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1、摘要.I Abstract.II 1 绪论.1 1.1 感应加热的发展及应用.1 1.2 感应加热技术国内外现状及其发展趋势.2 1.2.1 国外现状.2 1.2.2 国内现状.3 1.2.3 现代感应加热技术发展趋势.3 2 感应加热原理及其主要拓扑结构分析与应用.4 2.1 基本原理.4 2.1.1 感应加热原理.4 2.1.2 基于感应加热的效应.6 2.2 感应加热系统组成及分析.8 2.3 逆变电源拓扑基本结构及其特性.9 3 主电路元件的选择和设计.12 3.1 功率开关器件的选择及参数设定.12 3.2 EMI 滤波环节的设计.13 3.3 共模抑制电路的设计.15 3.4 整流
2、器设计.17 3.4.1 电路结构.17 3.4.2 工作原理.17 3.5 电容桥臂的选择.19 3.6 缓冲电路的设计.20 3.6.1 缓冲电路的设计.20 3.6.2 负载谐振电路参数的分析计算.22 参考文献：.23 I 摘要 近几十年以来，随着科学技术的提高以及更先进器件的发展与应用，对感应加热逆变电源的发展产生了巨大影响，体积更小、重量更轻、电路简单、高效节能、携带方便、负载适应范围大成为感应加热装置发展的方向。感应加热技术在国外发展比较迅猛，尤其是欧美和同本等国家，在资金和技术等方面更具有优势，所以他们在感应加热领域，对于高频和超高频产品的开发方面基本上代表了感应加热技术上的最
3、高水平.但是对小工件的热处理，需要感应加热装置功率更加集中，输出频率更高，频率的提高对感应加热效率的提高具有显著意义。所以，提高感应加热的功率和频率，一直是感应加热领域研究的重点与需要解决的难点。超高频感应加热的突出特点为：利用IGBT功率器件设计的超高频逆变电源，可连续工作，可靠性高；重量轻，体积小，操作携带方便；效率高，功耗低，更加节能；可加热物体体积更小，可加热超小型器件；加热更加集中，加热均匀。主要应用范围为：硬质合金锯片大小齿焊接；眼镜架、零配件焊接退火；珠宝首饰钟表焊接；线材薄带退火；极精细线材各种电子元件精细锡焊银焊；精细金属接头银铜焊微型马达轴等淬火；切纸刀鞋刀刃口淬火等。基于
4、超高频感应加热的这些优点，高频化就成为感应加热的主要趋势本文通过对超高频感应加热电源的电路研究，详细阐述了超高频感应加热电源主电路元件的选择和设计。关键字：超高频感应加热 主电路元件 设计计算 II Abstract In recent decades,with the improvement of science and technology as well as the development and application of more advanced devices,the development of induction heating power inverter had a
5、tremendous impact,smaller,lighter weight,simple circuit,energy efficient,easy to carry,to meet the load range induction heating device in the direction of development.Induction heating technology is relatively rapid development in foreign countries,especially in Europe and the United States and with
6、 the other countries in terms of financial and technical advantage in the field of induction heating for VHF and UHF product development basically represents the induction heating the highest level of technical However,a heat treatment of the workpiece,the induction heating apparatus of power is mor
