一款并聯(lián)諧振逆變電源的設計方案
在現代工業(yè)的金屬熔煉、彎管，熱鍛，焊接和表面熱處理等行業(yè)中，感應加熱技術(shù)被廣泛應用。感應加熱是根據電磁感應原理，利用工件中渦流產(chǎn)生的熱量對工件進(jìn)行加熱的，具有加熱效率高，速度快，可控性好，易于實(shí)現高溫和局部加熱，易于實(shí)現機械化和自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)。隨著(zhù)電力電子學(xué)及功率半導體器件的發(fā)展，感應加熱電源基本拓撲結構經(jīng)過(guò)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電路組成。逆變器在感應加熱電源中起著(zhù)十分重要的作用，根據逆變器的特點(diǎn)，逆變電源又分為串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振兩種。本文提出了一種應用于感應加熱的并聯(lián)諧振逆變電源設計方案，針對其主電路、斬波電路及逆變器控制電路等進(jìn)行了分析和設計。
電路構成及設計
電源的系統框圖為圖1所示，三相交流電壓通過(guò)不控整流及濾波電路后轉換為直流電壓，該電壓被送到直流斬波器進(jìn)行斬波調節，變?yōu)楣β士烧{節的近似恒流源后輸入逆變器，之后控制感應加熱負載。直流斬波控制部分則通過(guò)傳感器檢測斬波輸出的電流信號，經(jīng)PI調節器，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)諧振逆變器和負載匹配電路四部分組成（圖2）。
這里采用不控整流加斬波構成直流電流源，主要是考慮到其具有保護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(guò)IGBT的正向電流也將全部通過(guò)串聯(lián)二極管，這就要求串聯(lián)二極管能夠通過(guò)很大的正向電壓和承受很高的反向電壓，因此VD1~VD4選用的是快速恢復二級管。逆變器通過(guò)半導體開(kāi)關(guān)有規律地切換，在負載側得到一定頻率的交流電流，其頻率由開(kāi)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，負載對基波分量呈高阻，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)現是通過(guò)控制IGBT（圖2中VT管）的導通來(lái)控制電流的大小，從而間接控制功率。在穩態(tài)運行過(guò)程中，為實(shí)時(shí)了解負載的變化，需從諧振回路中反饋電流的變化，通過(guò)與基準值比較獲得占空比的大小。圖1系統框圖中的電流檢測可選用霍爾電流傳感器，檢測逆變器直流母線(xiàn)輸入電流的大小�？刂齐娐凡捎肞I調節器，由運放與電阻、電容等元件構成，可將檢測電流與設定電流比較，只要反饋和設定有偏差，就可通過(guò)調節，使反饋向設定值逼近直至等于設定值，從而實(shí)現無(wú)差調節，提高系統穩定性。PWM脈寬控制選用TL494，它是一種應用廣泛的PWM控制芯片，具有抗干擾能力強、結構簡(jiǎn)單、可靠性高以及價(jià)格便宜等特點(diǎn)。在本設計中具體電路如圖3所示：輸入（即PI調節輸出）自1腳引入，引腳13接低電平，PWM脈沖信號從8腳輸出，經(jīng)驅動(dòng)模塊放大后觸發(fā)斬波器元件IG- BT的導通。
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)生大的感應電勢，電流必須是連續的，因此要保證逆變器在換流時(shí)，VT1、VT3和VT2、VT4兩組橋臂應遵循先開(kāi)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，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(guò)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接近或等于1的準諧振或諧振狀態(tài)，以實(shí)現逆變器件的零電壓換流。圖5顯示了逆變器觸發(fā)控制電路的構成。對逆變電源的負載正弦電壓采作為鎖相環(huán)PLL的輸入參考電壓�？紭�、過(guò)零比較，得到U1（t），慮到觸發(fā)，驅動(dòng)電路和開(kāi)關(guān)器件的延時(shí)等情況，在PLL內部加入了相位補償電路，構成無(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U1（t）可實(shí)現零相位差，驅動(dòng)輸出即可實(shí)現圖4中逆變器VT1~VT4的觸發(fā)脈沖波形。
IGBT驅動(dòng)與保護電路
本電源采用IGBT作為逆變開(kāi)關(guān)和直流斬波器件，雖然具有電流容量大、驅動(dòng)功率小、開(kāi)關(guān)頻率高等優(yōu)點(diǎn)，但IGBT過(guò)流過(guò)壓能力相對晶閘管較弱，尤其是其承受反壓能力更加脆弱。因此IGBT驅動(dòng)及保護電路性能的好壞直接影響到電源運行的可靠性和高效性。本設計中IGBT的驅動(dòng)采用日本富士公司EXB系列的EXB841集成化驅動(dòng)電路，它適合驅動(dòng)300A/1200V以下的IGBT，其最高工作頻率為40kHz.
圖6為IGBT驅動(dòng)保護電路，當IGBT在發(fā)生故障或調試時(shí)出現過(guò)電流或短路的情況，可通過(guò)EXB841驅動(dòng)電路內部設有電流保護功能進(jìn)行保護，EXB841判斷過(guò)流的依據是檢測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)快速恢復二極管EAR34-10，該二極管正向導通壓降為3V，反向恢復時(shí)間150ns.可以有效地提高EXB841對過(guò)流判斷的靈敏度，增強保護能力。為防止IGBT受外界干擾使柵射電壓過(guò)高引起器件誤導通，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)的穩壓管。
在設計中同時(shí)還加入了RS觸發(fā)器：當IGBT發(fā)生過(guò)流時(shí)，EXB841的5腳電平為低，RS觸發(fā)器的S端變?yōu)楦唠娖�，輸出端Q輸出高電平，經(jīng)過(guò)三極管輸出的本地過(guò)流信號為低，此電平加到與門(mén)上可封鎖EXB841的輸入信號，達到及時(shí)撤出柵極信號、保護IGBT的目的。
另外一個(gè)可封鎖EXB841的輸入的信號為母線(xiàn)過(guò)流信號，如圖7，當逆變器輸出端負載短路、逆變驅動(dòng)電路工作不正�；驌Q流失敗時(shí)，均會(huì )引起短路過(guò)流。通過(guò)霍爾電流傳感器監視逆變器輸入的直流母線(xiàn)的電流，轉換成電壓信號，送入高速比較器與基準電壓相比較，當超過(guò)基準電壓時(shí)，表示有母線(xiàn)有過(guò)流情況發(fā)生，過(guò)流保護動(dòng)作。比較器輸出高電平，三極管導通，則輸出為低，實(shí)現可靠的過(guò)流保護。
結束語(yǔ)
本設計的PWM斬波功率調節電路中運用PI調節閉環(huán)控制能夠提高系統的工作穩定性。鎖相環(huán)逆變器頻率跟蹤電路的設計，可實(shí)現在加熱過(guò)程中負載參數變化時(shí)對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)，保證逆變器的運行安全。
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