【正文】 摘 要本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）（雙E類逆變器拓?fù)潆娐贩抡嫜芯浚?**燕 山 大 學(xué)2012年 6月 摘 要感應(yīng)加熱電源是利用電渦流對(duì)工件加熱的一種裝置，由于具有諸多優(yōu)點(diǎn)而在工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。目前，國內(nèi)中頻電源已經(jīng)非常成熟，高頻電源在頻率、容量等方面還有待提高。因此本文針對(duì)高頻電源進(jìn)行了理論分析和研究。文中首先介紹了感應(yīng)加熱電源的工作原理并講述了國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀。接下來分析了E類逆變器的工作原理和雙E類逆變器的工作原理，以及工作在最佳狀態(tài)下MOSFET的電流電壓波形，為接下來設(shè)計(jì)雙E類逆變器做了準(zhǔn)備。然后分析了諧振電路、E類逆變器的諧振頻率等，設(shè)計(jì)計(jì)算了雙E逆變器電路的參數(shù)。根據(jù)雙E類逆變器的原理，為使其工作在最佳狀態(tài)，設(shè)計(jì)了閉環(huán)控制電路。最后用pspice仿真，驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性。關(guān)鍵詞　感應(yīng)加熱；MOSFET；E類逆變器；pspiceIAbstractAbstractPower supply for induction heating is an equipment to heat the work piece by whirling current and it is applied widely in industry because of its many virtues. Now, intermediate frequency power supply is perfect, but high frequency power supply has defects in the aspects of frequency and capacity and so on. So high frequency power supply is developed in this thesis.Firstly, operation principle of induction heating is introduced and the actuality of the power supply for induction heating is summarized. Then analysis the operation principle of classE inverter, double classE inverter. and the MOSFET current and voltage waveforms in the best condition, which is preparation for design double classe inverter next. Moreover series resonant inverter is selected as inverter circuit and explain the resonant frequency of classE and double classE via analysis. In order to simulation the circuit, the inverter circuit parameters are designed and calculated. According to the principle of double classE inverter, in order to make it work in the best condition ,design closedloop control circuit. Finally using pspice simulation to verify the feasibility of the design.Keywords　induction heating。 MOSFET。 classE inverter。 