【正文】 886888 【 11】 Lee D,Hyun Hybrid control scheme of activeclamped class E 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 36 inverter with induction heating jar for high power application, Electronic Power Application[J],IEEE Proceedings,2022,151(6):704710 【 12】 SOKAL,., and SOKAL,.。 五、 主要參考文獻(xiàn) 【 1】 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)， 2022,36 （ 6） 【 2】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)， 2022,38 （ 4） 【 3】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 【 4】李永平 ,董欣， PSpice 電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，國防工業(yè)出版社， 2022 【 5】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， 2022， 26： 16~19 【 6】毛鴻、王翔， CD4046 集成所相環(huán)在感應(yīng)加熱電源中的應(yīng)用。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。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 MOSFET 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。接下來具體設(shè)計(jì)與研究。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。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?進(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。 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。 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)⒀嗌酱髮W(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 34 開關(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。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。 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。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。 目前，感應(yīng)加熱電源 DC/AC 逆變器一般采用橋式諧振電路。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)重制約了我國機(jī)械工業(yè)的發(fā)展。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。 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。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)。 886888 12 Lee D,Hyun Hybrid control scheme of activeclamped class E inverter with induction heating jar for high power application, Electronic Power 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 30 Application[J],IEEE Proceedings,2022,151(6):704710 13 SOKAL,., and SOKAL,.。參考文獻(xiàn) 29 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—13 2 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)，2022,36 （ 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)， 2022,38 （ 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)，國防工業(yè)出版社， 2022 7 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， 2022，26： 16~19 8 毛鴻、王翔， CD4046 集成所相環(huán)在感應(yīng)加熱電源中的應(yīng)用。 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。 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。 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。本論文的主要工作如下： 說明了感應(yīng)加熱的原理，分析了國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀。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。燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 28 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。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。 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 第 4 章 實(shí)驗(yàn)仿真 27 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。 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 。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。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。一般占空比的調(diào)節(jié)范圍在 到 之間。