數(shù)字型感應加熱電源方案分享之主電路設計

中頻感應加熱電源在目前的工業(yè)制造領域應用十分廣泛，也是很多工程師和廠家的重點關注方向之一。在今明兩天的方案分享中，我們將會通過一個系列分享的形式，為大家分享一種全新的中頻感應加熱電源設計方案。今天要為大家分享的是這種新型感應加熱電源的主電路設計方案，大家一起來看看吧。

在本文所設計的這種全新的數(shù)字型150kW/10kHz中頻感應加熱電源中，其系統(tǒng)主要采用了IGBT橋式逆變器的串聯(lián)諧振式工作模式。在本方案中，我們在主系統(tǒng)中利用了數(shù)字鎖相環(huán)DPLL技術，不但提高了系統(tǒng)頻率跟蹤的穩(wěn)定性和可靠性，解決了模擬控制中參數(shù)隨溫度漂移的問題，而且還具備控制靈活，電路簡單，高效節(jié)能。

主電路系統(tǒng)

依據目前的市場需求和中頻感應加熱電源的基礎設計需要，在本方案中，我們所設計的感應加熱設備主電路系統(tǒng)中，額定輸出功率P=150kW，輸出頻率10kHz，輸入電壓為三相AC380V。依據逆變原理和傳統(tǒng)模擬系統(tǒng)存在的缺欠，我們設計了一種10kHz/150kW串聯(lián)諧振感應加熱電源設備的主電路，這一系統(tǒng)采用電流調節(jié)和功率調節(jié)組成雙閉環(huán)功率控制電路，具有調壓范圍寬、輸出穩(wěn)定性好等優(yōu)點。

圖1 10kHz/150kW的感應加熱電源主電路

在上述要求和設計思路下，我們所完成的數(shù)字式中頻感應加熱系統(tǒng)的主電路結構，如上圖1所示。從圖1中我們可以看到，在這一主電路系統(tǒng)中，三相AC380V/50Hz經進線電抗器后加到三相不可控整流橋，輸出的直流電壓Ud經電解電容Cd濾波成平直的電壓，通過直流斬波功率控制電路后，再加到由四個IGBT和四個反并聯(lián)二極管組成的單相全橋逆變器。逆變器輸出的電壓U0經中頻變壓器T隔離并降壓后送到由補償電容C0和負載感應器組成的串聯(lián)諧振電路的兩端。

在這一基于DSP的數(shù)字式中頻感應加熱系統(tǒng)中，我們所設計的這一整流電路采用三相不控橋，不需要額外的控制電路與晶閘管相控整流電路相比較，提高了功率因數(shù)，減小了輸入側的EMI，且其輸出電壓值適中穩(wěn)定。由于采用了負載諧振技術，因此為保證主開關管工作于準零電流狀態(tài)(ZCS)，輸出功率的調節(jié)只能依靠改變逆變橋的供電電壓來實現(xiàn)，即在直流側采用Buck斬波電路通過改變占空比D的大小來調節(jié)直流輸出電壓，實現(xiàn)對輸出功率的調節(jié)。在開關管VT0導通期間，二極管D0反偏，輸入提供能量給電感，同時提供能量給負載。當開關管關斷時，電感電壓使二極管D5導通，電感中存儲的能量傳送給負載。采用電感L1和電容Cd0組成低通濾波器可以得到平穩(wěn)的輸出電壓Udo，此方法控制簡單方便，且工作頻率與諧振頻率可以同步，功率因數(shù)高，無功損耗小。

在圖1所展示的這一10kHz/150kW的感應加熱電源主電路系統(tǒng)中，我們可以非常清晰的看到，該系統(tǒng)中的逆變電路是由全控器件IGBT模塊構成的串聯(lián)諧振式逆變器。在這里我們選用西門子BSM300GB120B進行兩單元并聯(lián)，兩組全控器件VT1、VT4和VT2、VT3交替導通。輸出負載所需要的中頻交流電壓U0，由于串聯(lián)諧振式逆變器的直流電源回路存在無功電流。該無功電流隨逆變器的輸出功率因數(shù)減小而增大。因此，需并接高頻濾波電容器Cd0流通無功電流。IGBT逆變器控制方式是采用移相控制兩個半橋電路，各自按照180°方波控制(上下兩個橋臂互補通斷)。但兩半橋的控制方波在相位上相差一定角度θ(0°≤θ小于等于180°)負載上得到輸出電壓波形為正負對稱θ寬的方波。

在這一中頻感應加熱電源的主電路系統(tǒng)設計過程中，為了有效減小逆變管的開關損耗，我們所設計的逆變器的工作頻率應當大于其諧振頻率。若逆變器的工作電壓不變，則在諧振點附近的輸出功率最大。當提高逆變器工作頻率時，負載等效阻抗增高，輸出功率減小，輸出功率因數(shù)很低，而且逆變器主開關管工作在硬開關狀態(tài)，開關損耗大，效率低。

在本方案中，我們所設計的這一數(shù)字式中頻感應加熱電源主電路系統(tǒng)，其逆變電源選擇采用串聯(lián)諧振式全橋DC/AC逆變電路，并選擇以IGBT為主開關器件，由電流調節(jié)和功率調節(jié)組成雙閉環(huán)的PWM直流斬波器進行功率調節(jié)。該逆變電源系統(tǒng)采用數(shù)字頻率跟蹤技術控制逆變器的工作頻率，使逆變器始終工作于諧振狀態(tài)，逆變器輸出功率因數(shù)接近于1，而且IGBT能始終工作在準零電流開關狀態(tài)，整機工作效率較高。