【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 變器的閉環(huán)控制電路。第4章 實(shí)驗(yàn)仿真 第4章 實(shí)驗(yàn)仿真本文所設(shè)計(jì)的雙E類放大器是一種基于E類放大器的新型逆變器。相對(duì)于傳統(tǒng)的E類放大器，這種逆變器是一種推挽式E類放大器[7] (這里簡(jiǎn)稱雙E類變器)。逆變器的開關(guān)管共同承擔(dān)輸入電壓的峰峰值，交替為負(fù)載提供高頻電流，使其輸出功率可提高4倍。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)。各元件參數(shù)為：直流輸入電壓40V，高頻扼流濾波電感，諧振電容，諧振電感，槽路中的負(fù)載為?？紤]到兩個(gè)MOSFET并聯(lián)后其輸出電容會(huì)增大，故選取的旁路電容比單個(gè)MOSFET時(shí)的要小，這里。仿真實(shí)驗(yàn)電路如圖41所示。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42是E類逆變器典型的失調(diào)波形，由上圖可以看出，開關(guān)管不是在零電壓下開通，因而會(huì)對(duì)開關(guān)管造成很大的電流沖擊，嚴(yán)重時(shí)有可能損壞開關(guān)管，開關(guān)管是不能在這種狀態(tài)下工作的。圖42 E類逆變器失調(diào)波形由上圖可以看出，要想開關(guān)管在零電壓條件下開通，關(guān)鍵是調(diào)節(jié)拐點(diǎn)的位置，主要從兩方面調(diào)節(jié)，一方面是調(diào)節(jié)拐點(diǎn)的水平位置，使拐點(diǎn)恰好發(fā)生在開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)；另一方面是調(diào)節(jié)拐點(diǎn)的垂直位置，使發(fā)生拐點(diǎn)時(shí)，恰好為零。[6]圖43是調(diào)節(jié)E類逆變器負(fù)載的各元件對(duì)E類逆變器的工作狀態(tài)的影響效果圖。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)由組成，下面我們具體分析它們對(duì)電路的影響。 當(dāng)增大時(shí)，拐點(diǎn)的水平位置會(huì)向右移，垂直位置向下移。反之則向相反的方向移動(dòng)。 當(dāng)增加時(shí)，拐點(diǎn)的水平位置將會(huì)向右移，垂直位置向上移。反之則向相反方向移動(dòng)。 當(dāng)增加電阻時(shí)，拐點(diǎn)的垂直位置會(huì)向上移，反之則向相反方向移動(dòng)。下面簡(jiǎn)單介紹E類逆變器的調(diào)試過程中的注意事項(xiàng)： 工作頻率的調(diào)節(jié)。我們可以在一定范圍內(nèi)通過調(diào)節(jié)開關(guān)頻率調(diào)節(jié)輸出電壓，頻率降低，輸出電壓增加，頻率增高，輸出電壓減少，頻率調(diào)節(jié)的范圍和諧振網(wǎng)絡(luò)的品質(zhì)因數(shù)有關(guān)，品質(zhì)因數(shù)越高，調(diào)節(jié)一定的輸出電壓所需的頻率范圍就越小，但品質(zhì)因數(shù)不能太高，否則E逆變器的效率就會(huì)降低。 開關(guān)占空比的調(diào)節(jié)。，這時(shí)的輸出功率最大，輸出的諧波也較少，但也可以根據(jù)實(shí)際情況在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)占空比，占空比不能過大，占空比越大，開關(guān)管上的峰值電壓就越高，尤其在空載的時(shí)候。占空比也不能過小，占空比過小，開關(guān)管的峰值電流就越大。 元件參數(shù)的調(diào)節(jié)。在實(shí)際電路的調(diào)試中，往往需要同時(shí)調(diào)節(jié)多個(gè)電路元件參數(shù)才能將電路調(diào)整到最佳狀態(tài)，并達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 仿真波形驅(qū)動(dòng)脈沖和開關(guān)管M3兩端的電壓、電流波形圖44 驅(qū)動(dòng)脈沖和開關(guān)管M3兩端的電壓、電流波形當(dāng)開關(guān)管M3由關(guān)斷到開通時(shí)，流過開關(guān)管M3的電流為零。當(dāng)開關(guān)管M3由開通到關(guān)斷時(shí)，其兩端的電壓值為零，實(shí)現(xiàn)了軟開關(guān)功能，減小了開關(guān)損耗。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)。整流波形圖47 輸出電壓和整流后的電壓圖47是輸出電壓波形和經(jīng)過不控整流橋整流后的電壓波形。輸出的正弦交流電壓，在經(jīng)過不控整流橋整流以后，得到直流電壓。驅(qū)動(dòng)脈沖波形圖48 驅(qū)動(dòng)脈沖經(jīng)不控整流得到的直流信號(hào)與給定的幅值為10V，頻率為1MHz的三角波信號(hào)進(jìn)行比較，得到方波信號(hào)，用來驅(qū)動(dòng)MOS管。本章小結(jié)本章主要說明的是閉環(huán)電路的仿真。根據(jù)電路原理對(duì)設(shè)計(jì)的閉環(huán)控制電路利用pspice進(jìn)行仿真。觀察仿出的波形，調(diào)整電路中元件的參數(shù)，使電路工作在最佳狀態(tài)或準(zhǔn)最佳狀態(tài)。結(jié)論 結(jié) 論感應(yīng)加熱電源以其環(huán)保、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用，由于E類逆變器可以在很高的頻率下保持很高的效率，可以得到很好的正弦波，在工業(yè)生產(chǎn)中得到越來越多的應(yīng)用。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。