7、e concentrated,the output frequency is higher,having a significant frequency increases the efficiency of the induction heating.Therefore,to improve the power and frequency induction heating,induction heating areas of focus of the study need to address the difficulties.The salient features of the ult
8、ra-high frequency induction heating:the UHF power inverter using IGBT power devices designed,can work,high reliability;,light weight,small size,operation and easy to carry;,high efficiency,low power consumption,more energy-efficient;heated objects volume is smaller,ultra-compact device can be heated
9、;heating is more concentrated,uniform heating.The main application areas:the size of the carbide saw blade teeth welding;frames,spare parts welding annealing;jewelery Watch welding;wire thin strip annealing;very fine wire of various electronic components fine solder silver solder;fine metal joints s
10、ilver copper welding micro motor shaft quenching;cutter blade port of shoes quenching.These advantages based on the ultra-high frequency induction heating,high-frequency induction heating trend III This article by the ultra-high frequency induction heating power supply circuit,III elaborated on the
11、main circuit component selection and design of ultra-high frequency induction heating power supply.Keywords：Ultra-high frequency induction heating main circuit elements Design and calculations 1 超高频感应加热电源主电路元件的选择和设计 1 绪论 1.1 感应加热的发展及应用 1831 年 11 月，当时法拉弟将两个线圈分别绕在同一个铁环上，当给一个线圈加上交流电时，另一个线圈内有感应电压产生，他就以此
12、为依据发现了电磁感应定律，后来感应加热装置都是以此为基础发展起来的。这一研究最初应用的领域是金属熔化。随着感应加热在工业金属融化应用领域内的大力发展，这项技术在其它的技术领域的应用也逐渐发展起来。早在 1927 感应加热主要应用在对钢质工件表面淬火。米德瓦勒钢铁公司是最早利用感应加热对轧钢便表面进行加热淬火，用来提高金属产品的耐磨性和耐疲劳力，此项技术一直被广泛应用至今长盛不衰。俄亥俄克拉克机轴公司作为美围最大的柴油机曲轴公司，他们公司采用的感应加热技术对曲轴表面进行淬火，这是世界上第一次利用感应加热进行工业化大批量生产。同样感应加热技术在管状物的内孔表面进行淬火、对车轴和汽车缸筒的加热处理等
