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感应加热电源逆变拓扑结构分析

时间:2014-01-06 16:56来源:洛阳科诺 作者:admin 点击:

感应加热装置的感应器支路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作用的结果,其值受感应器与负载耦合程度的影响。等效感应器支路是一个感性负载,功率因数很低,需加入电容器进行无功补偿,补偿电容器与感应线圈的连接方式有串联和并联两种形式,从而形成两种基本的谐振电路:串连谐振电路、并联谐振电路。下面对串联谐振电路和并联谐振电路进行简要分析。

一、串联谐振逆变器

串联谐振逆变器采用电容与负载串联的逆变电路称为串联谐振逆变器,也称电压谐振型逆变器,其结构如图1所示。此电路具有以下特点:

第一,串联谐振逆变器的开关器件承受的反压比较小。串联谐振逆变器中电流为正弦波,换流时反并联二极管续流,所以开关器件承受的反压仅为反并联二极管的正向导通压降,是非常低的。这一特点正是MOSFET、IGBT等器件要求的。一般这些器件内部都集成有反并联二极管,非常适合于串联谐振逆变器。使用时可以直接使用这些反并联二极管,而无须外加反并联二极管。

第二,串联谐振逆变器起动比较简单。串联谐振逆变器可以自激工作,也可以他激工作。但是,他激工作时如果他激频率和负载谐振频率相差比较大时,就会使无功电流增大,效率变低,输出有功功率减少,功率器件发热就比较严重。

第三,串联谐振逆变器对负载槽路布线工艺要求比较低。在高频线路中,线路对各种分布参数较为敏感,其中比较重要的分布参数之一是引线电感。在工业实际应用中,一般负载总是离电源有一定的距离,即逆变侧负载的两根引出线一般较长。在串联谐振逆变器中,分布电感只会改变串联回路中电感量的大小,而不会影响负载电路的结构。因此串联谐振逆变器对负载槽路布线工艺的要求较低。

第四,串联谐振逆变器采用大电容滤波,当发生上、下桥臂短路故障时,由于电容电压不会突变,因此瞬时放电电流将会很大,远远超出了功率器件的额定电流,如果不能在器件的允许短路时间内将器件关断,就会造成器件的永久损坏。

第五,串联谐振逆变器对负载电路的补偿电容的耐压要求很高,通常电容两端的电压为逆变器直流输入端电压的Q倍,而通常Q值都在3以上,因此对于一个逆变器输出方波电压幅值为几百伏的电源,它所需电容的耐压值就要在千伏以上,而通常这种电容价格较贵或很难买到。必须采取措施来降低补偿电容上的电压,通常需在串联谐振逆变器的输出端接入高频变压器来降低电容电压。

二、并联谐振逆变器

  并联谐振逆变器采用电容与负载并联的逆变电路称为并联谐振逆变器,也称电流谐振型逆变器,其结构如图2所示。此电路具有以下特点:

第一,并联谐振逆变器由于其负载电路的电感、电容本身构成振荡回路,因此它对负载的适应能力强,运行可靠。

第二,并联谐振逆变器换流期间,逆变开关器件有可能承受反压,而用于高频感应加热电源的自关断器件MOSFET或IGBT承受反压的能力低。如果用反并联二极管予以保护,则会出现环流,损坏器件。因此,每一桥臂必须串入与开关器件相同等级的快速恢复整流二极管,以承受反向电压。但是,这会增大各臂的通态损耗。目前国内高压大容量快速恢复整流二极管难以买到,而且价格十分昂贵。

第三,并联谐振逆变器起动比较困难,起动时间较长。并联谐振逆变器一般只能工作在他激状态,当工作频率不等于负载固有谐振频率时,就起动不起来,所以并联谐振逆变器起动前必须预先测定负载固有频率,然后将触发脉冲频率调整到与其近似相等,才能起动。起动后,随着工件温度的升高,负载参数发生变化,负载谐振频率也发生变化,这时如果触发频率不能迅速跟踪谐振频率,将有可能使逆变器停止振荡甚至造成逆变颠覆,这就要求控制电路必须能够快速而稳定的工作,从而增加了控制系统的难度。

第四,在并联谐振逆变器中,逆变侧负载的两根引出线的分布电感将改变负载电路的结构,从而影响逆变器工作。因此,并联谐振逆变器对负载槽路布线工艺的要求较高。

第五,并联谐振逆变器采用大电感进行滤波,在负载发生短路时,由于电感电流不能突变,所以电流上升率得到抑制,保护起来就比较容易,不易损坏功率器件。但在大功率的感应加热电源中,此电感的体积会非常庞大,从而使整个装置的体积增大。

第六,并联谐振逆变器对补偿电容的耐压要求不高,只要达到负载两端正弦电压的峰值即可。市场上也比较容易买到。

三、逆变电路拓扑结构的选择

从上述分析中可以看出,并联谐振逆变器和串联谐振逆变器存在如下差别:

第一,并联谐振逆变器的开关管承受反压比较大;串联谐振逆变器工作时开关管承受的电压仅为二极管正向导通压降。

第二,并联谐振逆变器起动比较困难,这一缺点限制了并联谐振逆变器用于频繁起动的场合;串联谐振逆变器起动比较容易。

第三,并联谐振逆变器对负载槽路的布线工艺要求较高;串联谐振逆变器对负载槽路的布线要求较低。

第四,并联谐振逆变器发生短路故障时比较容易实现保护;串联谐振逆变器发生短路故障时可能会损坏器件,需外部的保护来切断驱动信号使器件关断。

第五,并联谐振逆变器对负载电路的补偿电容的耐压要求不高;串联谐振逆变器对负载电路的补偿电容的耐压要求很高。