具有并联谐振的逆变电源电路设计原理与方案

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（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（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。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。

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.

       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，如结束语的工作稳定性。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。

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