13、方面也有广泛的应用。第二次世界大战时期，在军工的热处理方面的广泛应用从而推动了感应加热技术的长足发展，例如回收利用报废的穿甲弹，使用高频感应加热设备对坦克履带、销钉和链轮等进行加热淬火，对枪筒炮筒的材料进行精细的锻造预热。近几十年以来，随着工业化生产更加集约化，生产效率的提高具有极其重要的意义，致使感应加热得到广泛的应用与发展，很多人都致力于感应加热设备的改进与创新，同时，非金属工业利用特定的理论也能使用感应加热。由于美国在1957 年研制出了晶闸管，这是电力电子器件里程碑的发明，同时标志着现代电力电子技术时代的开始，从而引发了感应加热技术领域的革命。瑞士和西德于1966 年利用晶闸管研制感应
14、加热装置，这是世界上第一个晶闸管感应加热装置，从此感应加热技术在电力电子器件发展的同时丌始飞速发展。直到 1967 年，人们才开始应用高频固态电源，这一技术的应用使得感应加热技术得到进一步的发 2 展。随着生产力的快速发展，各式各样的感应加热装置已广泛地用于制造电子管、加热等离子、熔炼和加热盒属器具等很多方面。感应加热装置从低频逐渐向高频化发展，感应加热工作的效率越来越高，有的机型已经几乎提高至95，而且损耗越来越小，成本费用越来越低。我们从感应加热的发展史可以看出，感应加热主要应用领域是金属工业中的对金属器件的预热、热处理、焊接及其熔化等方面。另外，在处理油漆、粘合以及制作半导体等等方面感应
15、加热技术也得到广泛应用。1.2 感应加热技术国内外现状及其发展趋势 20 世纪 80 年代后期，随着 GTO、MOSFET、IGBT、MCT、SIT 等器件相继出现，电力电子技术得到再次发展，感应加热装置渐渐离丌晶闸管，继而采用这些新的电力电子器件。其中 IGBT 和 MOSFET 是现在比较常用的电力电子器件，IGBT 适用于大功率装置，而 MOSFET 适用于高频装置。通常把感应电源按频率范围可划分为：低频(500Hz 以下)、中频(1KHz1OKHz)、超音频(20KHz40KHz)，高频(40KHz200KHz)、超高频(200KHz 以上)。1.2.1 国外现状 感应加热技术在国外发
16、展比较迅猛，尤其是欧美和同本等国家，在资金和技术等方面更具有优势，所以他们在感应加热领域对于高频和超高频产品的开发方面基本上代表了感应加热技术上的最高水平心。国外某些公司利用 IGBT 设计的感应加热装置可以把功率做到超过 1000KW 同时频率超过 50K；利用 MOSFET可以设计出功率几千瓦同时频率可达到 500K 以上，甚至儿兆赫兹的感应加热装置。比如美国 Inductor heat 公司利用 MOSFET 设计的感应加热电源达到400KHz，最大输出功率 2MW，这也标志了高频大功率感应加热电源应用的发展方向。同时日本利用 SIT 设计的高频感应加热电源也非常成熟，他们在 1987年
17、就已开始着力研制 1200KW/200KHz 的 SIT 电源。在超高频感应加热装置的研究方面，其实早在上世纪 80 年代末就有人使用 E 类单管拓扑研制出800W/3.3MHz 和 150W/7MHz 的实验样机。目前在市场上的超高频感应加热电源产品中，由韩国研制的 8kW/1.8MHz 感应加热逆变电源，就有领先的地位。3 1.2.2 国内现状 20 世纪 50 年代，我国才开始引进感应加热技术，改革开放以后得到快速发展，由于我国的电力电子技术起步比较晚，致使我们的感应加热技术落后于国外很多，尽管近些年来我们的感应淬火技术得到迅速发展，但仍然同于工业化国家相差很远。同时，纵观我国的感应加热
18、市场，真可谓百家齐鸣，但是其中很多企业在里面可以说是滥竽充数，各式各样的机型充斥与市场，杂乱无章，仅河南省的感应加热企业，大大小小几十上百家，其中有做整机的，有做机芯的，也有做机芯改造的，我们从市场上调查的信息数据来看，感应加热设备的退货率和故障维修率很高，尽管有实力的大型企业能提供高效率的售后服务，但是很多小企业不能做到这些，造成顾客的不满；还有些有实力的企业投入大量资金研发出新产品，不久被抄袭了，造成很多企业不敢在研发上投入过多的时间与精力，感应加热市场被搅得一片混乱。所以我们应该采取积极行动，建立健全严格的引进政策，使我国的感应加热技术同世界先进水平差距越来越小。但是由于我们国家市场需求