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在原有頻率不變的情況下，極大提高了輸出功率。本論文主要進(jìn)行雙E類逆變器的研究工作，分析雙E類逆變器的工作狀態(tài)，解決雙E類逆變器工作頻率對(duì)負(fù)載諧振頻率的跟蹤、逆變工作狀態(tài)的控制設(shè)計(jì)，對(duì)控制策略進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)，得出仿真結(jié)果。本論文的主要工作如下：說明了感應(yīng)加熱的原理，分析了國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀。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。分析了串聯(lián)諧振電路的情況以及雙E類逆變器的負(fù)載諧振頻率。并給出了雙E類逆變器的參數(shù)計(jì)算方法。設(shè)計(jì)了雙E類逆變器的閉環(huán)控制電路，并對(duì)其進(jìn)行了仿真。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。在失調(diào)狀態(tài)下，開關(guān)管兩端的電壓沒有諧振到零就開通，所以不是零電壓開通，而且由于并聯(lián)在開關(guān)管兩端的電容容量較大，這時(shí)在電容上還存在的正向電壓直接對(duì)導(dǎo)通的開關(guān)管放電，會(huì)對(duì)開關(guān)管造成很大的電流沖擊，不僅這時(shí)的開通損耗很大，而且嚴(yán)重的時(shí)候還有可能損壞開關(guān)管。這就要求我們要徹底的研究雙E類逆變電路，并給出準(zhǔn)確快速的控制電路，避免這種情況的發(fā)生。參考文獻(xiàn) 參考文獻(xiàn)1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—132余岳輝，大功率電力電子器件的線發(fā)展，電源技術(shù)應(yīng)用，1999（3）3 沈錦飛，惠晶，吳雷，E類高頻諧振DC/AC變換器[J]，電力電子技術(shù)，2002,36 （6）4 劉鋒，王華民，劉慶豐，孔令枝，一種新型逆變器的分析與設(shè)計(jì)[J]電力電子技術(shù)，2004,38 （4）5 蘇娟 高頻功率MOSFET驅(qū)動(dòng)電路及并聯(lián)特性研究 西安理工大學(xué)碩士論文6 李永平,董欣，PSpice電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，國(guó)防工業(yè)出版社，20057 張長(zhǎng)法，劉鋒，一種適應(yīng)于感應(yīng)加熱用新型逆變器，制造業(yè)自動(dòng)化，2004，26：16~198 毛鴻、王翔，CD4046集成所相環(huán)在感應(yīng)加熱電源中的應(yīng)用。電子技術(shù)應(yīng)用，1997 10 51^529 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)，1999，15:52~5510 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》2000（1）11 and Hobson, High power classE amplifier for highfrequency induction heating applications, IEEE Proceedings of Electronic Power Applications, 1988, 24(14)。 88688812 Lee D,Hyun Hybrid control scheme of activeclamped class E inverter with induction heating jar for high power application, Electronic Power Application[J],IEEE Proceedings,2004,151(6):70471013 SOKAL,., and SOKAL,.。 ClassEa new class of high efficiency tuned singleended switching power amplifiers, IEEE J. Solidstate Circuits,1975,SC10, 14 , and .”O(jiān)ptimun performance of class E amplifier with inductive pensation.” Asia Pacific Microwave ’92,1993,(Taiwan).15 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， 200016 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致 謝 致 謝本論文的工作是在我的導(dǎo)師***老師的悉心指導(dǎo)下完成的，王老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和科學(xué)的工作方法給了我很大的幫助和影響。在此衷心感謝這一學(xué)期王老師對(duì)我的關(guān)心和指導(dǎo)。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。在此次完成畢業(yè)設(shè)計(jì)期間，我的同學(xué)對(duì)我順利完成畢業(yè)設(shè)計(jì)也給予了熱情幫助，在此向他們表達(dá)我的感激之情。附錄 附錄1燕 山 大 學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告課題名稱：雙E類逆變器拓?fù)潆娐贩抡嫜芯繉W(xué)院（系）： *** 年級(jí)專業(yè)： 08應(yīng)用電子2班 學(xué)生姓名： *** 指導(dǎo)教師： *** 完成日期： 2012年3月19日 一、綜述本課題國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)，說明選題的依據(jù)和意義感應(yīng)加熱技術(shù)是20世紀(jì)初才開始應(yīng)用于工業(yè)部門的，它是通過電磁感應(yīng)原理及利用渦流對(duì)工件進(jìn)行加熱。