串聯(lián)一個(gè)二極管，通過IGBT的正向電流也將全部通過串聯(lián)二極管，這就要求串聯(lián)二極管能夠通過很大的正向電壓和承受很高的反向電壓，因此VD1~VD4選用的是快速恢復(fù)二級(jí)管。逆變器通過半導(dǎo)體開關(guān)有規(guī)律地切換，在負(fù)載側(cè)得到一定頻率的交流電流，其頻率由開關(guān)的動(dòng)作頻率決定，由于是電流源供電，逆變器輸出電流近似為方波，負(fù)載對(duì)基波分量呈高阻，壓降較大，而三次及三次以上諧波產(chǎn)生的壓降較小，可近似認(rèn)輸出電壓（即電容C兩端電壓）為正弦波。

PWM斬波控制

斬波的實(shí)現(xiàn)是通過控制IGBT（圖2中VT管）的導(dǎo)通來(lái)控制電流的大小，從而間接控制功率。在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過程中，為實(shí)時(shí)了解負(fù)載的變化，需從諧振回路中反饋電流的變化，通過與基準(zhǔn)值比較獲得占空比的大小。圖1系統(tǒng)框圖中的電流檢測(cè)可選用霍爾電流傳感器，檢測(cè)逆變器直流母線輸入電流的大小?？刂齐娐凡捎肞I調(diào)節(jié)器，由運(yùn)放與電阻、電容等元件構(gòu)成，可將檢測(cè)電流與設(shè)定電流比較，只要反饋和設(shè)定有偏差，就可通過調(diào)節(jié)，使反饋向設(shè)定值逼近直至等于設(shè)定值，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)差調(diào)節(jié)，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。PWM脈寬控制選用TL494，它是一種應(yīng)用廣泛的PWM控制芯片，具有抗干擾能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高以及價(jià)格便宜等特點(diǎn)。在本設(shè)計(jì)中具體電路如圖3所示：輸入（即PI調(diào)節(jié)輸出）自1腳引入，引腳13接低電平，PWM脈沖信號(hào)從8腳輸出，經(jīng)驅(qū)動(dòng)模塊放大后觸發(fā)斬波器元件IG- BT的導(dǎo)通。

逆變器觸發(fā)控制

并聯(lián)諧振逆變器的觸發(fā)控制中，為避免大電感Ld上產(chǎn)生大的感應(yīng)電勢(shì)，電流必須是連續(xù)的，因此要保證逆變器在換流時(shí)，VT1、VT3和VT2、VT4兩組橋臂應(yīng)遵循先開通后關(guān)斷的原則，即要求兩組橋臂的觸發(fā)脈沖有重疊區(qū)，這點(diǎn)與串聯(lián)諧振逆變器有較大不同。圖4是逆變器觸發(fā)脈沖的波形。

加熱工件在加熱過程中會(huì)引起諧振頻率的變化，為使逆變器可靠工作，逆變器需要始終工作在功率因數(shù)接近或等于1的準(zhǔn)諧振或諧振狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)逆變器件的零電壓換流。圖5顯示了逆變器觸發(fā)控制電路的構(gòu)成。對(duì)逆變電源的負(fù)載正弦電壓采作為鎖相環(huán)PLL的輸入?yún)⒖茧妷?。考樣、過零比較，得到U1（t），慮到觸發(fā)，驅(qū)動(dòng)電路和開關(guān)器件的延時(shí)等情況，在PLL內(nèi)部加入了相位補(bǔ)償電路，構(gòu)成無(wú)相差鎖相環(huán)電路。鎖相環(huán)的輸出電由U2（t）產(chǎn)生的Ⅰ、Ⅱ兩路壓U2（t）與輸入U(xiǎn)1（t）可實(shí)現(xiàn)零相位差，驅(qū)動(dòng)輸出即可實(shí)現(xiàn)圖4中逆變器VT1~VT4的觸發(fā)脈沖波形。

IGBT驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路

本電源采用IGBT作為逆變開關(guān)和直流斬波器件，雖然具有電流容量大、驅(qū)動(dòng)功率小、開關(guān)頻率高等優(yōu)點(diǎn)，但I(xiàn)GBT過流過壓能力相對(duì)晶閘管較弱，尤其是其承受反壓能力更加脆弱。因此IGBT驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路性能的好壞直接影響到電源運(yùn)行的可靠性和高效性。本設(shè)計(jì)中IGBT的驅(qū)動(dòng)采用日本富士公司EXB系列的EXB841集成化驅(qū)動(dòng)電路，它適合驅(qū)動(dòng)300A/1200V以下的IGBT，其最高工作頻率為40kHz.

圖6為IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路，當(dāng)IGBT在發(fā)生故障或調(diào)試時(shí)出現(xiàn)過電流或短路的情況，可通過EXB841驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)部設(shè)有電流保護(hù)功能進(jìn)行保護(hù)，EXB841判斷過流的依據(jù)是檢測(cè)IGBT的集-射極間的電壓，這里在IGBT集電極與EXB841的6腳間串聯(lián)一個(gè)快速恢復(fù)二極管EAR34-10，該二極管正向?qū)▔航禐?V，反向恢復(fù)時(shí)間150ns.可以有效地提高EXB841對(duì)過流判斷的靈敏度，增強(qiáng)保護(hù)能力。為防止IGBT受外界干擾使柵射電壓過高引起器件誤導(dǎo)通，尤其是在有上下橋臂的變換器或逆變器中，易造成同臂短路。在柵射極并接一電阻RGE，并在柵射極間并接2只反向串聯(lián)的穩(wěn)壓管。

在設(shè)計(jì)中同時(shí)還加入了RS觸發(fā)器：當(dāng)IGBT發(fā)生過流時(shí)，EXB841的5腳電平為低，RS觸發(fā)器的S端變?yōu)楦唠娖剑敵龆薗輸出高電平，經(jīng)過三極管輸出的本地過流信號(hào)為低，此電平加到與門上可封鎖EXB841的輸入信號(hào)，達(dá)到及時(shí)撤出柵極信號(hào)、保護(hù)IGBT的目的。

另外一個(gè)可封鎖EXB841的輸入的信號(hào)為母線過流信號(hào)，如圖7，當(dāng)逆變器輸出端負(fù)載短路、逆變驅(qū)動(dòng)電路工作不正?；驌Q流失敗時(shí)，均會(huì)引起短路過流。通過霍爾電流傳感器監(jiān)視逆變器輸入的直流母線的電流，轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，送入高速比較器與基準(zhǔn)電壓相比較，當(dāng)超過基準(zhǔn)電壓時(shí)，表示有母線有過流情況發(fā)生，過流保護(hù)動(dòng)作。比較器輸出高電平，三極管導(dǎo)通，則輸出為低，實(shí)現(xiàn)可靠的過流保護(hù)。

結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)的PWM斬波功率調(diào)節(jié)電路中運(yùn)用PI調(diào)節(jié)閉環(huán)控制能夠提高系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性。鎖相環(huán)逆變器頻率跟蹤電路的設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)在加熱過程中負(fù)載參數(shù)變化時(shí)對(duì)諧振工作頻率的自動(dòng)跟蹤，使逆變器工作在容性近諧振狀態(tài)，保證逆變器的運(yùn)行安全。