【正文】 百千瓦。 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。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(jiǎn)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?？偟膩碚f，國內(nèi)目前的超音頻電源研制水平大致為500KW/50KHz ，與國外的水平相比還有一定的差距。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。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)行了大量的研究，取得了很大的進(jìn)展。盡管 VDMOS 器件的開關(guān)速度 非?？?，但其導(dǎo)通電阻與 成正比，這就限制了它在高壓大功率領(lǐng)域的應(yīng)用。目前最高電壓已達(dá)4500V，最大電流可為 1800A。 E 類逆變器可以很好的第 1 章 緒論 7 應(yīng)用在 DCDC 變換， DCAC 變換中，可以應(yīng) 用在要求很高頻率的正弦波輸出場(chǎng)合。本文具體工作如下： （ 1） 對(duì)功率 MOSFET 進(jìn)行特性分析； （ 2） 為使感應(yīng)加熱電源的容量擴(kuò)大，研究功率 MOSFET 并聯(lián)使用情況； （ 3） 分析雙 E 類逆變器拓?fù)潆娐返脑恚? （ 4） 設(shè)計(jì)雙 E 類逆變器各元件的參數(shù)，對(duì)其進(jìn)行仿真； （ 5） 設(shè)計(jì)閉環(huán)控制電路，進(jìn)行參數(shù)計(jì)算，進(jìn)行仿真，調(diào)試使其工作在最佳狀態(tài)或準(zhǔn)最佳狀態(tài)。所以提高開關(guān)管的效率是意義重大的。 圖 21 最佳效率下的開關(guān)管的理想電壓和電流波形 第 2章 E 類逆變器結(jié)構(gòu)與原理分析 9 我們以圖 21 為例，來分析這種負(fù)載網(wǎng)絡(luò)要達(dá)到的目標(biāo)： 開關(guān)斷開后，電壓上升有一個(gè)延遲時(shí)間，這可以確保在開關(guān)管的電流還沒有降到零之前，開關(guān)管上不會(huì)有太高的電壓，這樣就可以大大降低關(guān)斷損耗。原因是 E 類逆變器采用軟開關(guān)方式工作，能夠在高頻工作時(shí)保持不同尋常的高效，并能夠輸出很好的正弦波形。 1C 為外加電容，目的是使開關(guān)管 S 工作在理想狀態(tài)。 （ 2） 當(dāng)開關(guān)管 S 關(guān)斷時(shí)，由于開關(guān)管 S 的兩端并著一個(gè)電容 1C ， 1C上的電壓由零緩慢上升，從而使開關(guān)管 S 在關(guān)斷電流拖尾期間，兩端的電壓上升的幅值有限。至此，電路完成了一個(gè)完整周期的工作，在負(fù)載 R 上得到了一個(gè)完整正弦輸出。 [4] L rrs 1S 2RL 1L 2C rC 1C 2 圖 24 雙 E 類逆變器拓?fù)?電路結(jié)構(gòu)圖 雙 E 類逆變器基本電路拓?fù)淙鐖D 24 所示，電感 21,LL 的阻抗足夠大，因而使流過的電流為一個(gè)恒定的值。 (1)S1 由關(guān)斷轉(zhuǎn)向開通， S2 由開通轉(zhuǎn)向關(guān)斷 t0t1，階段：電流 I1 開始流入開關(guān)管 S1，開關(guān)管上的電流 is1 開始上升，即 is1=I1 i0 由于 I1 恒定，流向負(fù)載的電流 i0 開始減少。此時(shí)負(fù)載電流 i0 開始反向上升 (規(guī)定負(fù)載電流從左向右為正向 )，由于電流 I2 恒定 (I2=ic2+i0 )，電容 C2 的充電電流不斷減少，直到減少到零，此刻電流 I2 全部轉(zhuǎn)向負(fù)載，即 i0 =I2。電容 C2 通過開關(guān)管 S2 放電，開關(guān)管 S2 的電流 iS2 逐漸增大，由于 I2 恒定，負(fù)載電流逐漸減少，直到減少到零，負(fù)載電流開始換向，進(jìn)入下一階段。 圖 26 雙 E 類逆變器工作波形 本章小結(jié) 本章主要介紹了 E 類逆變器最佳工作狀態(tài)下的電壓與電流工作波形。而在高頻范圍內(nèi)，主要為串聯(lián)諧振電路。感應(yīng)加熱用逆變電源負(fù)載的 Q 值（品質(zhì)因數(shù)）很低，為了提高負(fù)載電路的功率因數(shù)，通常在負(fù)載上并聯(lián)或者串聯(lián)電容以提 高其功率因數(shù)，電容與負(fù)載串聯(lián)也就構(gòu)成了串聯(lián)諧振電路，感應(yīng)線圈以電阻與電感串聯(lián)的等效形式表示，由圖 31 可見，負(fù)載的阻抗為： jXRXXjRCLjRZ CL ???????? )()1( ?? （ 31） 2222 )1()( CLRXXRZ CL ?? ?????? （ 32） 在 ? ? 