19、大，致使感应加热技术在我国前景广阔，所以在我国研制感应加热技术的公司有很多，竞争也相当激烈，广东、江苏、河南这些地方生产感应加热的就有上百家，在我国感应加热领域内浙江大学一直走在最前列。1.2.3 现代感应加热技术发展趋势 感应加热电源的发展水平与电力电子器件的发展息息相关相关，功率器件的发展与应用，使得感应加热技术发展趋势呈现以下特点：1、更加大功率化、大容量化和高频化 目前，利用晶闸管设计出的中频电源，垄断者中频大功率领域，IGBT 主要用于超音频电源的开发，MOSFET 则主要用于高频或者超高频感应加热电源中，电力电子半导体器件的使用容量与工作频率机器密切的关系，早期的晶闸管和电子管就是
20、由于受到容量的限制，从而限制了频率的大小，所以制造不出大功率、高频率的感应加热装置，近年来随着新型电子器件的发展与应用，高频电源的市场需求促进了新的功率器件的产生，同时新器件也会带来高频电源的发展，感应加热电源电路中的谐振逆变器通过功率器件来实现软开关的功能，所以感应加热电源会朝着大容量化、大功率与高频率相统一的方向发展，但是其中有些技术需要我们进一步解决。4 2、低功耗、高功率因数 目前市场上的新型功率器件的通态电阻和通态压降非常小，工作时的损耗主要是在基极或门极驱动电路的损耗上，随着功率器件的发展和驱动电路的更加完善，使得整个感应加热装置的损耗降低。由于高功率的感应加热电源对电网的的无功要
21、求比较高，随着高功率化的趋势使得具有高功率因数的电源成为今后的发展趋势心。伴随着谐振技术在感应加热电源中的应用，既降低了电源中开关器件的开通、关断损耗，又利用锁相技术把逆变器的频率锁定在固有谐振频率内，能使电源以负载功率因数为 l 的状态一直运行。3、控制智能化、数字化 随着机电一体化和计算机信息处理技术的快速发展，感应加热装置在生产过程中对自动化控制程度要求越来越高，感应加热电源向控制自动化、精密化的方向发展.感应加热电源发展的目标是让装置具智能接口、远程控制、故自动诊断的功能。4、加热技术的无氧化 最早说的无氧化加热技术主要表现在真空热处理技术、可控气氛热处理技术和等离子体表面热处理，其中
22、真空热处理具有无氧化、无脱碳和小畸变优点，代表着当代热处理技术先进性。5、应用广泛化 感应加热装置主要是应用在对金属的热处理方面，它具有高效、无污染等特点，同时通过一定的负载匹配技术，使得感应加热应用更加广泛，现在食品药品中的封装基本都是用的感应加热装置，我们生活中所用的电磁炉、电火锅也是利用了感应解热的原理。此外，感应加热也逐渐应用在非金属的加热上面。2 感应加热原理及其主要拓扑结构分析与应用 2.1 基本原理 2.1.1 感应加热原理 5 感应加热原理示意图 2-1 法拉第电磁感应规律作为感应加热的理论基础，可以看到变化的电流产生变化的磁场，随后交变的磁场产生涡流来对物体加热，感应极热就是
23、通过这一原理把电能转化成热能，当交变电流输入感应圈时，感应圈内就会产生交变磁通，使感应圈内的工件受到电磁感应电势 e。设工件的等效匝数为 N，则感应电势：dtdNe (2-1)如果磁通是交变的，令wtsin，则:wtNdtdNemsin (2-2)感应电动势 E 在工件中产生感应电流使工件内部开始加热，感应加热电动势 的有效值为：mmNffNE44.422 (2-3)感应电势和发热功率与频率高低和磁场强弱有关。感应线圈中流过的电流越大，其产生的磁通也就越大，因此提高感应线圈中的电流可以使工件中产生的涡流加大；同样提高工作频率也会使工件中的感应电流加大，从而增加发热效果，使工件升温更快。另外，涡
24、流的大小与金属的截面大小、截面形状、导电率、导磁率以及透入深度有关。被加热物体中产生的功率为：FfNFFEIPMcos44.4cos (2-4)6 以上各式就表达了感应加热的原理，感应加热相比于其它加热的方式(如火加热，电炉丝加热等)不同，他利用电磁原理直接从被加热物体内部进行加热，而其他的加热方式是传导性的加热。感应电动势和热功率有诸多印象因素：频率、磁场强度、被加热物体的截面积和形状、被加热物体本身的特性等。2.1.2 基于感应加热的效应 当交变电流通过导体时，沿导体截面上的电流分布式部均匀的，最大电流密度出现在导体的表面层，这种电流集聚的现象称为集肤效应。当两根通有交流电的导体靠得很近时