由于感應(yīng)加熱具有加熱速度快、物料內(nèi)部發(fā)熱和熱效率高、加熱均勻且具有選擇性、產(chǎn)品質(zhì)量好、幾乎無污染、可控性好及易于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化等一系列優(yōu)點(diǎn)，因而近年來得到了迅速發(fā)展。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。眾所周知，以上這些行業(yè)中的傳統(tǒng)加熱方法大多是以煤、油、氣為能源或箱式電爐加熱，存在能耗高、勞動(dòng)條件差、環(huán)境污染嚴(yán)重、工藝質(zhì)量難以控制等缺陷，嚴(yán)重制約了我國(guó)機(jī)械工業(yè)的發(fā)展。因此，全面推廣感應(yīng)加熱技術(shù)，是改造我國(guó)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的必然趨勢(shì)，而此技術(shù)的發(fā)展與感應(yīng)加熱電源水平密切相關(guān)。目前，感應(yīng)加熱電源DC/AC逆變器一般采用橋式諧振電路。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。其缺點(diǎn)是電路中為防止上下橋臂直通而設(shè)置的死區(qū)時(shí)間使開關(guān)頻率的增加收到限制，同時(shí)高頻工作時(shí)由于功率器件數(shù)目多而造成開關(guān)損耗急劇上升。所以近年來，E類逆變電源在高頻和超高頻感應(yīng)加熱中的應(yīng)用比較廣泛。1975年，Sokal提出的高頻高效E類放大器，由于采用軟開關(guān)工作方式，固其逆變工作頻率高，效率理論值可達(dá)100%，這個(gè)優(yōu)異特點(diǎn)讓它得到很大的發(fā)展。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。采用雙E類逆變器，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)上改變控制電路，兩個(gè)開關(guān)管共同承擔(dān)輸入電壓的峰值，交替為負(fù)載提供高頻電流，即可使輸出功率提高到原來的4倍。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在原有頻率不變的情況下，極大提高了輸出功率，對(duì)下一步研究大功率逆變電源提供了廣闊的前景。二、研究的基本內(nèi)容，擬解決的主要問題 對(duì)于感應(yīng)加熱的逆變器，提高開關(guān)管的效率是非常重要的，如果能夠?qū)㈤_關(guān)管的效率由80%提高到90%，我們就可以將開關(guān)管上的功率損耗降低一半，這就允許我們可以將輸出功率加倍，可以將開關(guān)管的散熱片的體積和重量減半，可以降低開關(guān)管的溫升，減少開關(guān)管損壞的可能性， 提高設(shè)備的可靠性?，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。感應(yīng)加熱電源由于其諸多優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)上已得到越來越廣泛的應(yīng)用。MOSFET等新型快速自關(guān)斷器件的出現(xiàn)，為高頻感應(yīng)加熱電源的實(shí)現(xiàn)提供了元件基礎(chǔ)。本文主要針對(duì)頻率為MHz情況下采用功率MOSFET為主器件的雙E類逆變器拓?fù)潆娐愤M(jìn)行研究，并設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)控制電路對(duì)開關(guān)管進(jìn)行控制，然后利用仿真軟件pspice進(jìn)行仿真。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)擬解決的主要問題是：如何提高M(jìn)OSFET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。在并聯(lián)運(yùn)行時(shí)需要考慮電流的均衡問題；設(shè)計(jì)合理的驅(qū)動(dòng)控制電路；利用pspice進(jìn)行仿真，驗(yàn)證可行性。三、研究步驟、方法及措施 首先查閱資料以及相關(guān)文獻(xiàn)，了解雙E類逆變器的應(yīng)用范圍，發(fā)展情況，以及基本工作原理等，對(duì)設(shè)計(jì)有初步了解，然后設(shè)計(jì)總體方案。接下來具體設(shè)計(jì)與研究。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。并掌握雙E類逆變器的工作原理，了解MOSFET的開關(guān)特性，研究如何提高M(jìn)OSFET的開關(guān)頻率，如何降低MOSFET的高頻開關(guān)損耗，解決雙管并聯(lián)時(shí)電流的均衡問題；根據(jù)要求計(jì)算各參數(shù)，選擇合理的器件。根據(jù)所選的MOSFET，設(shè)計(jì)合理的驅(qū)動(dòng)電路，對(duì)開關(guān)管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制，并計(jì)算各參數(shù)數(shù)值，選擇器件。最后根據(jù)所計(jì)算的參數(shù)，利用pspice軟件進(jìn)行仿真，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)方案是否可行。四、研究工作進(jìn)度 第一、二周：查閱資料，閱讀文獻(xiàn)；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