0)(Im ??jZ 時(shí)產(chǎn)生串聯(lián)諧振，設(shè)諧振角頻率為 0? ，則 0100 ?? CL ?? , 即 LC10 ?? （ 33） 第 3 章 E 類逆變器的設(shè)計(jì)和計(jì)算 15 由于 00 2 f?? ? ， 故 LCf ?2 10 ? （ 34） 諧振時(shí)電路各參數(shù)如下： 等效阻抗： RZZ ?? 0 （ 35） 諧振電流： RUII ??0 （ 36） 電容 C 、電感 L 上的電壓： QUUU LC ?? （ 37） 諧振電流的品質(zhì)因數(shù)：CRRLQ 00 1?? ?? （ 38） 可見，諧振時(shí)外電源電壓全部加在電阻上，此時(shí)電感上的壓降和電容上的壓降大小相等，方向相反，它們的值是電源電壓的 Q 倍，所以，串聯(lián)諧振也稱為電壓諧振。 E類逆變器諧振頻率 如圖 24 所示，當(dāng)開關(guān)管 1S 導(dǎo)通（ 2S 斷開）時(shí)，諧振回路由 RCCL rr , 2組成，此時(shí)的諧振頻率 01? 和 諧振回路的品質(zhì)因數(shù) 1Q 分別為： 22011CCCCLrrr ??? ， RLQ r011 ?? （ 313） 當(dāng)開關(guān)管 1S 斷開（ 2S 導(dǎo)通時(shí)），諧振回路由 RCCL rr , 1 組成，此時(shí)的諧振頻率 02? 和諧振回路的品質(zhì)因 數(shù) 2Q 分別為： 11021CCCCLrrr ??? ， RLQ r022 ?? （ 314） 對(duì)于雙 E 類逆變器，一般來說 CCC ?? 21 ，所以 0201 ?? ? ， 21 ? ，所以，雖然雙 E 類逆變器工作在兩個(gè)不同的諧振回路，但是由于外加電容參數(shù)相同，所以諧振頻率也相同，即 02022 ??? ?? 。首先，對(duì)于給定的負(fù)載，隨著 R 值的增加， L(高頻扼流濾波電感 )值越大。但是，如果在這期間，反向電流的時(shí)間或者值太高，二極管的導(dǎo)通將會(huì)增加開關(guān)損耗，降低逆變效率，并且增加開關(guān)應(yīng)力，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致開關(guān)管的損壞。 MOSFET的選擇 選擇 MOSFET 主要考慮兩個(gè)因數(shù)，額定電流和額定電壓。因此，在這里，我們選擇了高擊穿電壓而不考慮其導(dǎo)通電阻和輸入電容的 MOSFET。槽路在諧振時(shí)，諧振電感、諧振電容所承受的電壓峰值為直流側(cè)輸入電壓的 Q 倍，因此選擇其額定電壓值大于或等于直流側(cè)輸入電壓的 1?Q 倍。而對(duì)于諧振電感、諧振電容的電流也為直流側(cè)的 3 倍。 主電路參數(shù)計(jì)算 諧振負(fù)載電路在前面已經(jīng)說明。如果逆變器工作在最優(yōu)狀態(tài)，其輸出 功率為最大值。應(yīng)用此值會(huì)使開關(guān)管承受較大的電壓應(yīng)力，對(duì)管子的電壓第 3 章 E 類逆變器的設(shè)計(jì)和計(jì)算 19 沖擊比較大。此公式的具體推導(dǎo)方 法可以從文獻(xiàn) [31]查閱。 另外，在這里給出了 E 類放大器旁路電容的經(jīng)典計(jì)算公式 (35)。它分別給了兩個(gè)比較器的同相輸入端和反 相輸入端，與給定的幅值為 10V，頻率為1MHz 的三角波進(jìn)行比較，得到兩路相反的脈沖，對(duì)兩個(gè) MOSFET 進(jìn)行控制。對(duì) E 類逆變器電路參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并給出了雙 E 類逆變器的閉環(huán)控制電路。為減小流過開關(guān) 管的電流并提高輸出功率，采用兩只 MOSFET 并聯(lián)實(shí)現(xiàn)。 圖 41 雙管并聯(lián)雙 E 類逆變器 E類逆變器的調(diào)試 由于實(shí)際電路中，電路元件的實(shí)際參數(shù)往往和設(shè)計(jì)參數(shù)不是完全一致，有可能使 E 類逆變器不是工作在最佳狀態(tài)，往往還需要經(jīng)過一定的調(diào)試過程才能使電路工作在最佳狀態(tài)，下面介紹 E 類逆變器的調(diào)試過程。 圖 43 各元件對(duì)工作狀態(tài)的影響 從上圖可以看出， E 類逆變器能否零電壓開通與 開關(guān)管關(guān)斷時(shí)的諧振網(wǎng)絡(luò)密切相關(guān)，從上面的分析我們可以知道，開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，諧振網(wǎng)絡(luò)由 RCCL , 212 組成，下面我們具體分析它們對(duì)電路的影響。燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 反之則向相反方向移動(dòng)。 開關(guān)占空比的調(diào)節(jié)。 元件參數(shù)的調(diào)節(jié)。 