电力电子课程设计中频加热电源设计

学院 信息科学与工程学院 姓名 学号 班级 指导教师

完成时间 2015.1.20 1

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摘要

感应加热电源具有加热效率高，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，目前已在金属熔炼，淬火，工件透热，焊接，铸造表面热处理等行业得到广泛应用。

本设计中主要研究了中频感应加热电源及其相关技术的发展现状和趋势，设计了1.0KHz∕100KW可控硅中频感应加热电源的整流电路及控制电路。整流电路采用三相桥式全控整流电路，电路结构简单。控制电路采用双闭环反馈控制系统，改善信号迟滞的缺点。

利用晶闸管把50 Hz的工频变成中频电源的装置。即由三相全控整流电路把工频电流整流成直流，经过电抗器滤波后，经单相逆变桥将直流变为单相中频交流，以驱动负载。

关键字：感应加热电源；串联谐振；逆变电路；IGBT；整流电路

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目录

引言：............................................................................................................................ 5 1 加热电源简介 ........................................................................................................... 5

1.1感应加热电源的特点及应用 .......................................................................... 5 1.2感应加热电源的发展阶段 .............................................................................. 6 1.3感应加热电源的发展的主要因素 .................................................................. 7 2感应加热电源 ............................................................................................................ 8

2.1基本工作原理 .................................................................................................. 8 2.2基本结构 .......................................................................................................... 9 3整流电路的设计 ...................................................................................................... 11

3．1整流电路的分类 ......................................................................................... 11 3．2整流电路的选择 ......................................................................................... 11 3.3三相桥式全控整流电路 ................................................................................ 12 3.4整流电路的参数设计 .................................................................................... 13 4逆变电路 .................................................................................................................. 14

4.1逆变器基本分类： ........................................................................................ 14 4.2逆变器的工作原理 ...........................................................错误!未定义书签。 5控制电路的设计 ...................................................................................................... 17

5.1控制电路的结构及原理 ...................................................错误!未定义书签。 5.2控制电路的作用 ............................................................................................ 19 5.3控制策略 ........................................................................................................ 19 5.4 1.0KHz∕100KW感应加热电源控制电路结构 ........................................... 21 5.5过电流和过电压的保护电路 ........................................................................ 21 5.6 驱动电路的设计...........................................................................................22 6设计结果分析 .......................................................................................................... 27 7设计心得 .................................................................................................................. 27 参考文献 ……………………………………………………………………………………………………………28

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引言

随着功率器件的发展，感应加热电源的频率也逐步提高，经历了中频、超

音频、高频几个阶段。在感应加热电源的应用中，淬火、焊管、焊接等工艺都要求高频率高功率的电源。功率MOSFET虽然可以实现高频工作，但其电压、电流容量等级低，大功率电源需采用串、并联技术，影响了电源运行的可靠性。绝缘栅双极晶体管(IGBT)比较容易实现电源高功率化，但在高频情况下，其开关损耗，尤其是IGBT关断时存在的尾部电流，会限制工作频率的进一步提高。

本文论述的中频感应加热电源采用功率自关断功率器件IGBT，负载频率是开关管工作频率的二倍，间接拓宽了IGBT的使用频率；功率管工作于零电流开关状态，彻底消除了尾部电流引起的关断损耗，理论上可实现零开关损耗；同时采用死区控制策略后，可实现负载阻抗调节。以往一般采用晶闸管来实现逆变电路，但是晶闸管关断期反压太低，参数匹配麻烦，输出频率仍然偏低；而采用IGBT后，并让电路工作在电流断续状态下，这些问题都得到很好地解决。 为满足中小工件加热的需要，研制了一种新型线效的中频感应加热电源。该电源具有输出电压低圈匝数少、不需要中频变压器降压、结构简单、效率高。

1.加热电源简介

上世纪初，在欧洲几个发达国家，感应加热技术开始投入应用，由于技术

限制，仅仅用在小功率，小容量中频感应熔炼炉上，随着感应加热理论的不断完善，感应加热技术的不断发展，目前，感应加热技术已被广泛应用在机械制造，冶金，国防，航空航天，汽车制造及教学科研等诸多领域。主要用于有色金属的熔炼铸造，热处理，焊接，烧结等方面。

1.1感应加热电源的特点及应用

感应加热电源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。由于感应加热电源具有加热效率高，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，目前已在金属熔炼，淬火，工件透热，焊接，铸造表面热处理等行业得到广泛应用。在铸造方面正在迅速发展双联熔炼工艺，利用中频炉保温改性；在铸造方面，利用感应加热实现快速透热热锻，在淬火方面致力于发展大功率全固态高频电源。

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1.2感应加热电源的发展阶段

在五十年代前，感应加热电源主要有：感应熔炼炉，电磁倍频器，中频发电机

组和电子管振荡器式高频电源。可控硅的出现标志着现代电力电子学的开始。在中频范围内，晶闸管中频加热装置已完全取代了传统的中频发电机组和电磁倍频器。

七十年代么到八十年代初，相继出现了一大批全控型电力电子半导体器件，极大的推动了电力电子学的发展。

1983年IGBT的问世进一步推动了感应加热电源的发展。IGBT具有通态压降低，开关速度快，易驱动等优点。大功率高速IGBT已成为众多加热电源的首选器件。

今后，感应加热电源技术的发展趋势主要有以下几个方面:

第一:功率半导体器件的大容量化、高频化将带动感应加热电源的大容量化和高频化;

第二:髓着感应热处理生产线自动化控制程度及对电源可靠性要求的提高，感应加热电源正向智能化控制方向发展;

第三:随着对整个电网无功及谐波污染要求的提高，具有高功率因数低谐波污染电源也将成为今后发展的一个方向;

第四:电源和负载的最佳匹配。由于感应加热电源多用于工业现场，其运行工况比较复杂，它的负载对象也各式各样，而电源逆变器与负载是一个有机的整体，它们之间的配置方式将直接影响到电源的功率利用系数

感应加热电源技术发展与趋势

感应加热电源的水平与半导体功率器件的发展密切相关，因此当前功率器件在性能上的不断完善，使得感应加热电源的发展趋势呈现出以下几方面的特点。

①高频率

目前，感应加热电源在中频频段主要采用晶闸管，超音频频段主要采用IGBT，而高频频段，由于SIT存在高导通损耗等缺陷，主要发展MOSFET电源。感应加热电源谐振逆变器中采用的功率器件利于实现软开关，但是，感应加热电源通常功率较大，对功率器件，无源器件，电缆，布线，接地，屏蔽等均有许多特殊要求，尤其是高频电源。因此，实现感应加热电源高频化仍有许多应用基础技术需

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要进一步探讨。

②大容量化

从电路的角度来考虑感应加热电源的大容量化，可将大容量化技术分为二大类：一类是器件的串、并联，另一类是多台电源的串、并联器件的均流问题，由于器件制造工艺和参数的离散性，限制了器件的串、并联数目，且串、并联数越多，装置的可靠性越差。多台电源的串、并联技术是在器件串、并联技术基础上进一步大容量化的有效手段，借助于可靠的电源串、并联技术，在单机容量适当的情况下，可简单地通过串、并联运行方式得到大容量装置，每台单机只是装置的一个单元或一个模块。感应加热电源逆变器主要有并联逆变器和串联逆变器，串联逆变器输出可等效为一低阻抗的电压源，当二电压源并联时，相互间的幅值、相位和频率不同或波动时将导致很大的环流以致逆变器器件的电流产生严重不均，因此串联逆变器存在并机扩容困难；而对并联逆变器，逆变器输入端的直流大电抗器可充当各并联器之间的电流缓冲环节，使得输入端的AC/DC或DC/AC环节有足够的时间来纠正直流电源的偏差，达到多机并联扩容。

③负载匹配

感应加热电源多用于工业现场，其运行工况比较复杂，它与钢铁、冶金和金属热处理行业具有十分密切的联系，他的负载对象各式各样，而电源逆变器与负载是一有机的整体，负载直接影响到电源的运行效率和可靠性。对焊接、表面热处理等负载，一般采用匹配变压器连接电源和负载感应器，对高频、超音频电源用的匹配变压器要求漏抗很小，如何实现匹配变压器的高输入效率，从磁性材料选择到绕组结构的设计已成为一重要课题，另外，从电路拓扑上负载结构以三个无源元件代替原来的二哥无源元件以取消匹配变压器，实现高效、低成本隔离匹配。

④智能化控制

随着感应热处理生产线自动化控制程度及对电源可靠性要求的提高，感应加热电源正向智能化控制方向发展。具有计算机智能接口、远程控制、故障自动诊断等控制性能的感应加热电源正成为下一代发展目标。

1.3感应加热电源的发展的主要因素

感应加热电源的发展与电力电子器件的发展密切相关，而电力电子器件的

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发展又是半导体集成加工技术及功率半导体技术分不开的，可控硅出现后是的感应加热电源的可控性实用性得到体现。

2 感应加热电源

2.1 基本工作原理

感应加热利用导体处于交变的电磁场中产生感应电流，即涡流，所形成的热效应使导体本身发热。根据不同的加热工艺的要求，感应加热采用的电源的频率有工频（50HZ），中频（60-10000HZ），高频（高于10000HZ）。感应加热本身的物体必须是导体，感应加热能在被加热物体内部直接生热，因而热效率高，升温速度快，容易实现整体均匀加热或局部加热。

感应加热利用交流电建立交变磁场涡流对金属工件进行感应加热，基本工作原理如图1，A为感应线圈，B为被加热工件，若线圈A中通以交流电流i1，则线圈A内产生随时间变化的磁场，置于交变磁场中的被加热工件B要产生感应电动势e2，形成涡流i2，这些涡流使金属工件发热，因此，感应加热是靠感应线圈把电能传递给要加热的金属工件，然后在金属工件内部转换成热能，感应线圈与被加热工件不直接接触，能量是通过电磁感应传递的。