pspiceII 目 錄摘 要 IAbstract II第1章 緒論 1 課題背景 1 感應(yīng)加熱電源的基本原理 1 電磁感應(yīng)與感應(yīng)加熱 1 透入深度與集膚效應(yīng) 2 感應(yīng)加熱電源的發(fā)展現(xiàn)狀 3 國外感應(yīng)加熱電源的現(xiàn)狀 3 國內(nèi)感應(yīng)加熱技術(shù)現(xiàn)狀 4 電力電子器件的發(fā)展 5 論文選題意義及主要工作 6第2章 E類逆變器結(jié)構(gòu)與原理分析 8 單E類逆變器原理分析 9 雙E類逆變器原理分析 11本章小結(jié) 13第3章 E類逆變器的設(shè)計(jì)和計(jì)算 14 基本諧振電路 14 E類逆變器的諧振頻率 15 單E類逆變器諧振頻率 15 16 E類逆變器的設(shè)計(jì)和參數(shù)計(jì)算 16 品質(zhì)因數(shù) 16 MOSFET的選擇 17 18 控制電路設(shè)計(jì) 19本章小結(jié) 21第4章 實(shí)驗(yàn)仿真 22 E類逆變器的調(diào)試 22 仿真波形 24本章小結(jié) 27結(jié)論 28參考文獻(xiàn) 29致 謝 31附錄1 32附錄2 37附錄3 42附錄4 50附錄5 58III第1章 緒論 第1章 緒論 課題背景感應(yīng)加熱技術(shù)是一種先進(jìn)的加熱技術(shù)，它具有傳統(tǒng)加熱方法所不具備的優(yōu)點(diǎn)，因而在國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)生活中獲得了廣泛的應(yīng)用。此項(xiàng)技術(shù)的核心內(nèi)容之一就是感應(yīng)加熱電源的研制。電源的性能價(jià)格比直接決定了其獲得應(yīng)用的速度與廣度，隨著電力電子器件制造成本正在迅速下降，不斷提升其性能水平是這種新技術(shù)獲得最大限度推廣的重要條件。 感應(yīng)加熱電源的基本原理Michael Farady于1831年建立的電磁感應(yīng)定律說明，在一個(gè)電路圍繞的區(qū)域內(nèi)存在交變磁場(chǎng)時(shí)，電路兩端就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，當(dāng)電路閉合時(shí)則產(chǎn)生電流。這個(gè)定律同時(shí)也就是今天感應(yīng)加熱的理論基礎(chǔ)。[1]感應(yīng)加熱的原理圖如圖11所示： 圖11 感應(yīng)加熱的原理圖如上圖，當(dāng)感應(yīng)線圈上通以交變電流時(shí)，線圈內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生相同頻率的交變磁通，交變磁通又會(huì)在金屬工件中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。根據(jù)MAXWELL電磁方程式，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小為： (11)式中N是線圈匝數(shù)，假如是按正弦規(guī)律變化的，則有： (12) 那么可得到感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為： (13)因此感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的有效值為： (14)由此可見，感應(yīng)加熱是靠感應(yīng)線圈把電能傳遞給要加熱的，然后電能在金屬內(nèi)部轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。感?yīng)線圈與被加熱金屬并不直接接觸，能量是通過電磁感應(yīng)傳遞的。另外需要指出的是，感應(yīng)加熱的原理與一般電氣設(shè)備中產(chǎn)生渦流以及渦流引起發(fā)熱的原理是相同的，不同的是在一般電氣設(shè)備中渦流是有害的，而感應(yīng)加熱卻是利用渦流進(jìn)行加熱的。這樣，感應(yīng)電勢(shì)在工件中產(chǎn)生感應(yīng)電流（渦流），使工件加熱。其焦耳熱為： (15)式中，：電流通過電阻產(chǎn)生的熱量（）； ：電流有效值（）； ：工件的等效電阻（）； ：工件通電的時(shí)間（）。由式（14）可以看出，感應(yīng)加熱和發(fā)熱功率與頻率高低和磁場(chǎng)強(qiáng)弱有關(guān)。感應(yīng)線圈中流過的電流越大，其產(chǎn)生的磁通也就越大，因此提高感應(yīng)線圈中的電流可以使工件中產(chǎn)生的渦流加大；同樣提高工作頻率也會(huì)使工件中的感應(yīng)電流加大，從而增加發(fā)熱效果，使工件升溫更快。