25、，在互相影响下，两导体中的电流要重新分布。当两根导体流的电流是反方向时，最大电流密度出现在导体内侧；当两根导体流的电流是同方向时，最大电流密度出现在导体外侧，这种现象称为近邻效应。若将交流电通过圆环形线圈时，最大电流密度出现在线圈导体的内侧，这种现象称为圆环效应。当通电线圈通电后，在被加热金属物体外部和内部都产生了交变的磁场，工件表面部分交链的磁力线比导体内部少很多，于是被加热工件中心的电感和阻抗大于表面部分的，由于电流的特性，电流就积聚到阻抗比较小的导体表面，同时随着电流频率越高，集肤效应更加严重。若被加热物体置于变化的磁场中时，交变的电磁场使被加热物体中产生的涡流，它沿截面涌向在工件的表面
26、层。我们由焦耳定律可分析出，当电阻愈来愈大，相应的导体产生热量增加。同样的由高频电流通过相距过近的被加热工件或者圆环状、绕成圆状的工件时，通过的电流密度也会随之发生变化，引起我们所说的邻近效应或者环形效应。在感应线圈中置以金属工件，感应线圈两端通过交流电流会在被加热物体中相应的产生感应电流，当两者相互接近时，无论线圈还是工件表现出邻近效应，其电流分布如下图 2-2 所示：近导体的电流分布图 2-2 7 若电流汇聚在线圈的内侧表面上，而电流汇集在被加热金属的外表面时，被加热物体自身出现集肤效应，而线圈本身为圆环效应，圆环效应电力分布如下图2-3 所示：环形导体的电路分布图 2-3 我们可以看到圆
27、坏效应下，电流集中在线圈内侧，靠近加热铜管的外侧电流几乎没有，m 处为中心点，电流密度最高。感应加热电源就是综合利用这三种效应的设备，被加热金属工件产生的涡流因为集肤效应，通过横截面从表至中心按指数方式衰减，一般在实际工作时，涡流大小由表至里降到值等于最大涡流强度的 1/e(36.5%)，其到表面的距离为(即电流透入深度)。因为涡流所产生的热量正比于涡流的平方，所以由外至里的热量下降速度要比涡流的快很多，那么我们确定为：)(/20mmft （2-5）其中，：被加热物体的电阻率，单位m；：真空中的磁导率，大小为 40(H/m)；0：被加热物体的磁导率，单位 H/m；t：被加热物体相对磁导率，单位
28、 H/m；w：角频率，单位 rad/s；f：频率，单位 Hz。8 从式可以看出：如果被加热物体电阻率和相对磁导率是固定值，透入深度仅仅和频率 f 平方根成反比关系。那么我们就可以只调节频率，就能达到控制被加热物体的加热厚度，其原理在金属热处理应用很多。2.2 感应加热系统组成及分析 本研究首先将 220V 交流电经整流桥不控整流，得到脉动直流，然后由电解电容滤波，得到平直的直流电压，用高速VMOS 功率场效应管组成桥式逆变电路，逆变出高频方波交流电压，通过变压器隔离，将高频高压转换成低压大电流，实现阻抗匹配。控制电路的核心是采用锁相技术，实现频率自动跟踪。超高频感应加热设备系统框图如图 2-4
29、 所示。系统主要由七个部分组成：感席加热系统框图 2-4 不控整流电路：本研究采用不控整流将市电交流变为不可调的直流电，为了简化电路本课题利用调节输出电压的占空比的 PWM 方法来调整功率。滤波电路电压源：逆变谐振一般采用电容滤波，这里为减小体积，采用了电感，为防止电流冲击，在电路中设置了延迟环节。9 全桥逆变电路：由于本研究装置频率较高，必须采用快速 VMOS 场效应管；由于单管电流容量受到限制，因此在满足耐压的前提下，采用了多管并联方式以满足输出功率的要求，而场效应管本身也具有易并联的特点。高频变压器隔离：串联谐振一般 Q 值较大，谐振电压达千伏以上，须采用变压器隔离，同时变压器起阻抗匹配
30、作用。在超高频的工作条件下，变压器磁芯选用高频铁氧体磁芯。5、调节器：在闭坏反馈系统，采用成熟通用的调节方式一 PI 调节器，既能做到无静差又能快速跟踪。6、锁相环：由于工件大小不同，而且工件温度变化过程中频率随时变化，要求逆变频率跟随谐振频率变化，并且相位一致。通过对多种方案的比较，确定了采用锁相技术，以准确跟随谐振频率的变化和控制相位。7、驱动电路：超高频感应加热设备频率中，在各种驱动电路中唯有脉冲变压器速度能满足如此高的速度要求。2.3 逆变电源拓扑基本结构及其特性 串联谐振同并联谐振是感应加热常用并且常见的拓扑形式，两种电路的结构、频率、相位的对比如图 2-5，其中(a)为串联谐振，(
31、b)为并联谐振。串联谐振与并联谐振拓扑结构图 2-5 2.3.1 串谐振逆变电路及特性分析 其中串联谐振阻抗 Z 表示为：wCjjwLRZ1 谐振时有：01wCwLXs 10 那么谐振角频率0 和频率 f0 表示为：LCw10 LCf210 因此谐振电路的品质因数 Q 为：CRwRLwQ001 特征阻抗 Zo 为：QRCLZ0 串联谐振时 UC0 和 UL0 相等但方向相反，电压幅度为电源电压的 Q 倍，电源电压几乎都加在电阻两端，串联谐振有时也称为电压谐振，谐振阻抗Z的模：222111eeffQRwCwLRZ 那么谐振阻抗角为：eeffQ1arctan 任意频率 w 下回路电流：wCwLjR