感应电流图示

为了将金属工件加热到一定的温度，要求工件中的感应电流尽可能地大，增加感应线圈中的电流，可以增加金属工件中的交变磁通，进而增加工件中的感应电流，现代感应加热设备中，感应线圈中的电流最大可以达到几千甚至上万安培。增加工件中感应电流的另一个有效途径是提高感应线圈中电流的频率，由于工件中的感应电势正比于交变磁通的变化率，感应线圈中电流的频率越高，磁通的变化就越快，感应电势就越大，工件中的感应电流也就越大。对同样的加热效果，

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频率越高，感应线圈中的电流就可以小一些，这样可以减少线圈中的功率损耗，提高设备的电效率。

由电磁感应定律可知，感应电动势e2为：

设磁通Φ对时间t按正弦规律变化为：

其中感应电动势的幅值为：

为了使金属工件加热到一定温度，

必须要求金属工件内有足够大的涡流，即要求金属工件内有较大的电动势e2，由式2-2知，增大e2有以下两种途径：

增大线圈A中电流i1。增大i1即增大金属工件内的交变磁通的最大值Φm。 增大线圈中电流i1的频率。因为金属工件中感应电动势e2正比于磁通变化率，所以i1的频率越高e2就越大。

2.2 基本结构

经过半导体器件的发展，感应加热电源的拓扑结构逐渐固定为一种AC∕DC∕AC的变换形式，基本结构如图2，由整流器，滤波器，逆变器及一些控制和保护电路组成。

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并联谐振式电源采用的逆变器是并联谐振逆变器，其负载为并联谐振负载。通常需电流源供电，在感应加热中，电流源通常由整流器加一个大电感构成。由于电感值较大，可以近似认为逆变器输入端电流固定不变。交替开通和关断逆变器上的可控器件就可以在逆变器的输出端获得交变的方波电流，其电流幅值取决于逆变器的输入端电流值，频率取决于器件的开关频率。

串联谐振式电源采用的逆变器是串联谐振逆变器，其负载为串联谐振负载。

通常需电压源供电，在感应加热中，电压源通常由整流器加一个大电容构成。由于电容值较大，可以近似认为逆变器输入端电压固定不变。交替开通和关断逆变器上的可控器件就可以在逆变器的输出端获得交变的方波电压，其电压幅值取决于逆变器的输入端电压值，频率取决于器件的开关频率。

串联谐振逆变器和并联谐振逆变器的差别，源于它们所用的振荡电路不同，前者是用L、R和C串联，后者是L、R和C并联；

(1)串联谐振逆变器的输入电压恒定，输出电流近似正弦波，输出电压为矩形波，换流是在晶闸管上电流过零以后进行，因而电流总是超前电压－φ角。

并联谐振逆变器的输入电流恒定，输出电压近似正弦波，输出电流为矩形波，换流是在谐振电容器上电压过零以前进行，负载电流也总是越前于电压 －φ角。这就是说，两者都是工作在容性负载状态。

(2)串联谐振逆变器在换流时，晶闸管是自然关断的，关断前其电流己逐渐减少到零，因而关断时间短，损耗小。在换流时，关断的晶闸管受反压的时间较长。

并联谐振逆变器在换流时，晶闸管是在全电流运行中被强迫关断的，电流被迫降至零以后还需加一段反压时间，因而关断时间较长。相比之下，串联谐振逆变器更适宜于在工作频率较高的感应加热装置中使用。

(3)串联谐振逆变器起动较容易，适用于频繁起动工作的场所；而并联谐振逆变器需附加起动电路，起动较为困难，起动时间长。至今仍有人在研究并联谐振逆变器的起动问题。

串联谐振逆变器晶闸管暂时丢失脉冲，会使振荡停止，但不会造成逆变颠覆。

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而并联谐振逆变器晶闸管偶尔丢失触发脉冲时，仍可维持振荡。

(4)串联谐振逆变器并接大的滤波电容器，当逆变失败时，浪涌电流大，保护困难。但随着保护手段的不断完善以及器件模块本身也有自带保护功能，串联谐振逆变器的保护不再是难题。

并联谐振逆变器串接大电抗器，但在逆变失败时，由于电流受大电抗限制，冲击不大，较易保护。

(5)串联谐振逆变器感应线圈上的电压和补偿电容器上的电压，都为谐振逆变器输出电压的Q倍。当Q值变化时，电压变化比较大，所以对负载的变化适应性差。流过感应线圈上的电流，等于谐振逆变器的输出电流。

并联谐振逆变器的感应线圈和补偿电容器上的电压，都等于逆变器的输出电压，而流过它们的电流，则都是逆变器输出电流的Q倍。逆变器器件关断时，将承受较高的正向电压，器件的电压参数要求较高。

(6)串联谐振逆变器的感应加热线圈与逆变电源(包括补偿电容器)的距离较远时，对输出功率的影响较小。而对并联谐振逆变器来说，感应加热线圈应尽量靠近电源(特别是补偿电容器)，否则功率输出和效率都会大幅度降低。