另外，渦流的大小還與金屬的截面大小、截面形狀、導(dǎo)電率、導(dǎo)磁率等有關(guān)。 透入深度與集膚效應(yīng)在導(dǎo)體中流過電流時(shí)，在它的周圍便同時(shí)產(chǎn)生磁場(chǎng)、通過的電流為直流時(shí)，產(chǎn)生的磁場(chǎng)是固定的，不影響導(dǎo)體的導(dǎo)電性能；而通過交流電時(shí)，產(chǎn)生的磁場(chǎng)是交變的，會(huì)引起集膚效應(yīng)，使大部分電流在導(dǎo)體的表面流通，即有效導(dǎo)電面積減小，電阻增加。交流電流的頻率越高，集膚效應(yīng)越嚴(yán)重。透入深度的規(guī)定是由電磁場(chǎng)的集膚效應(yīng)而來的。電流密度在工件中的分布是從表面向里面衰減，其衰減大致是呈指數(shù)規(guī)律變化。工程上規(guī)定：，該處到表面的距離稱為電流透入深度。因此可以認(rèn)為交流電流在導(dǎo)體中產(chǎn)生的熱量大部分集中在電流透入深度內(nèi)。透入深度可用下式來表示： (16)式中，：導(dǎo)體材料的電阻率（）；：導(dǎo)體材料的相對(duì)磁導(dǎo)率；：電流頻率（）。從（16）可知，當(dāng)材料的電阻率，相對(duì)磁導(dǎo)率確定以后，透入深度僅與頻率的平方根成反比，因此它可以通過改變頻率來控制。頻率越高，工件的發(fā)熱層越薄，這種特性在金屬熱處理中得到了廣泛的應(yīng)用，如猝火、熱處理等。 感應(yīng)加熱電源的發(fā)展現(xiàn)狀感應(yīng)加熱技術(shù)從誕生至今，經(jīng)過近百年的發(fā)展，取得了令人矚目的成果，尤其是六十年代以后，固態(tài)電力電子器件的出現(xiàn)于發(fā)展，使感應(yīng)加熱技術(shù)和現(xiàn)代化生產(chǎn)許多方面密切相關(guān)，發(fā)展了很大的生產(chǎn)力的作用，因此世界各國都十分關(guān)注感應(yīng)加熱技術(shù)的發(fā)展，并投入了相當(dāng)?shù)慕?jīng)濟(jì)支持和技術(shù)力量。目前傳統(tǒng)的感應(yīng)加熱電源與固態(tài)感應(yīng)加熱電源取長補(bǔ)短，互補(bǔ)共存。 國外感應(yīng)加熱電源的現(xiàn)狀低頻感應(yīng)加熱的特點(diǎn)是透熱深度深、工件徑向溫差小，熱應(yīng)力小，熱處理工件變形小，比較適合大型弓箭的整天透熱、大容量爐的熔煉和保溫。目前，在低頻感應(yīng)加熱場(chǎng)合普遍采用傳統(tǒng)的工頻感應(yīng)爐。國外的工頻感應(yīng)加熱裝置可達(dá)數(shù)百兆瓦，用于數(shù)十噸的大型工件的透熱或數(shù)百噸的鋼水保溫。預(yù)計(jì)短期內(nèi)，以固態(tài)器件構(gòu)成的低頻感應(yīng)加熱電源在功率容量、價(jià)格和可靠性方面還難以與簡單的工頻感應(yīng)爐競爭，雖然其效率、體積和性能均優(yōu)于工頻爐。在中頻（150~10）范圍內(nèi)，晶閘管感應(yīng)加熱裝置已完全取代了傳統(tǒng)的中頻發(fā)電機(jī)組和電磁倍頻器，國外的裝置容量已達(dá)數(shù)十兆瓦。在超音頻（10~100）范圍內(nèi)，早期基本是空白，晶閘管出現(xiàn)以后，一度曾采用晶閘管以時(shí)間分割電路和倍頻器構(gòu)成的超音頻電源。八十年代開始，隨著一系列新型功率器件的相繼出現(xiàn)，以這些新型器件（主要有GTO、GTR、MCT、IGBT、BSIT、和SITH）構(gòu)成的結(jié)構(gòu)簡單的全橋型超音頻固態(tài)感應(yīng)加熱電源逐漸占據(jù)了主導(dǎo)地位，其中以IGBT應(yīng)用最為普遍。這是因IGBT使用起來方便可靠，很受電路設(shè)計(jì)者的歡迎。1994年日本采用IGBT研制出了1200KW/50的電流型感應(yīng)加熱電源，逆變器工作于零電壓開關(guān)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了微機(jī)控制。西班牙在1993年也已經(jīng)報(bào)道了3~600KW/100的IGBT電流型感應(yīng)加熱電源，歐、美地區(qū)的其它一些國家如英國、法國、瑞士等的系列化超音頻感應(yīng)加熱電源也達(dá)數(shù)百千瓦。在高音頻（100以上）領(lǐng)域，國外目前正處于從傳統(tǒng)的電子管振蕩器向固態(tài)電源的過渡階段。