32、UIs1 模的大小：221wCwLRUIs 11 可以看到当 w=w0时，电流有最大值RUI0；当电源频率向着 ww0或 ww0偏离谐振频率 w0时,Z 增大而电流减小到 0；当电流下降20I时，把21www称为通频带,其值越小曲线越陡峭,电路选择性更优越。2.3.2 并联谐振逆变器原理及其特性分析 并联谐振有：CLXX GRY1 此时电路为纯电阻性，谐振时电流 I0 最小 RIZURUI0 此时电容和电感的电流CI和LI分别为 IjQIGCwjjwCUIC0 IjQUwLjIL1 它们的值相等，和为总电流的 Q 倍，此时品质因数 Q 为 CRwLwRQ00 由此可见，当012LCR即CLR
33、时，电路才有频率；只有CLR 电路才能通过激励的频率到谐振,，当LCR2远小于 1 时，谐振条件为：LwLw001。233 串并联电路优缺点 并联谐振与串联谐振的频率特征的形式也是一样的，所以特性曲线也基本完全一样，它们之间唯一的区别是串联的频率特性是在电压激励的响应电流的频率特性，而并联谐振则相反，是在电流源激励的响应电压的频率特性，串联谐振电路中的够是电流超前电压的相角，而并联谐振电路中是电压超前电流的相角，所以他们电路的选择性和通频带的结论几乎一样，计算公式也一样。12 3 主电路元件的选择和设计 3.1 功率开关器件的选择及参数设定 长久以来超高频感应加热逆变电源受器件的影响，采用的振
34、荡结构的电子管具有效率低、体积大、成本高等方面的缺点，一直让感应加热技术停滞不前。随着电力电子器件的发展与普及，MOSFET、IGBT、SIT 和电力晶体管等新型关器件陆续出现并被应用到实际生产中引申，这就为超高频感应加热电源的体积小型化、高效化、高频化提供了硬件基础。下面把常用的功率开关进行了比较。1、IGBT 简介 IGBT 是 Insulated Gate Bipolar Transistor(绝缘栅双极型晶体管)的缩写，IGBT 是由 MOSFET 和双极型晶体管复合而成的一种器件，其输入极为MOSFET，输出极为 PNP 晶体管，它融和了这两种器件的优点，既具有 MOSFET器件驱动
35、功率小和开关速度快的优点，又具有双极型器件饱和压降低而容量大的优点，其频率特性介于 MOSFET 与功率晶体管之间，可正常工作于几十 kHz 频率范围内，在现代电力电子技术中得到了越来越广泛的应用，在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。2、静态感应晶体管 SIT 静态感应晶体管 SIT(Static SIT Induction Transistor)诞生于 1970 年，实际上是一种结型场效应晶体管。将用于信息处理的小功率 SIT 器件的横向导电结构改为垂直导电结构，即可制成大功率的 SIT 器件。SIT 是一种多子导电的器件，其工作频率与电力 MOSFET 相当，甚至超过电力 MOSF
36、ET，而功率容量也比电力MOSFET 大，因而适用于高频大功率场合，目前已在雷达通信设备、超声波功率放大、脉冲功率放大和高频感应加热等某些专业领域获得了较多的应用。但是SIT 在栅极不加任何信号时是导通的，栅极加负偏压时关断，这被称为正常导通型器件，使用不太方便。此外，SIT 通态电阻较大，使得通态损耗也大，因而SIT 还未在大多数电力电子设备中得到广泛应用。MOSFET 13 MOSFET：金属-氧化层-半导体-场效晶体管，简称金氧半场效晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET）是一种可以广泛使用在模拟电路与数字
37、电路的场效晶体管（field-effect transistor）。MOSFET 依照其“通道”的极性不同，可分为 n-type 与 p-type 的 MOSFET，通常又称为 NMOSFET 与 PMOSFET，其他简称尚包括 NMOSFET、PMOSFET、NMOSFET、PMOSFET 等。应用 MOSFET 的优点是电路设计简单，开关速度快，温度影响小，无二次击穿影响，适用于高频场合，易于控制。但是 MOSFET电流处理能力弱，耐压相对低。表 3-1 IGBT、SIT、MOSFET 优缺点 器件名称 优点 缺点 IGBT（绝缘栅双极型晶体管）双极型晶体管与 MOSFET的复合，驱动功率