综合比较串、并联谐振逆变器的优缺点，决定对串联谐振式电源进行研究。

3.整流电路的设计

整流电路是中频电源的重要组成部分。整流控制电路的最终任务是根据

输入的同步信号及电压调节信号、电流反馈信号、启动信号、复位信号等综合情况发出相位合适的脉冲信号去触发主回路，以便输出合适的直流电压。

3.1整流电路的分类

整流电路是电力电子电路中最早出现的一种，它将交流电变为直流电，应用广泛，电路形式多种多样。按组成器件可分为：不可控，全控和半控三种。按电路结构可分为桥式和零式。按交流输入相数可分为单相输入和多相输入。按变压器二次侧电流的方向又可分为电路是半波和全波电路。实用电路是上述的组合结构，整流电路的实质就是把交流电能转换成直流电能的电路。

逆变控制的最终任务是产生频率合适的逆变脉冲，以保证逆变桥可靠换向。

3.2整流电路的选择

半波整流：变压器的次级绕组与负载相连，中间串联一个整流二极管就是

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半波整流。利用二极管的单向导电性，只有半个周期内有电流流过负载，另半个周期被二极管所阻，没有电流。这种电路变压器中有直流分量，降低了变压器的效率；整流电路的脉动成分太大，对滤波电路要求高，只适用于小电流整流电路。

全波电路：变压器与半波电路相同，但用四个二极管组成桥式电路，将次级线圈的正负半周都用起来，使得变压器的次级线圈的绕组匝数加倍，中间抽头，实际上由两个次级线圈构成，中间抽头接负载一端，另两个端子各串联一个二极管后接负载的另一端。

经常使用的整流电路是效率较高的全波整流电路，仅用电容器作为滤波器的电源电路有中心抽头式和桥式，设计中选用三相桥式全控整流电路。

3.3 三相桥式全控整流电路

整流电路采用三相桥式全控整流电路，将电网输入的三相50HZ交流电压整成脉动直流电压，三相桥式整流电路如图3.

晶闸管VT1，VT3，VT5接成共阴极，VT2,VT4,VT6接成共阳极，并于变压器和负载分别构成两个三相半波可控整流电路，两个三相半波可控整流电路串联就构成三相桥式全控整流电路，如图4所示。

三相桥式全控整流电路的输出电压是三相半波可控整流电路的两倍，三相桥式全控整流电路的输出电压：

Ud=2.34·U2·COSα (3-1) 式中：Ud-------输出直流电压平均值 U2-------电网相电压

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Α---------触发角

当α=0°时，对于共阴极组的晶闸管依次触发阴极电位最低的，对于共阳极组的晶闸管依次触发阳极电位最高的晶闸管，是晶闸管导通把一个周期分为六段。如图5所示为不同触发角时的整流波形。

在AB段，a相电压最高，电流从变压器a相流出经过负载AB和BA回到变压器B相绕组，a相绕组内电流为正，b相绕组内电流为负，负载电压Ud=Uab

在AC段，a相电压最高，晶闸管AB继续导通，电流从变压器a相绕组流出，经过负载AB和CB。晶闸管BA承受反向电压而关断，所以电流回到c相绕组，b相绕组内电流为正，c相绕组内电流为负，负载电压Ud=Uac

在AB和AC段内，由于负载的电感量较大，流过AB的电流保持不变。 在BC段内，b相电压最高，晶闸管BC因得到触发脉冲而导通，由于b点点位高于a点电位，所以晶闸管AB因承受反向电压而关断，电流从b相绕组流出。负载电压Ud=Ubc。

图5为感性负载下，不同触发角时的输出波形。

图5不同触发角的输出波形 3.4 整流电路的参数计算 （1）二极管额定电压值URRM

二极管的耐压值可根据（3-2）式确定，根据电网电压，考虑其峰值，电压波

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动等因素，取波动因数1.3，安全系数α=1.5

VRRM≥UAC×√2×1.3×α (3-2) 由于交流侧电压UAC=380V，带入上式，可得：

VRRM≥UAC×√2×1.3×α= 380×√2×1.3×1.5 =1047.774V （2）额定电流I：整流二极管的电流额定值根据其结温确定，

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I2 t≥IRtα (3-3)

式中，IR------冲击电流 α---------安全系数，α=2 上式变形为，

I≥√α·IR=√2×1.3×IR=√2×1.3×115.83=213A （3-4） VCH的选取：VCH的耐压和耐流和整流二极管的等级是相同的，由于频率较高，常选取GTR,MOSFET,IGBT等工作频率较高的自关断器件。

电力电容选择：由于是6脉动整流波动，50HZ电网输入，周期为20ms，每个波动的时间为20∕6≈4ms，由公式可得：

Q=C×∆U=I×t （3-5） 式中，I=115.83A

t=4ms ∆U=600V 得 C=772.2μF

可选取3000μF∕400V的4个电容串联，实际容量为750μF，耐压1600V。

4.逆变电路

4.1 逆变电路基本分类：

逆变器的类型除了基本电路有桥式和零式、三相和单相之分外，还有其它集中分法:

(1)根据储能元件的性质来分

根据滞留环节中滤波和储能元件的性质，逆变器壳分为电压型(源)和电流型(源)两大类。采用大电容Cd作为滤波和储能元件的逆变器称为电压型(源)逆变器;而采用大电感Ld作为滤波和储能元件的逆变器称为电流型(源)逆变器。电容Cd可以保持直流电压恒定，使直流环节犹如恒压源，直流侧的阻抗远小于逆变器的输出阻抗。电容Cd在逆变过程中提供负载所需的无功能量，并形成逆变器输入端谐波分量的短路通道，使整流装置产生的谐波分量不进入逆变器，逆变器产生的谐波分量也不进入电网，起交流

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隔离的作用。Cd通常称储能电容。

直流环节的电感Ld可使直流电流恒定，直流环节犹如恒流源，直流侧的阻抗远大于逆变器的阻抗。电感同样起储能和滤波作用，抑制谐波分量的进入与输出，并在逆变器产生短路故障时，大电感具有良好的抑流作用，这是电流型逆变器的一个重要特点。

（2）根据换流电容器的接法来分

为了换流，逆变器具有换流电容器，单换流电容器与负载并联连接时称为并联逆变器。当换流电容与逆变器串联实称为串联逆变器。 (3)根据换流电路结构的特点来分

换流电路的结构种类较多，基本上分为两类，一类籍辅助晶闸管接通换流电路实现换流，另一类则不需要辅助晶闸管就壳实现换流。前者称为麦克墨莱逆变器，后者如串联二极管或串联电感式逆变器。 (4)根据晶闸管导通的角度来分

逆变器中晶闸管可以导通180°，也可以导通120°，由此把逆变器分为180°导通型和120°导通型两种。 (5)根据逆变器调压方式来分

当逆变器向感应电动机供电时，为了获得恒定的转矩，频率和输出电压应按正比关系调节(即U/f=恒值)。调压的方式有数种，大致分两类，一类是用类似斩波控制的脉宽调制方法，另一类则用阶梯波调幅或移相等非脉宽调制的方法。从而有脉宽调制逆变器和非脉宽调制逆变器之分。 (6)根据半导体元件性质来分

除用逆阻型晶闸管(SCR)构成逆变器外，还壳用逆导管及功率晶体管(GTR)构成逆变器以简化电路。此外用大功率的可关断晶闸管(GTO)构成不需要换流电路的逆变器，也已经用于电力传动。

4.2 逆变器的工作原理

把直流电能通过逆向变换，向交流电源反馈能量的逆变器称为有源逆变器;若变换所得的交流电能，按要求的频率和电压直接向负载供电的逆变器成为无源逆变器。生产实践中常要求把工频交流电能或直流电能变成频率和电压都可调的或者固定的交流电能，供给负载，以便实现交流电动机的变频调速，或者为感应加热炉提供中频电源，为电子计算机、医用设备等重要装置提供不停电的工作电源。 这些用电装置必须采用无源逆变器。近代的无源逆变器具有调频调压等性能。

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静止变频器按电源的种类可以分为交流一交流变频器和直流一交流变频器两大类。前者直接将工频转变为所需的交流电能，因此也称为直接变频器。后者把直流电能转变为交流电能，因此称逆变器。这种逆变器与有源逆变器相比，不是

把变换成的交流电再反馈到交流电网中去，而是用来供给无源的负载使用，

图6 单相桥式逆变电路原理图

因此是一种无源逆变器，它的换流比利用电网电势换流的有源逆变器困难的多。

无源逆变器由逆变电路的基本部分和换流电路两部分有机的组成，前者的电路结构犹如一个逆方向工作的整流电路，它使电能从直流变成交流，这点是与有源逆变器相同的。后者则使前者实现换流，这是这种逆变器的特殊地方。逆变电路的基本部分从其结构而言也像整流电路刀州洋，有零式(中间抽头式)和桥式、单相和多相等等之分。图6是一个单相桥式逆变电路的原理性示意图，其中TI, T2和T3. T4两组开关轮流接通时，负载R上就得到交流电压UR，这是一个幅值为Ua的周期性交变电压，负载电压UR的频率取决于两组开关的切换频率。

图7 输出电压波形

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t

t3 t4 0 t1 t2 t5 t6 t

V1 V4 V2 V3 V1 V4 V2 V3 ON VD1VD4 VD2VD3 VD1VD4 VD2VD3

图8 输出电流波形

5 控制电路的设计

5.1控制电路的结构及原理

控制电路包括整流控制电路，逆变控制电路和保护电路。拓扑结构如图6，

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图6 感应加热电源控制电路

整流控制电路根据各种输入信号，发出宽度合适的脉冲，以便输出合适的直流电压。感应加热电源的特点是，随着加热过程的进行，负载温度不断变化，负载的固有谐振频率变化，功率因数变化。设计中采用由整流侧调节功率，逆变侧进行频率跟踪的方案。

