【正文】 01? 和諧振回路的品質(zhì)因數(shù) 1Q 分別為： 22011CL?? ， RLQ 2022 ?? （ 39） 當(dāng)開(kāi)關(guān)管斷開(kāi)時(shí)，諧振回路由 RCCL , 212 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： 21212021CCCCL??? ， RLQ 2022 ?? （ 310） 可以看出， E 類(lèi)逆變器工作時(shí)存在兩個(gè)不同的諧振回路和諧振過(guò)程，兩個(gè)諧振回路的品質(zhì) 因數(shù)之間的關(guān)系為： 211020121 CC C ??? ?? （ 311） 在這里引入一個(gè)在開(kāi)關(guān)頻率下的負(fù)載的品質(zhì)因數(shù) LQ ： RLQL 2?? （ 312） 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 為了保證電路安全工作， E 類(lèi)逆變器的開(kāi)關(guān)頻率總是要滿(mǎn)足0201 ??? ?? ，對(duì)應(yīng)的有 21 Q L ?? 。 CRLU 圖 31 串聯(lián)諧振電路 如圖 31 所示為串聯(lián)諧振電路的等效電路圖。這種諧振電路將主要應(yīng)用在逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中（ E 類(lèi)放大器，推挽式雙 E 類(lèi)逆變器）。并聯(lián)諧振電路主要用于中、低頻范圍的逆變電源。分析了單 E 類(lèi)逆變器的工作原理和雙 E 類(lèi)逆變器的工作原理。 t5t6 階段：電容 C1 開(kāi)始放電，此時(shí) i0=Ie+iC1，負(fù)載電流繼續(xù)上升，開(kāi)關(guān)管 S2 上的電流為負(fù)載電流 i0 與 I2 之和，即開(kāi)關(guān)管 S2 上的電流隨著負(fù)載第 2章 E 類(lèi)逆變器結(jié)構(gòu)與原理分析 13 電流的增大而增大。此時(shí) I2=is2。由于負(fù)載電流 i0 不斷上升，開(kāi)關(guān)管 S1 上的電流也不斷上升，此時(shí) i s1=Ie＋ i0 (2)S1 由開(kāi)通轉(zhuǎn)向關(guān)斷， S2 由關(guān)斷轉(zhuǎn)向開(kāi)通 t3t4 階段：流向開(kāi)關(guān)管 S1 的電流轉(zhuǎn)移到旁路電容 C1，開(kāi)始在電容 C1建立電壓，即 ic1=Ie+i0}，此時(shí)由于開(kāi)關(guān)管 S2 開(kāi)通，電流 I2 分別轉(zhuǎn)向開(kāi)關(guān)管 S2 以及負(fù)載。 L rL 2L 1I 1I eV S 1i s 1C 1I 2R C ri c 2i c 1 S 2i 0i s 2 C 2 圖 25 電流流向圖 t2t3 階段：由于此時(shí)電容 C2 的電壓己被充至峰值， C2 開(kāi)始放電，流經(jīng) Cr， R， Lr， S1，電容 C2 上的電壓開(kāi)始減少。 t1t2 階段：負(fù)載電流 i0 開(kāi)始換向，電流 I2 一部分向電容 C2 充電， 另一部分流向負(fù)載。此時(shí)由于開(kāi)關(guān)管 S2 由開(kāi)通轉(zhuǎn)向關(guān)斷，流入 S2 的電流轉(zhuǎn)入流向 C2，即負(fù)載電流 i0 與 I2燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 向電容 C2 充電，充電電流 ic2＝ i0＋ I2，電容 C2 上的電壓開(kāi)始升高。 為了便于分析，現(xiàn)將雙 E 類(lèi)逆變器中電流的流向在簡(jiǎn)化模型中給出，如圖 25 所示，圖 26 為主要波形圖。 rrCL, 為諧振元件，在負(fù)載 R 上產(chǎn)生高頻的正弦波輸出。相對(duì)于傳統(tǒng)的 E 沒(méi)逆變器，這種推挽式逆變器（以下簡(jiǎn)稱(chēng)雙 E 類(lèi)逆變器）開(kāi)關(guān)管 S1 與 S2 共同承擔(dān)輸入電壓的峰值，交替為負(fù)載提供高頻電流，使其輸出功率可提高到原來(lái)的 4 倍。 t 1 t 2t 6t 5t 4t 3V d sI sI cI oI sI cS 開(kāi) 通 圖 23 E 類(lèi)逆變器工作波形 第 2章 E 類(lèi)逆變器結(jié)構(gòu)與原理分析 11 雙 E類(lèi)逆變器原理分析 1975 年， Sokal 提出的高頻高效 E 類(lèi)放大器，以其逆變工作頻率高，效率理論值可達(dá) 100%的優(yōu)異特點(diǎn)得到很大的發(fā)展。當(dāng)電容 1C 上的電壓到零時(shí)，使開(kāi)關(guān)管 S 導(dǎo)通，從而實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)管的零電壓開(kāi)通，也大大降低了開(kāi)通損耗。從而大大降低了關(guān)斷損耗。此時(shí)通過(guò)開(kāi)關(guān)管 S 的電流為電感 1L 中的電流和 2L ， 2C ， R 諧振回路中的電流之和。 [3] L 1 L 2C 2C 1V C CR 圖 22 E 類(lèi)逆變器原理圖 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 工作原理： （ 1） 開(kāi)關(guān)管 S 導(dǎo)通時(shí)，電感 1L 中的電流全部流過(guò) S ，由于 2L ， 2C 在開(kāi)通之前已經(jīng)儲(chǔ)存了能量，這時(shí) 2L ， 2C ， R 就形成一個(gè)閉合的諧 振回路。 2L ， 2C 為諧振元件，在負(fù)載 R 上產(chǎn)生高頻的正弦波輸出。有資料顯示， E 類(lèi)逆變器的效率可以高達(dá) 97%，實(shí)踐證明， E 類(lèi)逆變器在提高開(kāi)關(guān)電源的工作頻率和工作效率有顯著的效果，有廣闊的應(yīng)用前景。 單 E類(lèi)逆變器原理分析 E 類(lèi)逆變器是 70 年代出現(xiàn)的一種諧振變換器，自從出現(xiàn)就引起了廣泛的關(guān)注，得到了深入廣泛的研究，每年都有不少關(guān)于 E 類(lèi)逆變器這方面的文章發(fā)表，相關(guān)的產(chǎn)品也已有投入市場(chǎng)應(yīng)用的。 在開(kāi)關(guān)開(kāi)通時(shí)，開(kāi)關(guān)管上的電壓回到零，實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通，這可以避免了在開(kāi)關(guān)管兩端寄生電容放電造成的損耗，使開(kāi)通損耗幾乎為零。 減少開(kāi)關(guān)管上同時(shí)存在的電壓和電流的時(shí)間。 要提高開(kāi)關(guān)管的效率，我們應(yīng)主要從以下幾方面努力： 減少開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)的電壓降和斷開(kāi)時(shí)的漏電流，這主要是由開(kāi)關(guān)器件本身決定的，和負(fù)載并沒(méi)有關(guān)系。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種電氣設(shè)備變得越來(lái)越小，這就要求給其提供電能的電源變得越來(lái)越小，具有更高的功率密度，如果我們能夠提高開(kāi)關(guān)管的效率，就可以使開(kāi)關(guān)管在更高的頻率下工作，就可以減少逆變器中電感和電容的容量，減少了感應(yīng)加熱電源的體積。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 第 2章 E類(lèi)逆變器結(jié)構(gòu)與原理分析 對(duì)于感應(yīng)加熱的逆變器，提高開(kāi)關(guān)管的效率是非常重要的，如果能夠?qū)㈤_(kāi)關(guān)管的效率由 80%提高到 90%，我們就可以將開(kāi)關(guān)管上的功率損耗降低一半，可以將輸出功率加倍，可以將開(kāi)關(guān)管的散熱片的體積和重量減半，可以降低開(kāi)關(guān)管的溫升，減少開(kāi)關(guān)管損壞的可能性，提高設(shè)備的可靠性。 本文主要對(duì)雙 E 類(lèi)軟開(kāi)關(guān)逆變器進(jìn)行研究，在理論分析的基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。 采用雙 E 類(lèi)逆變器，在開(kāi)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(lèi)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。 [2] 論文選題意義及主要工作 由于 E 類(lèi)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(lái)越多的應(yīng)用。 MCT 是 80 年代后期出現(xiàn)的另一種比較理想的器件，目前研制水平為 300A/2022V， 1000V/1000V，最高電壓達(dá)3000V。目前最有發(fā)展前途的復(fù)合器件是絕緣柵雙極型晶體管 IGBT 和 MOS 柵控晶閘管 MCT， IGBT 于1982 年在美國(guó)率先研制出樣品， 1985 年開(kāi)始投產(chǎn)。 80 年代電力電子器件較為引人注目的成就之一就是開(kāi)發(fā)出雙極型復(fù)合器件。 100A/1000V 的 VDMOS 已商品化，研制水平達(dá)250A/1000V，其電流的容量還有繼續(xù)增大的趨勢(shì)。功率場(chǎng)效應(yīng)管中應(yīng)用最廣的是電流垂直流動(dòng)結(jié)構(gòu)的器件（ VDMOS）。 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(kāi)始進(jìn)入實(shí)用階段。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(kāi)關(guān)和靜止無(wú)功發(fā)生器用的 12022V/1500A 的晶閘管。