感应及加热电源的设计

发电机能把机械能转换成电能，干电池能把化学能转换成电能。发电机、电池本身并不带电，它的两极分别有正负电荷，由正负电荷产生电压(电流是电荷在电压的作用下定向移动而形成的)，电荷导体里本来就有，要产生电流只需要加上电压即可，当电池两极接上导体时为了产生电流而把正负电荷释放出去，当电荷散尽时，也就荷尽流(压)消了。干电池等叫做电源。通过变压器和整流器，把交流电变成直流电的装置叫做整流电源。能提供信号的电子设备叫做信号源。晶体三极管能把前面送来的信号加以放大，又把放大了的信号传送到后面的电路中去。晶体三极管对后面的电路来说，也可以看做是信号源。整流电源、信号源有时也叫做电源。

电源是向电子设备提供功率的装置，也称电源供应器，它提供计算机中所有部件所需要的电能。电源功率的大小，电流和电压是否稳定，将直接影响计算机的工作性能和使用寿命。

计算机电源是一种安装在主机箱内的封闭式独立部件，它的作用是将交流电通过一个开关电源变压器换为5V，-5V，+12V，-12V，+3.3V等稳定的直流电，以供应主机箱内系统版，软盘，硬盘驱动及各种适配器扩展卡等系统部件使用。通俗来讲就是，一个电源坏了，另一个备份电源代替其供电。可以通过为节点和磁盘提供电池后援来增强硬件的可用性。HP支持的不间断电源(UPS)，如HP PowerTrust，可提防瞬间掉电。磁盘与供电电路的连接方式应使镜像副本分别连接到不同的电源上。根磁盘与其相应的节点应由同一电源电路供电。特别是，群集锁磁盘（当重组群集时用作仲裁器）应该有冗余电源，或者，它能由群集中节点之外的电源供电。您的HP代表可提供关于群集的电源、磁盘和LAN硬件布局方面的详细信息。目前许多磁盘阵列和其他架装系统含有多个电源输入，它们应部署为设备上的不同电源输入连接到带有两个或三个电源输入的独立电路设备上，这样，一般情况下，只要出现故障的电路不超过一个，系统就能继续正常运行。因此，如果群集中的所有硬件有2个或3个摘要：感应加热电源在金属熔炼、铸造、锻造、透热、淬火、弯管、烧结、表面热处理、铜焊以及晶体生长等行业得到了广泛的应用。同时，由于感应加热电源的加热特点，超音频、大功率是感应加热电源领域研究的重点之一。详细介绍了所设计的感应加热电源，给出了实现的方法和实验电路，并对此方法进行了仿真。实验和仿真结果表明该设计方案具有一定的可行性。

关键词：感应加热；串联谐振；数字锁相环

引言

感应加热电源发展至今在中、低频段已经比较成熟，虽然新型大功率电力电子器件已取代传统的晶闸管，但仍然存在不少问题，比如负载匹配、频率跟踪、高频化的实现，高功率因数和低谐波，大容量带来的器件的串联均压与并联均流问题等。电力电子器件本身的发展对这些问题的解决起着很大的作用，同时，从控制方面也有待人们去研究和发现新的方法和思路。

本文对10kHz/150kW中频感应加热电源的主电路和控制电路进行了设计，采用单片机控制和IGBT器件取代原有的模拟控制和晶闸管器件，实现对老装备的更新改造；推出主电路的参数计算公式，建立了系统的等效电路，负载的等效模型并分析了控制电路的结构和原理。

1主电路的设计

所研制的10kHz/150 kW单相半桥串联谐振感应加热电源样机的主电路结构如图l所示。为了减小逆变功率开关的开关损耗，逆变器的工作频率大于其谐振频率。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。该电源采用串联谐振式全桥Dc/AC逆变电路，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，用频率跟踪电路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l，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。

图1中：L。为感应线圈折算到高频变压器初级的等效电感；

Co为串联谐振电容；

R0为负载及线路的等效电阻。

由于采用了负载谐振技术，为保证主开关管工作于ZCS状态，输出功率的调节只能依靠改变逆变桥的供电电压来实现。本电源的功率调节由三相不可控桥式整流电路、PWM直流斩波电路、功率控制电路等部分组成，由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。

2控制电路结构

2.1控制电路结构

所设计的10kH/150 kW感应加热器的控制电路结构如图2所示。

2.2功率IGBT驱动电路

本次没计采用富士电机公司EXB系列EXB841集成化驱动线路。EXB841是高速型(最大40kHz运行)，采用具有高隔离电压的光耦合器作为信号隔离，因此能用于交流380V的动力设备上。IGBT通常只能承受10μs的短路电流，所以必须有快速保护电路。EXB系列驱动器内设有电流保护电路，根据驱动信号与集电极之间的关系检测过电流。其驱动线路如图3所示．

通常EXB841在过流时检测IGBT(在门极导通时)集-射极间的电压，当该电压超过6V时，延迟10μs则判断为过流。但在实践中，当IGBT集-射极间电压为6V时，其往往已损坏，因此集电极至EXB84l的脚6串联一个3 V稳压管，使EXB841检测值由6V降低为3 V。这一改进明显增加了EXB84l对过流判断的灵敏性，使线路不仅能正常地驱动元件，而且在过流时能更有效地保护元件。

2.3过流和过压的保护电路

IGBT的抗过流能力较弱，因此线路设计须考虑保护：主要有两种方法：①EXB84l过流保护，但这种方式风险较大；②在电抗器和逆变桥输入之间串一个电流传感器，当其输出值超过预定值时，．方面封锁PWM斩波脉冲，另一方面封锁逆变脉冲。

换流过程中的电压毛刺会引起电路产生过电压，这种现象主要靠增加阻容吸收来克服，须注意：逆变回路二极管上也需要加阻容吸收，如图4所示。

还有锁相电路设计等，这里不再累述。

3整流控制电路

电路分成两个部分，一是由DS80C320经与反馈量计算的输出脉宽调制PWM脉冲，一是经光电隔离后驱动IGBT栅极触发电路。

驱动波形和斩波波形如图5～图8所示。

4实验波形和结果分析

4.1工作频率等于谐振频率的波形

工作频率等于谐振频率的波形如图9～图15所示。

4.2工作频率大于谐振频率(感性)的波形

工作频率大于谐振频率的波形如图16所示。

4.3结果分析和讨论

由实验波形可以看出，系统在谐振工作状态波形较好；在工作频率远离谐振频率时，波形发生畸变。频率跟踪较快，跟踪周期范围是10～24μs，这个跟踪范围对负载来说是足够的，因为在加热过程中，负载的阻抗变化不会太显著。

5结语

本文介绍了所设计制作的10 kHz/150 kW感应加热电源样机，在经改造后的设备上做了部分实验，获取了实际的数据和波形。具体有以下结论：

(1)采用主电路及控制电路经过实际运行检验：

(2)保护手段经实际运行检验证明可行；

(3)锁相控制电路能跟踪由于负载变化引起的谐振频率的变化，从而最佳地控制加热的过程。

本实验中制作的锁相电路能很好地跟踪谐振频率做跟踪范围是10～24μs，这个跟踪范闱对负载来说是足够的，在加热过程中，负载的阻抗变化不会太显著。电源输入，则要求至少有三个独立的电路，以确保群集的电路设计中没有单点故障。