逆变控制电路包括，开关器件的驱动电路，死区形成电路，锁相环电路，其中，驱动电路所产生的脉冲次序和占空比由控制策略决定。死区形成电路在串联谐振型中是必不可少的，锁相环电路的目的是跟踪负载的谐振频率，从而控制逆变电路的工作频率，就是所谓的锁相控制。采样电压一般取自负载电容两端，因为电容对高次谐波的阻抗小，以此信号作为反馈可有效减小高次谐波信号的干扰。保护电路主要是防止过电流，短路保护。 功率调节方式有三种：

改变功率因数：通过改变工作频率改变功率因数。为减小器件开关频率，工作频率应大于谐振频率，若逆变器的工作电压不变，则在谐振点附近负载等效阻抗最低，电流最大，输出功率也最大。如图9

改变直流电压：移相调功是通过移相控制，每个桥臂的两个开关互补导通，两个桥臂的导通角相差一个相位，通过调节移相角的大小调节负载电压的宽度从而调节输出功率，如图10

调频调节输出功率：高频感应加热电源采用桥式逆变电路，通过调频的方式调节输出功率。为减小器件开关损耗，其工作频率应大于谐振频率。

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图9 等效阻抗的频率特性 图10 移相控制开关动作

5.2 控制电路的作用

（1）调节控制电路必须对整流电路，逆变电路等主电路部分进行功能控制，对整流电路，逆变电路必须在各种扰动下维持各参数不偏离其设定值。 （2）当各参量因各种故障偏离起设定值的极限值时，控制电路应调节是整流电路工作于逆变状态。

（3）为了达到保护的目的，系统必须具有对各种参数进行测量和监视的目的。 （4）中频加热电源的负载频率必须要实现自动跟踪功能。 5.3 控制策略

工业中常用的中频电源以并联谐振逆变电路为主，调节方式采用单独调节可控整流器输出电压的方式。中频电源的开环控制如图11

图 11 中频电源开关原理

控制过程：整流触发控制角调节器把输入控制信号UC转化成控制角α，可控整流电路在电网电压为UC的情况下，把α转化成直流输出电压Ud;经过滤波电感Ld，逆变器将输入直流电压Ud转化为频率为f的中频电压UN向负载输出电能，负载电路将工件电压转换成工件温度Tc，改变控制信号Uo即可改变工件温度Tc。

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闭环调节系统原理如图12

图12 中频电源控制原理

电压反馈电路把输出中频电压UH转换成反馈电压Ur,后者与给定电压Us相比较，产生差值电压∆U，电压调节器将此差值电压放大，这样系统在外界干扰下也能维持输出电压为恒定值。

中频感应输出功率PH与工件温度Tc存在： PH=

C（Tc−TD）G

0.24t0η

(4-1)

式中，η------电源总效率，C--------锻件比热容，t0---------锻件加热时间，G------锻件质量

TD----------环境温度

PH=R (4-2)

H

U2H

式中，UH--------中频电压，RH--------等效电阻

2UH=

C（Tc−TD）G0.24t0ηRH

（4-3）

生产过程中，若要保持工件温度在控制范围内，调节中频电压UH即可达到调节锻件温度的目的，而中频电压在生产过程中会发生波动，且温度控制具有一定的滞后性，故一般采用温度和电压双闭环的方法控制锻件温度，温度和中频电压串联控制，温度闭环为外环，电压闭环为内环，控制框图如图13

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图13 感应加热温度控制系统

外环根据给定控制温度Tg和反馈工件的温度Tr进行PI调节后，设定给定电压值Ug，内环根据Ug和中频反馈电压Ur经过PI调节后通过整流控制角调节器设定整流的α角，控制中频电源的输出功率。 5.4 1KHz∕100KW感应加热电源控制电路结构

设计的1KHz∕100KW感应加热电源的控制电路是电流电压双闭环控制，采用电流为内环电压为外环的控制方式，如图14

图14 1KHz∕100KW感应加热电源的控制电路

图中Ug为给定电压，Uf为负载反馈电压，Ig为负载给定电流，If为负载反馈电流。Α为三相全控整流桥的导通角，通过对主回路的三相全控整流桥的控制，实现对负载功率的控制。

5.5 过电流和过电压的保护电路

电力电子半导体器件特点之一就是承受过电流和过电压的能力较差，一旦遇到故障几乎瞬间就烧坏。为了提高电力电子器件的可靠性，在留够一定的电

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压电流裕量外，还需采用一定的保护措施，过电压是用阻容元件吸收和消耗过电压的能量，或选用非线性元件限制过电压的幅度，用电子电路来实施保护等方法。过电流一般采用快速熔断器，快速直流开关和电子电路来实施过电流保护。 设计中采用快速熔断器的保护措施，使用时与被保护晶闸管直接串联，如图15

图为matlab控制电路仿真部分图

系统原理结构图

5.6驱动电路设计

驱动电路的作用是将控制电路输出的PWM脉冲放大到足以驱动IGBT，所以单

从原理上讲，驱动电路主要起开关功率放大作用，即脉冲放大作用器。其重要性

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在于IGBT的开关特性与驱动电路的性能密切相关。 5.6.1绝缘栅双极型晶体管（IGBT）对驱动电路的要求 5.6.1.1门极电压对开关特性的影响及选择

