数字型感应加热电源方案分享之主电路设计

 中频感应加热电源在目前的工业制造领域应用十分广泛，也是很多工程师和厂家的重点关注方向之一。在今明两天的方案分享中，我们将会通过一个系列分享的形式，为大家分享一种全新的中频感应加热电源设计方案。今天要为大家分享的是这种新型感应加热电源的主电路设计方案，大家一起来看看吧。

在本文所设计的这种全新的数字型150kW/10kHz中频感应加热电源中，其系统主要采用了IGBT桥式逆变器的串联谐振式工作模式。在本方案中，我们在主系统中利用了数字锁相环DPLL技术，不但提高了系统频率跟踪的稳定性和可靠性，解决了模拟控制中参数随温度漂移的问题，而且还具备控制灵活，电路简单，高效节能。

主电路系统

依据目前的市场需求和中频感应加热电源的基础设计需要，在本方案中，我们所设计的感应加热设备主电路系统中，额定输出功率P=150kW，输出频率10kHz，输入电压为三相AC380V。依据逆变原理和传统模拟系统存在的缺欠，我们设计了一种10kHz/150kW串联谐振感应加热电源设备的主电路，这一系统采用电流调节和功率调节组成双闭环功率控制电路，具有调压范围宽、输出稳定性好等优点。

图1 10kHz/150kW的感应加热电源主电路

在上述要求和设计思路下，我们所完成的数字式中频感应加热系统的主电路结构，如上图1所示。从图1中我们可以看到，在这一主电路系统中，三相AC380V/50Hz经进线电抗器后加到三相不可控整流桥，输出的直流电压Ud经电解电容Cd滤波成平直的电压，通过直流斩波功率控制电路后，再加到由四个IGBT和四个反并联二极管组成的单相全桥逆变器。逆变器输出的电压U0经中频变压器T隔离并降压后送到由补偿电容C0和负载感应器组成的串联谐振电路的两端。

在这一基于DSP的数字式中频感应加热系统中，我们所设计的这一整流电路采用三相不控桥，不需要额外的控制电路与晶闸管相控整流电路相比较，提高了功率因数，减小了输入侧的EMI，且其输出电压值适中稳定。由于采用了负载谐振技术，因此为保证主开关管工作于准零电流状态(ZCS)，输出功率的调节只能依靠改变逆变桥的供电电压来实现，即在直流侧采用Buck斩波电路通过改变占空比D的大小来调节直流输出电压，实现对输出功率的调节。在开关管VT0导通期间，二极管D0反偏，输入提供能量给电感，同时提供能量给负载。当开关管关断时，电感电压使二极管D5导通，电感中存储的能量传送给负载。采用电感L1和电容Cd0组成低通滤波器可以得到平稳的输出电压Udo，此方法控制简单方便，且工作频率与谐振频率可以同步，功率因数高，无功损耗小。

在图1所展示的这一10kHz/150kW的感应加热电源主电路系统中，我们可以非常清晰的看到，该系统中的逆变电路是由全控器件IGBT模块构成的串联谐振式逆变器。在这里我们选用西门子BSM300GB120B进行两单元并联，两组全控器件VT1、VT4和VT2、VT3交替导通。输出负载所需要的中频交流电压U0，由于串联谐振式逆变器的直流电源回路存在无功电流。该无功电流随逆变器的输出功率因数减小而增大。因此，需并接高频滤波电容器Cd0流通无功电流。IGBT逆变器控制方式是采用移相控制两个半桥电路，各自按照180°方波控制(上下两个桥臂互补通断)。但两半桥的控制方波在相位上相差一定角度θ(0°≤θ小于等于180°)负载上得到输出电压波形为正负对称θ宽的方波。

在这一中频感应加热电源的主电路系统设计过程中，为了有效减小逆变管的开关损耗，我们所设计的逆变器的工作频率应当大于其谐振频率。若逆变器的工作电压不变，则在谐振点附近的输出功率最大。当提高逆变器工作频率时，负载等效阻抗增高，输出功率减小，输出功率因数很低，而且逆变器主开关管工作在硬开关状态，开关损耗大，效率低。

在本方案中，我们所设计的这一数字式中频感应加热电源主电路系统，其逆变电源选择采用串联谐振式全桥DC/AC逆变电路，并选择以IGBT为主开关器件，由电流调节和功率调节组成双闭环的PWM直流斩波器进行功率调节。该逆变电源系统采用数字频率跟踪技术控制逆变器的工作频率，使逆变器始终工作于谐振状态，逆变器输出功率因数接近于1，而且IGBT能始终工作在准零电流开关状态，整机工作效率较高。