雙工模式感應(yīng)加熱電源的研究

肖新山

摘 ?要：感應(yīng)加熱是一種清潔、高效、衛(wèi)生的加熱技術(shù)，其在眾多的工業(yè)領(lǐng)域中都有著廣泛的應(yīng)用。而在民用領(lǐng)域中最典型的代表則是電磁爐?，F(xiàn)今市面上所應(yīng)用的電磁爐主要是基于D類變頻器所發(fā)展起來的，并輔助以調(diào)頻調(diào)功（PFM）和調(diào)脈沖密度調(diào)功（PDM）兩類功率調(diào)節(jié)方式。上述兩種功率調(diào)節(jié)方式有其應(yīng)用范圍和應(yīng)用特點(diǎn)。為使得感應(yīng)加熱電源能夠更好的發(fā)揮效果，文章介紹了一種雙工模式感應(yīng)加熱電源。

關(guān)鍵詞：感應(yīng)加熱;雙工模式;研究

中圖分類號(hào)：TM924 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2020）19-0057-02

Abstract： Induction heating is a clean， efficient and hygienic heating technology， which is widely used in many industrial fields. The most typical representative in the civil field is the induction cooker. Nowadays， the induction cookers used in the market are mainly based on D-type frequency converter， and are assisted by two kinds of power regulation modes： pulse frequency modulation （PFM） and pulse density modulation （PDM）. The above two power regulation methods have their application range and application characteristics. In order to make the induction heating power supply more effective， a duplex mode induction heating power supply is introduced in this paper.

Keywords： induction heating; duplex mode; research

前言

感應(yīng)加熱電源有著眾多的應(yīng)用，以電磁爐為例其是感應(yīng)加熱電源民用的典型代表。感應(yīng)加熱電源功率調(diào)節(jié)所使用的PFM和PDM兩類調(diào)節(jié)方式各有其優(yōu)缺點(diǎn)。PFM調(diào)功方式在低功率段損耗較大，在感應(yīng)加熱電源進(jìn)行調(diào)功設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在低功率段采用PDM，在高功率段采用PFM，通過兩者相結(jié)合能夠有效提高調(diào)功效率。本文在分析PFM調(diào)功損耗的基礎(chǔ)上對(duì)感應(yīng)加熱電源調(diào)功方式進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而使得感應(yīng)加熱電源在雙工模式下具有良好的工作特性。