驱动电路的要求与IGBT的特性密切相关，见表5.1。设计门极驱动电路时，应特别注意其开通特性、负载短路能力和dUCE/dt引起的误触发等问题。正偏置电压UGE增加，通态电压UCE下降，开通能耗EON也下降，只有当UGE大到一定值时，UCE才能达到较低的饱和值。若+UGE固定不变时，导通电压将随集电极电流增大而增高，开通损耗将随结温而升高。由此可知当门极电压在15V左右时，通态压降接近饱和，但是门极电压不能超过20V，否则可能击穿门极与发射极之间的氧化膜，这里选择18V。

表5.1 IGBT的门极驱动与特性的关系

特 性 条件

UCE(sat) ton、EON Toff、EOFF 负载短路du/dt 增大 减小 减小 能力 UCE大 UCE 大 RG 大 减小 —— —— 减小 —— 增大 —— 微增大 增大 减小 —— —— 负偏电压-UGE直接影响IGBT的可靠运行，负偏电压增高时漏极浪涌电流明显下降，对关断能耗无显著影响，-UGE与集电极浪涌电流和关断能耗EOFF的关系十分密切。因为当IGBT关断时，会在集电极和射极间产生很高的电压上升率，引发较大的位移电流，使得门极与发射极间的电压升高，可能超过门极阀值，导致脉冲浪涌电流过大，发生擎住效应。为了避免这种误触发，在IGBT关断时，应在门极上加负电压，-5V～-10V。因此，驱动电路输出选择+18V和-5V为开通和关断电压。

5.6.1.2门极串联电阻RG对开关特性的影响及选择

门极电阻RG增加，将使IGBT的开通与关断时间增加；因而使开通与关断能耗均增加。而门极电阻减小，则又使di/dt增大，可能引发IGBT误导通，同时RG上的损耗也有所增加。因为RG的具体数值还与栅控电路的具体形式及IGBT的电压、电流大小有关，所以门极电阻选择要适当。 本设计中的门极电阻可选取30Ω。

综上所述对驱动电路的要求可归纳如下：

①IGBT与MOSFET都是电压驱动，都具有一个2.5～5.0V的阈值电压，有一个容性输入阻抗，因为IGBT对栅极电荷集聚较敏感，故驱动电路必须很可靠，

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要保证有一条低阻抗的放电回路，即驱动电路与IGBT的连线要尽量短。

②用内阻小的驱动源对栅极电容充放电，以保证栅极控制电压UGE有足够陡的前后沿，使IGBT的开关损耗尽量小。另外,IGBT开通后，栅极驱动源应能提供足够的门极电压，使IGBT不致退出饱和而损坏。

③驱动电路要能传递几百Hz的脉冲信号。

④驱动电平+UGE也必须综合考虑。+UGE增大时，IGBT通态压降和开通损耗均下降，但负载短路时的IC增大，IGBT能承受短路电流的时间减少，对其安全不利，因此在有短路过程的设备中UGE应选得小些，一般选12～15V。

⑤在关断过程中，为尽快抽取PNP管中的存储电荷，需施加一负偏压UGE，但它受IGBT的G、E间最大反向耐压限制，一般取-2～-10V。

⑥驱动电路与控制电路应严格隔离。

⑦IGBT的栅极驱动电路应尽可能简单实用，最好自身带有对IGBT的保护功能，并有较强的抗干扰能力。 5.6.1.3 IGBT过压的原因及抑制

IGBT关断时，由于主回路电流的急剧变化，主回路的杂散电感引起高压，产生开关浪涌电压，由于此开关浪涌电压，关断时的电压轨迹超过了RBSOA（反向偏置电压安全动作区域）就会损坏元件。

为了对这种过电压进行抑制，采用适当的布线使主电路中的所有寄生电感减至最小时有利的，然后采用抑制网络，并以最短的距离将其连接起来，在本系统中，采用的缓冲回路如下图5.2所示： （1）工作原理

在IGBT导通时，通过R1使Cs1充电到直流电源U d。当T1由导通变为截止时，由于主回路的杂散电感，电流Io将通过Cs1、D1流向变压器原边，管子两端的电压为电容电压与二极管电压之和，由于电容器Cs1上的电压不能突变，所以T1管子两端电压将得到抑制。 （2）缓冲器回路的设计

1、缓冲器电容的计算：当T1由导通变为截止时，为维持负载电流的连续，电流Io将流过电容Cs1、D1、变压器原边、T4，杂散电感L中储存的能量绝大部分将转移到Cs1储存，即：

