具有并联谐振的逆变电源电路设计原理与方案

 前言

在现代工业的金属熔炼、弯管，热锻，焊接和表面热处理等行业中，感应加热技术被广泛应用。感应加热是根据电磁感应原理，利用工件中涡流产生的热量对工件进行加热的，具有加热效率高，速度快，可控性好，易于实现高温和局部加热，易于实现机械化和自动化等优点。随着电力电子学及功率半导体器件的发展，感应加热电源基本拓扑结构经过不断的完善，一般由整流器、滤波器、逆变器及一些控制和保护电路组成。逆变器在感应加热电源中起着十分重要的作用，根据逆变器的特点，逆变电源又分为串联谐振和并联谐振两种。本文提出了一种应用于感应加热的并联谐振逆变电源设计方案，针对其主电路、斩波电路及逆变器控制电路等进行了分析和设计。

电路构成及设计

 

 

电源的系统框图为图1所示，三相交流电压通过不控整流及滤波电路后转换为直流电压，该电压被送到直流斩波器进行斩波调节，变为功率可调节的近似恒流源后输入逆变器，之后控制感应加热负载。直流斩波控制部分则通过传感器检测斩波输出的电流信号，经PI调节器，控制PWM的输出脉宽，从而改变斩波输出电流的大小，实现闭环控制。逆变器控制部分采用锁相环频率跟踪电路控制逆变器的工作频率，产生高频触发脉冲，驱动逆变电路中功率器件的通断。

主电路1、并联谐振逆变电源的主电路由三相不控整流桥、直流斩波器、电流源并联谐振逆变器和负载匹配电路四部分组成(图2)。

 

 

这里采用不控整流加斩波构成直流电流源，主要是考虑到其具有保护速度快以及高频斩波带来的滤波器尺寸小等优点。斩波器和逆变器中的主功率器件(VT与VT1、VT2、VT3、VT4)均采用IGBT管。逆变器桥臂的每一个IGBT上均串联一个二极管，通过IGBT的正向电流也将全部通过串联二极管，这就要求串联二极管能够通过很大的正向电压和承受很高的反向电压，因此VD1~VD4选用的是快速恢复二级管。逆变器通过半导体开关有规律地切换，在负载侧得到一定频率的交流电流，其频率由开关的动作频率决定，由于是电流源供电，逆变器输出电流近似为方波，负载对基波分量呈高阻，压降较大，而三次及三次以上谐波产生的压降较小，可近似认输出电压(即电容C两端电压)为正弦波。

PWM斩波控制

斩波的实现是通过控制IGBT(图2中VT管)的导通来控制电流的大小，从而间接控制功率。在稳态运行过程中，为实时了解负载的变化，需从谐振回路中反馈电流的变化，通过与基准值比较获得占空比的大小。图1系统框图中的电流检测可选用霍尔电流传感器，检测逆变器直流母线输入电流的大小。控制电路采用PI调节器，由运放与电阻、电容等元件构成，可将检测电流与设定电流比较，只要反馈和设定有偏差，就可通过调节，使反馈向设定值逼近直至等于设定值，从而实现无差调节，提高系统稳定性。PWM脉宽控制选用TL494，它是一种应用广泛的PWM控制芯片，具有抗干扰能力强、结构简单、可靠性高以及价格便宜等特点。在本设计中具体电路如图3所示：输入(即PI调节输出)自1脚引入，引脚13接低电平，PWM脉冲信号从8脚输出，经驱动模块放大后触发斩波器元件IG- BT的导通。

 

 

逆变器触发控制

并联谐振逆变器的触发控制中，为避免大电感Ld上产生大的感应电势，电流必须是连续的，因此要保证逆变器在换流时，VT1、VT3和VT2、VT4两组桥臂应遵循先开通后关断的原则，即要求两组桥臂的触发脉冲有重叠区，这点与串联谐振逆变器有较大不同。图4是逆变器触发脉冲的波形。

加热工件在加热过程中会引起谐振频率的变化，为使逆变器可靠工作，逆变器需要始终工作在功率因数接近或等于1的准谐振或谐振状态，以实现逆变器件的零电压换流。图5显示了逆变器触发控制电路的构成。对逆变电源的负载正弦电压采作为锁相环PLL的输入参考电压。考样、过零比较，得到U1(t)，虑到触发，驱动电路和开关器件的延时等情况，在PLL内部加入了相位补偿电路，构成无相差锁相环电路。锁相环的输出电由U2(t)产生的Ⅰ、Ⅱ两路压U2(t)与输入U1(t)可实现零相位差，驱动输出即可实现图4中逆变器VT1~VT4的触发脉冲波形。

 

 

IGBT驱动与保护电路

本电源采用IGBT作为逆变开关和直流斩波器件，虽然具有电流容量大、驱动功率小、开关频率高等优点，但IGBT过流过压能力相对晶闸管较弱，尤其是其承受反压能力更加脆弱。因此IGBT驱动及保护电路性能的好坏直接影响到电源运行的可靠性和高效性。本设计中IGBT的驱动采用日本富士公司EXB系列的EXB841集成化驱动电路，它适合驱动300A/1200V以下的IGBT，其最高工作频率为40kHz.

 

 

图6为IGBT驱动保护电路，当IGBT在发生故障或调试时出现过电流或短路的情况，可通过EXB841驱动电路内部设有电流保护功能进行保护，EXB841判断过流的依据是检测IGBT的集-射极间的电压，这里在IGBT集电极与EXB841的6脚间串联一个快速恢复二极管EAR34-10，该二极管正向导通压降为3V，反向恢复时间150ns.可以有效地提高EXB841对过流判断的灵敏度，增强保护能力。为防止IGBT受外界干扰使栅射电压过高引起器件误导通，尤其是在有上下桥臂的变换器或逆变器中，易造成同臂短路。在栅射极并接一电阻RGE，并在栅射极间并接2只反向串联的稳压管。

在设计中同时还加入了RS触发器：当IGBT发生过流时，EXB841的5脚电平为低，RS触发器的S端变为高电平，输出端Q输出高电平，经过三极管输出的本地过流信号为低，此电平加到与门上可封锁EXB841的输入信号，达到及时撤出栅极信号、保护IGBT的目的。

 

 

另外一个可封锁EXB841的输入的信号为母线过流信号，如图7.当逆变器输出端负载短路、逆变驱动电路工作不正常或换流失败时，均会引起短路过流。通过霍尔电流传感器监视逆变器输入的直流母线的电流，转换成电压信号，送入高速比较器与基准电压相比较，当超过基准电压时，表示有母线有过流情况发生，过流保护动作。比较器输出高电平，三极管导通，则输出为低，实现可靠的过流保护。

结束语

本设计的PWM斩波功率调节电路中运用PI调节闭环控制能够提高系统的工作稳定性。锁相环逆变器频率跟踪电路的设计，可实现在加热过程中负载参数变化时对谐振工作频率的自动跟踪，使逆变器工作在容性近谐振状态，保证逆变器的运行安全。