驅(qū)動(dòng)脈沖和流過 M1 的電流、 C1 電流 圖 45 驅(qū)動(dòng)脈沖和 M1 的電流、 C1 的電流 輸出電壓、電流波形 圖 46 輸出電壓、電流波形 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 圖 46 是負(fù)載電壓與電流波形，通過控制開關(guān)管的開關(guān)頻率，使輸出的電壓與電流達(dá)到諧振狀態(tài)。 本章小結(jié) 本章主要說明的是閉環(huán)電路的仿真。 由于 E 類逆變器的一些缺點(diǎn)，用雙 E 類逆變器可以在開關(guān)管上承受同樣大的電壓應(yīng)力的情況下，只 需在原有的 E 類逆變器的基礎(chǔ)上適當(dāng)改變電路，即可使原有的輸出功率提高 4 倍。 分析了 E 類逆變器電路的工作原理和雙 E 類逆變器電路的工作原理。 在基于以上工作的基礎(chǔ)上，今后還需對(duì)如下幾個(gè)方面的問題進(jìn)一步研究： 為使輸出功率提高，需進(jìn)一步研究多個(gè) MOS 管并聯(lián)時(shí)的情況。電子技術(shù)應(yīng)用， 1997 10 51^52 9 王華民，李朝陽，鎖相技術(shù)在感應(yīng)加熱電源中的應(yīng)用，西安理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1999， 15:52~55 10 何廣敏，趙萬生，王致良 影響 MOSFET 開關(guān)速度的因素分析 《機(jī)械與電子》 2022（ 1） 11 and Hobson, High power classE amplifier for highfrequency induction heating applications, IEEE Proceedings of Electronic Power Applications, 1988, 24(14)。 王老師悉心指導(dǎo)我完成了本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的工作，在學(xué)習(xí)和生活上都給予了我很大的關(guān)心和幫助，在此向王老師表示衷心的謝意。目前，感應(yīng)加熱已廣泛應(yīng)用于鑄造熔煉、鍛造毛坯加熱、鋼管彎曲、金屬表面熱處理、焊接、粉末冶金等行業(yè)中。其優(yōu)點(diǎn)是便于采用軟開關(guān)技術(shù)，大大減少半導(dǎo)體功率器件開通和關(guān)斷損耗。 E 類逆變器工作時(shí)，開關(guān)管承受 35 倍 直流母線的電壓應(yīng)力，其直流側(cè)輸入電壓收到了限制，以至限制了整個(gè)逆變器的輸出功率?，F(xiàn)在隨著能源消耗的不斷增長(zhǎng)，對(duì)能源的需求越來越大，提高功率變換器的效率，就可以顯著的降低能源消耗，從而降低生產(chǎn)成本。 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)擬解決的主要問題是： 如何提高 MOSFET 的開關(guān)頻率； 為了提高整機(jī)的輸出容量， MOSFET 可以并聯(lián)運(yùn)行。掌握 E 類逆變器的 工作原理，弄清其優(yōu)缺點(diǎn)，采用雙 E類逆變器解決其不足之處。 四、研究工作進(jìn)度 第一、二周：查閱資料，閱讀文獻(xiàn)； 附錄 35 第三、四周：總體方案設(shè)計(jì)，完成開題 報(bào)告； 第五、六周：設(shè)計(jì)主電路，計(jì)算電路參數(shù)； 第七、八周：設(shè)計(jì)控制及驅(qū)動(dòng)電路，計(jì)算電路參數(shù)； 第九 —十一周：進(jìn)行仿真，驗(yàn)證可行性； 第十二 —十五周：畫 A0 圖紙，撰寫論文； 第十六 —十七周：修改圖紙及論文，準(zhǔn)備答辯。 ClassEa new class of high efficiency tuned singleended switching power amplifiers, IEEE J. Solidstate Circuits,1975,SC10, 【 13】李愛文，張承慧 . 現(xiàn)代逆變技術(shù)及其應(yīng)用 . 北京；科學(xué)技術(shù)出版社， 2022 【 14】 , and .”O(jiān)ptimun performance of class E amplifier with inductive pensation.” Asia Pacific Microwave ’92,1993,(Taiwan). 【 15】陶永華，一種新型功率 MOSFET 逆變器的研究 . 電力電子技術(shù) . 1997（ 5）； 2528 【 16】沈旭，吳兆麟，等， 20KW/300KHz 高頻感應(yīng)加熱電源，電力電子技術(shù)， 30（ 2） 1996， 10—13 六、指導(dǎo)教師意見 該生態(tài)度認(rèn)真，完成前期基本工作，可以開題 指導(dǎo)教師簽字： 王躍鵬 2022 年 3 月 22 日 七、系級(jí)教學(xué)單位審核意見： 審查結(jié)果： □ 通過 □ 完善后通過 □ 未通過 負(fù)責(zé)人簽字： 年 月 日 附錄 37