一般定 ，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。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) Q 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。 當(dāng)增加電阻 R 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)。 當(dāng)增加 1C 時(shí)，拐點(diǎn)的水平位置將會(huì)向右移，垂直位置向上移。 當(dāng)增大 22,CL 時(shí)，拐點(diǎn)的水平位置會(huì)向右移，垂直位置向下移。 [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 42 是 E 類逆變器典型的 sV 失調(diào)波形，由上圖可以看出，開關(guān)管第 4 章 實(shí)驗(yàn)仿真 23 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。仿真實(shí)驗(yàn)電路如 圖 41 所示。各元件參數(shù)為：直流輸入電壓 40V，高頻扼流濾波電感 HLL ?5521 ?? ，諧振電容 nFCr ? ，諧振電感 HLr ?? ，槽路中的負(fù)載為 ?5 。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。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 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。型號(hào)為 LM339 其傳輸特性如圖 33 所示： VO HVO L0 VR E Fvi/ Vvo/ V 圖 33 比較器傳輸特性 雙 E 類逆變器電路總體設(shè)計(jì) 電路圖如圖 34 所示： 圖 34 雙 E 類逆變器設(shè)計(jì)電路圖 第 3 章 E 類逆變器的設(shè)計(jì)和計(jì)算 21 本章小結(jié) 本章主要是對(duì)雙 E 類逆變器進(jìn)行設(shè)計(jì)，分析了基本諧振電路， E 類逆變器的諧振頻率。根據(jù)輸出電壓的變化，通過反饋改變兩個(gè) MOSFET 的驅(qū)動(dòng)脈沖，從而改變 MOSFET 開通與關(guān)斷，進(jìn)一步控制輸出，使逆變器工作在諧振狀態(tài)。具體原理為：從輸出采樣信號(hào)，因?yàn)檩敵鲂盘?hào)是交流信號(hào)，所以采樣信號(hào)經(jīng)過不控整流并濾波，得到一個(gè)直流信號(hào)。其中旁路電容的計(jì)算值包括開關(guān)管的寄生輸出電容，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該減去MOSFET 本身的寄生輸出電容。 Vcc 直流側(cè)輸入電壓。 ccoS fVPC 2m axm in ? (319) 其中， maxoP 為最大輸出功率。也就是說，如果選取的旁路電容值比此值小的話，放大器的輸入輸出功率都會(huì)減少，因此，在這里給出了估算最小旁路電容值的計(jì)算公式 (34)。不過，在這里文獻(xiàn) [14]提供了一個(gè)最小電容值的計(jì)算公式。但在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，此值只適合在超高頻情況下的應(yīng)用，如果頻率不是太高，其寄生輸出電容太小。理論的分析推導(dǎo)方法文獻(xiàn) [14]較為詳細(xì)。如下所示： 高頻扼流濾波電感（ RFC）： 12)2(10 CfLD ?? （ 318） 在這里，需要特別指出的是旁路電容 C、選取，它的大小直接影響整個(gè)逆變器的工作狀態(tài) (最優(yōu)狀態(tài)與非最優(yōu)狀態(tài) )。品質(zhì)因數(shù) Q（這里一般為 7~4 ），工作頻率 f 以及負(fù)載 R 一旦確定，可參閱式（ 33）、（ 38）。 計(jì)算出來的額定電流值可以通過廠家提供的最大額定連續(xù)電流來選取 MOSFET。 [5][10] 假定： f?? 2? ， f 是電路的工作頻率， dcI 直流輸入電流。從工作原理中可以看出，燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 在 MOSFET 關(guān)斷時(shí)，流過 MOSFET 的電流轉(zhuǎn)移到旁路電容，在非理想狀態(tài)下，其電流峰值 也會(huì)為直流側(cè)的 倍，因此，也要選擇近 3 倍直流側(cè)輸入電流。 而額定電流應(yīng)該考慮流過該器件電流的額定值。因此，我們主要選擇低電容值，高耐壓的電容 。另一個(gè)不利的方面是對(duì)于一固定的頻率和一定的輸出功率，負(fù)載阻抗越大，工作電壓就越高，旁路電容的值越小。但是，我們不可能無限的尋求高擊穿電壓的 MOSFET，特別是尋求一些低導(dǎo)通電阻（考慮到高效工作），低輸入電容的 MOSFET（這種 MOSFET 更加易于驅(qū)動(dòng)）。因?yàn)镸OSFET 的過電壓時(shí)間稍長(zhǎng)就會(huì)被擊穿，特別是對(duì)于 E 類放大器，在非理想狀態(tài)時(shí)， MOSFET 要承受 倍的直流側(cè)電壓，因此，在選擇 MOSFET時(shí)，選擇電壓額定值大于或等于 4 倍直流輸入側(cè)電壓的 MOSFET。在實(shí)驗(yàn)中，考慮到非理想開關(guān)器件，也就是說工作過程中的開關(guān)損耗，電容、電感損耗，并且更好的抑制工作中高次諧波的干擾，在這里給出經(jīng)驗(yàn)值 Q=4～ 7。但是如果 Q 值太小，在開關(guān)管開通前 Vds 沒有降為零，也就是在開通前 Vds≈0在開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)旁路電容將通過開關(guān)管放電，其損耗為 fVC dss 221 這樣一也會(huì)降低了逆變效率，并且增力開關(guān)應(yīng)力。但是，如果 Q 值太大的話，在開關(guān)管開通前 Vds 將為負(fù)值 ，也就是在 MOSFET 開通前先導(dǎo)通開關(guān)管反并的二極管，雖然這種開通過程電流的轉(zhuǎn)換是從二極管到開關(guān)管，并不會(huì)帶來什么損第 3 章 E 類逆變器的設(shè)計(jì)和計(jì)算 17 害。隨著 L 值的增大，在 L上的功率擴(kuò)散也將增加，整個(gè)逆變器的效率也將降低。但是， Q 值太高，也會(huì)帶來兩點(diǎn)不利。 E類逆變器的設(shè)計(jì)和參數(shù)計(jì)算 品質(zhì)因數(shù) 品質(zhì)因數(shù) (以下簡(jiǎn)稱 Q值 )的大小直接影響槽路的工作波形。我們將 1Q 稱為最小品質(zhì)因數(shù)。 E類逆變器的諧振頻率 單 E類逆變器諧振頻率 如圖 22 所示，當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，諧振回路由 RCL , 22 組成，此時(shí)的諧振頻率