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前言
在現代工業的金屬熔煉、彎管，熱鍛，焊接和表面熱處理等行業中，感應加熱技術被廣泛應用。感應加熱是根據電磁感應原理，利用工件中渦流產生的熱量對工件進行加熱的，具有加熱效率高，速度快，可控性好，易於實現高溫和局部加熱，易於實現機械化和自動化等優點。隨著電力電子學及功率半導體器件的發展，感應加熱電源基本拓撲結構經過不斷的完善，一般由整流器、濾波器、逆變器及一些控制和保護電路組成。逆變器在感應加熱電源中起著十分重要的作用，根據逆變器的特點，逆變電源又分為串聯諧振和並聯諧振兩種。本文提出了一種應用於感應加熱的並聯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，三相交流電壓通過不控整流及濾波電路後轉換為直流電壓，該電壓被送到直流斬波器進行斬波調節，變為功率可調節的近似恆流源後輸入逆變器，之後控制感應加熱負載。直流斬波控制部分則通過傳感器檢測斬波輸出的電流信號，經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，實現閉環控制。逆變器控制部分採用鎖相環頻率跟蹤電路控制逆變器的工作頻率，產生高頻觸發脈衝，驅動逆變電路中功率器件的通斷。
主電路
並聯諧振逆變電源的主電路由三相不控整流橋、直流斬波器、電流源並聯諧振逆變器和負載匹配電路四部分組成（圖2）。
這裡採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的濾波器尺寸小等優點。斬波器和逆變器中的主功率器件（VT與VT1、VT2、VT3、VT4）均採用IGBT管。逆變器橋臂的每一個IGBT上均串聯一個二極體，通過IGBT的正向電流也將全部通過串聯二極體，這就要求串聯二極體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選用的是快速恢復二級管。逆變器通過半導體開關有規律地切換，在負載側得到一定頻率的交流電流，其頻率由開關的動作頻率決定，由於是電流源供電，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
斬波的實現是通過控制IGBT（圖2中VT管）的導通來控制電流的大小，從而間接控制功率。在穩態運行過程中，為實時了解負載的變化，需從諧振迴路中反饋電流的變化，通過與基準值比較獲得佔空比的大小。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輸入電流的大小。控制電路採用PI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，就可通過調節，使反饋向設定值逼近直至等於設定值，從而實現無差調節，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控制晶片，具有抗幹擾能力強、結構簡單、可靠性高以及價格便宜等特點。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脈衝信號從8腳輸出，經驅動模塊放大後觸發斬波器元件IG- BT的導通。
逆變器觸發控制
並聯諧振逆變器的觸發控制中，為避免大電感Ld上產生大的感應電勢，電流必須是連續的，因此要保證逆變器在換流時，VT1、VT3和VT2、VT4兩組橋臂應遵循先開通後關斷的原則，即要求兩組橋臂的觸發脈衝有重疊區，這點與串聯諧振逆變器有較大不同。圖4是逆變器觸發脈衝的波形。
加熱工件在加熱過程中會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於1的準諧振或諧振狀態，以實現逆變器件的零電壓換流。圖5顯示了逆變器觸發控制電路的構成。對逆變電源的負載正弦電壓採作為鎖相環PLL的輸入參考電壓。考樣、過零比較，得到U1（t），慮到觸發，驅動電路和開關器件的延時等情況，在PLL內部加入了相位補償電路，構成無相差鎖相環電路。鎖相環的輸出電由U2（t）產生的Ⅰ、Ⅱ兩路壓U2（t）與輸入U1（t）可實現零相位差，驅動輸出即可實現圖4中逆變器VT1~VT4的觸發脈衝波形。
IGBT驅動與保護電路
本電源採用IGBT作為逆變開關和直流斬波器件，雖然具有電流容量大、驅動功率小、開關頻率高等優點，但IGBT過流過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的驅動採用日本富士公司EXB系列的EXB841集成化驅動電路，它適合驅動300A/1200V以下的IGBT，其最高工作頻率為40kHz.
圖6為IGBT驅動保護電路，當IGBT在發生故障或調試時出現過電流或短路的情況，可通過EXB841驅動電路內部設有電流保護功能進行保護，EXB841判斷過流的依據是檢測IGBT的集-射極間的電壓，這裡在IGBT集電極與EXB841的6腳間串聯一個快速恢復二極體EAR34-10，該二極體正嚮導通壓降為3V，反向恢復時間150ns.可以有效地提高EXB841對過流判斷的靈敏度，增強保護能力。為防止IGBT受外界幹擾使柵射電壓過高引起器件誤導通，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。在柵射極並接一電阻RGE，並在柵射極間並接2隻反向串聯的穩壓管。
在設計中同時還加入了RS觸發器：當IGBT發生過流時，EXB841的5腳電平為低，RS觸發器的S端變為高電平，輸出端Q輸出高電平，經過三極體輸出的本地過流信號為低，此電平加到與門上可封鎖EXB841的輸入信號，達到及時撤出柵極信號、保護IGBT的目的。