以日本為例其系列化的電子管振蕩器的水平為5~100KW/100~500，而其采用SIT的固態(tài)高頻感應(yīng)加熱電源的水平可達(dá)400KW/400，并且在1987年就已開始研制1200KW/200的SIT電源。歐美各國采用MOSFET感應(yīng)加熱電源的容量已達(dá)480KW/50~200，比利時(shí)的Inducto Elphiac公司生產(chǎn)的電流型MOSFET感應(yīng)加熱電源的水平可達(dá)1/15~600，美國英達(dá)公司的網(wǎng)頁上最近可以看到他們已經(jīng)推出2000KW/400的MOSFET高頻感應(yīng)加熱電源。 國內(nèi)感應(yīng)加熱技術(shù)現(xiàn)狀我國感應(yīng)加熱技術(shù)從50年代開始就被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。60年代末開始研制晶閘管中頻電源。到目前已經(jīng)形成了一定范圍的系列化產(chǎn)品，并開拓了較為廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)。在中頻領(lǐng)域，晶閘管中頻電源裝置基本上取代了旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)，已經(jīng)形成了500~8000/100~300KW的系列化產(chǎn)品。但國產(chǎn)中頻電源大多采用并聯(lián)諧振逆變器結(jié)構(gòu)，因此在開發(fā)更大容量的并聯(lián)逆變中頻感應(yīng)加熱電源的同時(shí)，盡快研制出結(jié)構(gòu)簡單，易于頻繁啟動(dòng)的串聯(lián)諧振中頻電源也是中頻領(lǐng)域有待解決的問題。在超音頻領(lǐng)域的研究工作八十年代已經(jīng)開始。浙江大學(xué)采用晶閘管倍頻電路研制了50KW/50的超音頻電源，采用時(shí)間分割電路研制了30的晶閘管超音頻電源、從九十年代初開始，國內(nèi)采用IGBT研制超音頻電源。浙江大學(xué)研制開發(fā)的50KW/50IGBT超音頻電源已經(jīng)通過浙江省技術(shù)鑒定?？偟膩碚f，國內(nèi)目前的超音頻電源研制水平大致為500KW/50，與國外的水平相比還有一定的差距。 電力電子器件的發(fā)展1957年，美國研制出世界上第一只普通的（400一下）反向阻斷型可控硅，后稱晶閘管（SCR）。經(jīng)過60年代的工藝完善和應(yīng)用開發(fā)，到了70年代，晶閘管已經(jīng)形成從低壓小電流到高壓大電流的系列產(chǎn)品。在這期間，世界各國還研制出一系列的派生器件，如不對(duì)稱晶閘管（ASCR）、逆導(dǎo)晶閘管（RCT）、門極輔助關(guān)斷晶閘管（GATT）、光控晶閘管（LTSCR）以及80年代迅速發(fā)展起來的可關(guān)斷晶閘管（GTO）。由晶閘管及其派生器件所構(gòu)成的各種電力電子裝置在工業(yè)應(yīng)用中主要解決了傳統(tǒng)的電能變換裝置中所存在的能耗大和裝置笨重的問題，因此電能的利用率大大提高了，同時(shí)也使工業(yè)噪聲得到一定程度。目前INTERNET上可以查到的高壓大電流晶閘管有POWEREX推出的用于高壓交流開關(guān)和靜止無功發(fā)生器用的12000V/1500A的晶閘管。1948年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了第一只晶體管以來，經(jīng)過20多年的努力，到了70年代，用于電力變化的晶體管（GTR）已進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，由于GTR具有自關(guān)斷能力且開關(guān)速度可達(dá)20，在PWM技術(shù)中一度得到了廣泛的應(yīng)用，并促使裝置性能進(jìn)一步提高和傳統(tǒng)直流電源裝置的革新，出現(xiàn)了所謂的“20千周革命”，但因功率晶體管存在二次擊穿、不易并聯(lián)以及開關(guān)頻率仍然偏低等問題，它的應(yīng)用受到了限制。70年代后期，電力半導(dǎo)體器件在高頻化進(jìn)程中一個(gè)標(biāo)志性器件，功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管（power MOSFET）開始進(jìn)入實(shí)用階段。進(jìn)入80年代，人們又在降低器件的導(dǎo)通電阻、消除寄生效應(yīng)、擴(kuò)大電壓和電流容量以及驅(qū)動(dòng)電路集成化等方面進(jìn)行了大量