在這期間，世界各國(guó)還研制出一系列的派生器件，如不對(duì)稱(chēng)晶閘管（ ASCR）、逆導(dǎo)晶閘管（ RCT）、門(mén)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(lái)的可關(guān)斷晶閘管（ GTO）。 電力電子器件的發(fā)展 1957 年，美國(guó)研制出世界上第一只普通的（ 400Hz 一下）反向阻斷型可控硅，后稱(chēng)晶閘管（ SCR）。浙江大學(xué)研制開(kāi)發(fā)的 50KW/50KHz IGBT 超音頻電源已經(jīng)通過(guò)浙江省技 術(shù)鑒定。 在超音頻領(lǐng)域的研究工作八十年代已經(jīng)開(kāi)始。 第 1 章 緒論 5 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 500~8000Hz /100~300KW 的系列化產(chǎn)品。 60 年代末開(kāi)始研制晶閘管中頻電源。歐美各國(guó)采用 MOSFET 感應(yīng)加熱電源的容量已達(dá)480KW/50~200 KHz ，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) 1MW /15~600KHz ，美國(guó)英達(dá)公司的網(wǎng)頁(yè)上最近可以看到他們已經(jīng)推出 2022KW/400KHz 的 MOSFET 高頻感應(yīng)加熱電源。 在高音頻（ 100KHz 以上）領(lǐng)域，國(guó)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(guò)渡階段。 1994年日本采用 IGBT 研制出了 1200KW/50KHz 的電流型感應(yīng)加熱電源，逆變器工作于零電壓開(kāi)關(guān)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了微機(jī)控制。八十年代開(kāi)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(jiǎn)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。 在中頻（ 150~10KHz ）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(guó)外的裝置容量已達(dá)數(shù)十兆瓦。國(guó)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?lài)嵉匿撍亍? 國(guó)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。 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(guò)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(guó)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。 從（ 16）可知，當(dāng)材 料的電阻率 ? ，相對(duì)磁導(dǎo)率 r? 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(guò)改變頻率來(lái)控制。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)。電流密度在工件中的第 1 章 緒論 3 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。交流電流的頻率越高，集膚效應(yīng)越嚴(yán)重。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)。 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)。 這樣，感應(yīng)電勢(shì)在工件中產(chǎn)生感應(yīng)電流（渦流） i ，使工件加熱。感應(yīng)線(xiàn)圈與 被加熱金屬并不直接接觸，能量是通過(guò)電磁感應(yīng)傳遞的。 [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(xiàn)圈上通以交變電流 i 時(shí)，線(xiàn)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) e 。 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(shuō)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。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。 classE inverter。 關(guān)鍵詞 感應(yīng)加熱； MOSFET； E 類(lèi)逆變器； pspice Abstract II Abstract Power 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 MOSFE