LI0/2CS1(VCEPUd)2/2

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2345这里：L-------- 主回路的杂散电感 I0-------- IGBT关断时的集电极电流 VCEP------- IGBT关断时的集电极—发射极电压 Ud--------直流电源电压 I0T1D1Cs1R3按经验选取CS12f 2、缓冲器阻抗R的计算:对缓冲器阻抗的要求使IGBT在关断信号到来之前，将缓冲器电容上的电压放 至直流电压Ud。若阻抗很小，会使电流波动，IGBT 开通时的集电极电流初始值将增大，在满足R1的前提下，希望选取尽可 23CSfUdT3D3R1Cs3能大的阻值，选取R=10Ω。在缓冲电路中，电容要选为无感电容。电阻要选为无感电阻。 3、缓冲器二极管的选择：要选择快恢复二极管，若二极管选择不当，会产生很高的尖峰电压，同时在二极管反向恢复时期电压波动。这里选择二极管型号为MUR8100。由图5-2可知缓冲器二极管D1和缓冲器电容Cs1的公共点是二极管的阳极，所以图5.3中二极管电压为实际电压的相反值，可以看出，在T1由导通变为截止时，D1导通，Cs1 充电，所充电压为Ldidt，其中L为主回路的杂散电感。在T3由导通变为截止时， D1不通并承受反压，Cs1通过R1充电，所充电压为(LL1)L1为变压器的漏感。 5.6.2 IGBT的过流保护 在选择IGBT的型号时，考虑了器件的工作电流及允许的过电流，然而在故障条件下，器件承受较大的故障浪涌电流，这是不允许的，所以要用某些方法保护器件免受破坏。对于负载变化引起的过载，通过闭环控制，是可以调节的。但是当出现更为严重的过载，例如逆变电路桥臂短接等问题时，故障电流在IGBT管2345TitleSizeBDate:File:Numberdi，其中dt3-Jun-2005 D:\\原理图\\主回路.D中急剧上升，这时就要给IGBT提供一个快速保护电路。 在主电路所示IGBT的逆变电路中，T1 和T3, T2和T4分别组成一个桥臂，如果由于故障或误操作使得同一桥臂上的IGBT同时导通，即会产生桥臂短路现象，比如，T1和T3同时导通即会由短路电流流过两个IGBT，其电流通路如图所示。由于T1和T3支路的电感很小，短路电流的上升率和浪涌冲击电流均很大，又可能导致IGBT烧毁。

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5.6.3设计短路保护电路的几点要求

2 （1）在器件实效之前完成IGBT的关断，对于IGBT所经历的所有工作状况，34它应该是成立的。 （2）应有一定的抗干扰能力。 （3）由于快开关的di/dt和杂散电感相互作用，开关电路产生噪声，以及电路中其它的电磁干扰，故障检测应有一定的抗干扰能力。 （4）应足以适用于电路中的各种短路情况。 （5）不应影响IGBT的开关特性。 250uACALED319810C10829out2D VE(16) CVin-(1)Vcc1(3)GND(4)FAULTFAULT(6)QRRESET(5)9SFAULT12CA435B6810LED2 图10 dxp仿真电路设计 TitleSizeA4Date:File:23Number5-Jun-2005 Sheet of D:\\a毕业设计说明书\\nn\\毕业设计（周学平的）\\主Drawn 回路.DdBy:b4 图11 感应加热电路设计

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5+7LED1out26DELAYUVLO5Vin+(1)67V12VDESAT(14)+7Vcc2(13) Vc(12)Vout(11)50×1×VEE(9,10) B ARevision6.设计成果分析

整流器和逆变器等同一个谐波源，在运行时都会向电网注入谐波电流电压，这些谐波分量都将产生不良影响，目前只能靠LC滤波器来尽量减少谐波分量的影响。

换流过程中的电压毛刺会引起电路产生过电压，这种现象主要靠增加阻容吸收来克服。

中频感应加热装置具有体积小，噪声低，效率高，耗电小，操作方便，可靠性高等优点，设计中1KHz∕100KW可控硅中频感应加热电源，整流电路采用三相桥式全控整流，电路结构简单，控制电路采用双闭环反馈控制电路，改善了信号迟滞的缺点。但是，设计中还有谐波影响，电压毛刺不易滤除等缺点需要在今后的学习中进一步探索研究，以找到解决的办法。

7.心得体会

从刚刚拿到题目，查资料，找方法到最终设计完成，虽然没有实现实物制作，但整个过程中，对电力电子课程中学到的整流，逆变，过电压过电流电路保护等知识有了更加深入透彻的理解，同时在设计控制电路中，还运用了自动控制原理中的PI控制器等一系列知识。课程设计使我在本学期学习的专业基础知识得到了检验，在运用中遇到了不少问题，这些都是理论和实践之间的差距，需要在今后的学习中进一步完善巩固，本次课设收获很多。

本次课程设计中仅完成了对中频加热电源电路的设计，由于时间紧张，并没有制作实物，在课余时间准备尝试将实物制作出来，现场观察中频感应加热电源的工作过程，在制作的过程中会发现更多问题，但是通过请教同学和老师不断解决问题，最终完成课程设计。

最后，再次感谢老师和同学的帮助。

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参考文献：

《电路理论基础》中南大学出版社 赖旭芝 《电力电子技术》机械工程出版社 王兆安 刘进军 《模拟电子技术基础》中南大学出版社 罗桂娥 《精通matlab2012a》张智勇 清华大学出版社

《Protel DXP2004电路设计与仿真教程》李秀霞 郑春厚 北航出版社 关于中频加热资料 课件 matlab仿真基础

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