1 感應(yīng)加熱電源特性

感應(yīng)加熱電源是一種高效清潔加熱方式，通過調(diào)節(jié)功率控制能夠使其應(yīng)用于多種不同的場(chǎng)合。感應(yīng)加熱電源主要通過功率調(diào)節(jié)的方式來改變感應(yīng)加熱電源的工作效率，但是當(dāng)逆變器因損耗大增時(shí)將嚴(yán)重影響感應(yīng)加熱電源的工作效率。在感應(yīng)加熱電源上應(yīng)用雙工調(diào)節(jié)模式，將PDM和PFM相結(jié)合將有助于減少感應(yīng)加熱電源工作時(shí)的能量損耗，提升感應(yīng)加熱電源的工作效率。感應(yīng)加熱電源主要依靠交變磁場(chǎng)在待加熱物體中產(chǎn)生渦流的方式來產(chǎn)生熱量，利用交變電流的改變產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)。感應(yīng)加熱電源功率控制依靠的是數(shù)字芯片（DSP等），實(shí)現(xiàn)對(duì)于工頻的精確控制，從而控制磁場(chǎng)的細(xì)微變化。感應(yīng)加熱電源加熱具有極高的安全性，其是非接觸加熱，依靠渦流產(chǎn)生熱量，加熱能量能夠較為集中在待加熱物體中實(shí)現(xiàn)對(duì)于電能的高效利用。感應(yīng)加熱電源所使用的逆變器主要分為單管、半橋和全橋幾種，單管逆變器由于開關(guān)應(yīng)力限制主要應(yīng)用于1kW左右頻段，而全橋逆變器則主要應(yīng)用于5kW以上的范圍。在感應(yīng)加熱電源的應(yīng)用中多采用的是D類逆變器，這是由于相對(duì)于DE類逆變器D類逆變器調(diào)節(jié)方式更加靈活、實(shí)現(xiàn)方便、價(jià)格較低。在感應(yīng)加熱電源的功率調(diào)節(jié)時(shí)應(yīng)用PFM調(diào)功方案時(shí)低功率階段將受開關(guān)頻率較大所帶來的影響而影響功率調(diào)節(jié)效率，但是在高功率輸出階段感應(yīng)加熱電源所處于的工作頻率要與負(fù)載頻率相接近，從而使得感應(yīng)加熱電源的逆變器工作頻率較高。需要注意的是，應(yīng)用PDM功率調(diào)節(jié)方法時(shí)將會(huì)帶來電壓閃變的問題，而在調(diào)節(jié)時(shí)PDM功率調(diào)節(jié)范圍將與功率調(diào)節(jié)周期呈現(xiàn)出正相關(guān)的關(guān)系，而在處于低功率時(shí)，PDM功率調(diào)節(jié)具有良好的設(shè)計(jì)特性，且能夠有效的限制感應(yīng)加熱電源工頻頻率的增大。針對(duì)感應(yīng)加熱電源所具有的上述特性，本文為解決這一問題采用的調(diào)功策略解決了上下橋臂不對(duì)稱所帶來的問題，且感應(yīng)加熱電源所采用調(diào)功策略的開關(guān)管始終處于ZVS條件下，體現(xiàn)出了較為良好的軟開關(guān)特性。在感應(yīng)加熱電源的調(diào)功電路設(shè)計(jì)上，在低功率PDM調(diào)功階段為提高調(diào)解效率降低調(diào)解損耗要改變以D類逆變器為主的電路設(shè)計(jì)，由于D類逆變器在低功率階段工作時(shí)其工作頻率需要高于主電路的諧振頻率，從而降低逆變器的輸出功率，為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)主電路上的開關(guān)損耗和反并聯(lián)二極管的通態(tài)損耗都較大，不利于感應(yīng)加熱電源的功率調(diào)節(jié)。為改變這一問題，可以在感應(yīng)加熱電源功率調(diào)節(jié)的主電路設(shè)計(jì)中采用DE類逆變器用以取代D類逆變器在低功率階段的使用，由于DE類逆變器的最大輸出功率比D類逆變器的輸出功率要小，主電路上的負(fù)載電流將流經(jīng)開關(guān)管與并聯(lián)電容從而使得反并聯(lián)二級(jí)管的通態(tài)損耗降至最低。此外，在這一狀態(tài)下DE類逆變器的并聯(lián)電容相對(duì)于D類逆變器的電容容量更大，從而降低了DE類逆變器開關(guān)管的斷電壓斜率，減少了關(guān)斷損耗。

2 雙工模式感應(yīng)加熱電源逆變器解原理與結(jié)構(gòu)

雙工模式感應(yīng)加熱電源逆變器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。在圖1中逆變器依靠relay1實(shí)現(xiàn)開關(guān)管并聯(lián)電容之間的切換，通過調(diào)整relay2繼電器來實(shí)現(xiàn)負(fù)載電容的切換。通過上述方式實(shí)現(xiàn)感應(yīng)加熱電源在不同功率特性下逆變器工作模式的轉(zhuǎn)換，為實(shí)現(xiàn)繼電器的精確調(diào)節(jié)主要依靠的是微控芯片的I/O輸出控制來實(shí)現(xiàn)的。在感應(yīng)加熱電源逆變器控制電路的設(shè)計(jì)上，如所使用的是D類模式逆變器其主要依靠的是在逆變器兩端并聯(lián)電容的方式來降低關(guān)斷損耗的。需要注意的是，逆變器兩端所并聯(lián)的電容需要合理的進(jìn)行選擇，避免過大或過小。在并聯(lián)電容的選擇上要確保并聯(lián)電容的充電時(shí)間高于IGBT的關(guān)斷下降和拖尾時(shí)間的和，從而使得關(guān)斷損耗得到進(jìn)一步的降低。在逆變器的DE模式，其充放電的時(shí)間與并聯(lián)電容容量呈正比，為實(shí)現(xiàn)這一類型DE類逆變器所并聯(lián)的電容要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于D類逆變器。而DE類逆變器開關(guān)管具有較小的開關(guān)管關(guān)斷電壓斜率，從而使得開關(guān)管的關(guān)斷損耗較少。在DE類模式下逆變器開關(guān)管所并聯(lián)的電容降低了開關(guān)管開通使得電壓至零，在實(shí)現(xiàn)了逆變器ZVS的同時(shí)避開了反并聯(lián)二級(jí)管，從而使得反并聯(lián)二極管通態(tài)損耗并不存在?？傮w來說DE類逆變器將有效避免反并聯(lián)二級(jí)管的通態(tài)損耗，提高逆變器的工作效率。在感應(yīng)加熱電源逆變器開關(guān)管的設(shè)計(jì)上需要合理的確定并聯(lián)電容的使用數(shù)量與工作時(shí)間，實(shí)現(xiàn)感應(yīng)加熱電源逆變器主電路的雙工設(shè)計(jì)。

