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数字型感应加热电源方案分享之主电路设计

中频感应加热电源在目前的工业制造领域应用十分广泛 ， 也是很多工程师和厂家的重点关注方向之一 。在今明两天的方案分享中 ， 我们将会通过一个系列分享的形式 ， 为大家分享一种全新的中频感应加热电源设计方案 。今天要为大家分享的是这种新型感应加热电源的主电路设计方案 ， 大家一起来看看吧 。
在本文所设计的这种全新的数字型150kW/10kHz中频感应加热电源中 ， 其系统主要采用了IGBT桥式逆变器的串联谐振式工作模式 。在本方案中 ， 我们在主系统中利用了数字锁相环DPLL技术 ， 不但提高了系统频率跟踪的稳定性和可靠性 ， 解决了模拟控制中参数随温度漂移的问题 ， 而且还具备控制灵活 ， 电路简单 ， 高效节能 。
主电路系统
依据目前的市场需求和中频感应加热电源的基础设计需要 ， 在本方案中 ， 我们所设计的感应加热设备主电路系统中 ， 额定输出功率P=150kW ， 输出频率10kHz ， 输入电压为三相AC380V 。依据逆变原理和传统模拟系统存在的缺欠 ， 我们设计了一种10kHz/150kW串联谐振感应加热电源设备的主电路 ， 这一系统采用电流调节和功率调节组成双闭环功率控制电路 ， 具有调压范围宽、输出稳定性好等优点 。
图1 10kHz/150kW的感应加热电源主电路
在上述要求和设计思路下 ， 我们所完成的数字式中频感应加热系统的主电路结构 ， 如上图1所示 。从图1中我们可以看到 ， 在这一主电路系统中 ， 三相AC380V/50Hz经进线电抗器后加到三相不可控整流桥 ， 输出的直流电压Ud经电解电容Cd滤波成平直的电压 ， 通过直流斩波功率控制电路后 ， 再加到由四个IGBT和四个反并联二极管组成的单相全桥逆变器 。逆变器输出的电压U0经中频变压器T隔离并降压后送到由补偿电容C0和负载感应器组成的串联谐振电路的两端 。
在这一基于DSP的数字式中频感应加热系统中 ， 我们所设计的这一整流电路采用三相不控桥 ， 不需要额外的控制电路与晶闸管相控整流电路相比较 ， 提高了功率因数 ， 减小了输入侧的EMI ， 且其输出电压值适中稳定 。由于采用了负载谐振技术 ， 因此为保证主开关管工作于准零电流状态(ZCS) ， 输出功率的调节只能依靠改变逆变桥的供电电压来实现 ， 即在直流侧采用Buck斩波电路通过改变占空比D的大小来调节直流输出电压 ， 实现对输出功率的调节 。在开关管VT0导通期间 ， 二极管D0反偏 ， 输入提供能量给电感 ， 同时提供能量给负载 。当开关管关断时 ， 电感电压使二极管D5导通 ， 电感中存储的能量传送给负载 。采用电感L1和电容Cd0组成低通滤波器可以得到平稳的输出电压Udo ， 此方法控制简单方便 ， 且工作频率与谐振频率可以同步 ， 功率因数高 ， 无功损耗小 。
在图1所展示的这一10kHz/150kW的感应加热电源主电路系统中 ， 我们可以非常清晰的看到 ， 该系统中的逆变电路是由全控器件IGBT模块构成的串联谐振式逆变器 。在这里我们选用西门子BSM300GB120B进行两单元并联 ， 两组全控器件VT1、VT4和VT2、VT3交替导通 。输出负载所需要的中频交流电压U0 ， 由于串联谐振式逆变器的直流电源回路存在无功电流 。该无功电流随逆变器的输出功率因数减小而增大 。因此 ， 需并接高频滤波电容器Cd0流通无功电流 。IGBT逆变器控制方式是采用移相控制两个半桥电路 ， 各自按照180°方波控制(上下两个桥臂互补通断) 。但两半桥的控制方波在相位上相差一定角度θ(0°≤θ小于等于180°)负载上得到输出电压波形为正负对称θ宽的方波 。
在这一中频感应加热电源的主电路系统设计过程中 ， 为了有效减小逆变管的开关损耗 ， 我们所设计的逆变器的工作频率应当大于其谐振频率 。若逆变器的工作电压不变 ， 则在谐振点附近的输出功率 。当提高逆变器工作频率时 ， 负载等效阻抗增高 ， 输出功率减小 ， 输出功率因数很低 ， 而且逆变器主开关管工作在硬开关状态 ， 开关损耗大 ， 效率低 。
在本方案中 ， 我们所设计的这一数字式中频感应加热电源主电路系统 ， 其逆变电源选择采用串联谐振式全桥DC/AC逆变电路 ， 并选择以IGBT为主开关器件 ， 由电流调节和功率调节组成双闭环的PWM直流斩波器进行功率调节 。该逆变电源系统采用数字频率跟踪技术控制逆变器的工作频率 ， 使逆变器始终工作于谐振状态 ， 逆变器输出功率因数接近于1 ， 而且IGBT能始终工作在准零电流开关状态 ， 整机工作效率较高 。
【数字型感应加热电源方案分享之主电路设计】

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