3 感應(yīng)加熱電源雙工模式下的工作特性

3.1 PDM與PFM調(diào)功分析

PFM調(diào)功實(shí)現(xiàn)方式簡(jiǎn)單，多應(yīng)用于負(fù)載品質(zhì)因數(shù)較高的感應(yīng)加熱場(chǎng)合，在較小的頻率范圍內(nèi)能夠完成大范圍功率的調(diào)節(jié)。而當(dāng)負(fù)載品質(zhì)因數(shù)處于較小范圍時(shí)，PFM調(diào)功的效率將大幅下降，使得逆變器處于較低的工作效率。通過對(duì)PFM調(diào)功過程中感應(yīng)加熱電源的工作特性進(jìn)行建模分析后發(fā)現(xiàn)，PFM調(diào)功與逆變器的負(fù)載品質(zhì)因數(shù)成正比，即品質(zhì)因數(shù)越高調(diào)功效率越好。而在固定負(fù)載品質(zhì)因數(shù)的條件下，逆變器的損耗將隨著工頻的增加而呈現(xiàn)出先增后減的趨勢(shì)，IGBT關(guān)斷損耗的存在將使得逆變器的工作效率持續(xù)降低。通過對(duì)低功率階段下PFM調(diào)功特性進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，處于低功率階段的PFM調(diào)功將使得逆變器的開關(guān)損耗大幅增加，感應(yīng)加熱電源的工作效率大為降低。

PDM調(diào)功主要采用調(diào)節(jié)開關(guān)管驅(qū)動(dòng)脈沖密度的方式來對(duì)逆變器的輸出功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，在調(diào)功周期內(nèi)PDM的工作頻率保持基本恒定，從而使得PDM調(diào)功具有較為良好的軟開關(guān)特性。需要注意的是，PDM調(diào)功輸出功率的波動(dòng)將會(huì)對(duì)感應(yīng)加熱電源的電壓質(zhì)量帶來一定的影響，出現(xiàn)電壓波動(dòng)和閃變問題。而電壓波動(dòng)則主要來自于負(fù)荷的劇烈波動(dòng)變化。而在滿足閃變標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，PDM調(diào)功周期與PDM調(diào)功功率范圍呈正比。為保障感應(yīng)加熱電源能夠取得良好的應(yīng)用效果需要做好PDM調(diào)功周期與PDM調(diào)功功率的匹配。

3.2 感應(yīng)加熱電源逆變器工作特性的建模仿真

基于PSIM仿真模型參數(shù)（負(fù)載等效電阻5？贅、負(fù)載等效電感74μH、開關(guān)管并聯(lián)電容D22nF/DE274nF、工頻20 kHz -50kHz）完成感應(yīng)加熱電源工作特性的仿真，通過對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)D類逆變器PFM調(diào)功工頻在20kHz時(shí)功耗最小，效率最高。在低功率階段，逆變器的輸出功率從200w-1500w的區(qū)段內(nèi)變化時(shí)開關(guān)管DE類逆變器的關(guān)斷電壓上升率是在不斷變化的，且在600w時(shí)其上升率要比D類變頻器的關(guān)斷電壓上升率小得多，僅為D類逆變器的1/14左右。從模擬數(shù)據(jù)上可以看出，在低功率階段采用DE類逆變器將能夠有效的改善電源的工作特性。

4 結(jié)束語

感應(yīng)加熱電源有著廣闊的應(yīng)用前景，新時(shí)期隨著新技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用將有助于提高感應(yīng)加熱電源的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。本文在分析感應(yīng)加熱電源技術(shù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上提出了感應(yīng)加熱電源的雙工模式應(yīng)用，在改善了感應(yīng)加熱電源在低功率階段工作特性的基礎(chǔ)上降低了感應(yīng)加熱電源的工作能耗、提高了工作效率，并對(duì)雙工模式感應(yīng)加熱電源的主控電路進(jìn)行了分析介紹。

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