38、小，饱和压降低。开关速度低于 MOSFET SIT（静电感应晶体管）电压电容量大，适用于高频大功率场合 栅极不加任何信号时，SIT 是导通的，栅极加负偏时关断使用不方便，而且制造工艺复杂、成本高、价格昂贵。MOSFET（绝缘栅型场效应管）电路设计简单，开关速度快，温度影响小，无二次击穿影响，适用于高频场合，易于控制。电流处理能力弱，耐压相对低。针对本课题设计的超高频逆变器的需要：工作频率高、易并联使用、容易控制电压、驱动功率要比较低等，所以采用 MOSFET 为逆变电源中的关键有源器件，它在高频领域最有前途且使用最广泛的半导体器件。3.2 EMI 滤波环节的设计 高频感应加热电源主电路的滤波环
39、节采用电容与电阻并联的设计方法，其电路拓扑已在主电路如下 3-1：14 滤波环节电路拓扑图 3-1 下面主要对电容的设计选取做主要讨论。作为本实验采用的是单相交流 220V/50Hz 的市电直接供电，经过整流后的信号存在很严重的干扰，为了避免对信号的干扰加上了滤波电容 C，它的作用是既能防止市电的干扰又能避免机器对市电的影响，加上滤波电容 C 之后使带有交流成分的信号变得更加平滑。一般来说市电频率为工频 50Hz，如果用普通的电解电容来滤除交流纹波，其脉动电压的频率只有 100Hz，充放电的时间为 ms 级数，为了能够得到更小的脉动系数，所需的电容量就得数十万微法，为了降低成本，采用电解铝电容
40、而不是高频电解电容，本设计的目标主要足提高电容容量、改变损耗角的下切值和漏电流。如果 C 出太小，会造成直流电压 UDC 的最小值更小，从而使开关管电流增大；如果太大，会造成功率因数降低、EMI 增加、整流管和滤波电容损耗增加等不利因素，同时成本也会更高。在设计滤波电容原则上要满足公式：RTc/53 （3-1）式(310)中：C 是滤波电容，单位为微法；T 是频率，单位赫兹；R 是负载等效电阻，单位为欧。针对桥式整流电路，电容的耐压值应该满足：UC2*220 所以选择电容的耐压值为 450V。整流滤波后的最大脉动直流电压为：%20*2minUUP （3-2）整流滤波后的电压 UDC 为：UDC
41、=U-UP （3-3）为了使电压的最小值满足要求，其对滤波电容所提供的能量WC 为：15 min0min1AfPAfPwc （3-4）那么一个周期中电容所提供的能量 WC 为：)(2.225009.0/10001JfPWc （3-5）可得滤波电容的容量：2min2min2VVWCcde （3-6）估算出 CDC8059uF，那么在实验中将采用 4 个 2200uF/450V 的电解电容并联使用，除此之外还再并联 136K/6W 的平衡电阻。3.3 共模抑制电路的设计 大部分电路设备中的干扰信号都是从交流电网进入的，造成干扰可分为差模干扰和共模干扰：l、差模干扰及其抑制方式 差模干扰是从交流市电
42、输入串入的干扰信号，比如电源超载时电网电压的不稳定；大电感负载产生的浪涌涌入；可控硅引起的畸变电网波形、波形失真；输电线间的交叉干扰、雷电等浪涌电流的侵入等引起的干扰。差模干扰信号一般来自于交流输电线，相对来说比较容易祛除，主要的措施有：串联浪涌滤波器、火线与零线之间并联吸收电容与泻放电阻等，抑制电路的级数越多，去干扰的效果越好。2、共模干扰信号及其抑制方式 电力系统中因前、后电路网络因为选择的参考地不同造成的电位差，而且一直在随机改变着，这主要是由电路的分布电容、分布电感、寄生电容、寄生电感、静电藕合、电磁感应、高频辐射等方面造成的干扰；因接地的错误使用造成电路的回流造成的干扰；测试仪器中的
43、传感器和被测试回路输入端阻抗失配所产生干扰等，这些现象都可称为共模干扰。共模干扰因地电位所造成的，故干扰路径比较复杂，很难将干扰消除掉，所以在测试系统中，消除或者降低共模干扰有三个比较有效的措施：使前、后两个电路网络间的整体隔离，这样不仅电气隔离还能 16 使信号传输线间的隔离；一定要做好静电屏蔽和磁屏蔽的工作、正确恰当的接地，布线要合理；要尽量减少被隔离的两个电路网络间的阻抗匹配误差。前面虽然已经加了滤波电容，但是为了电路的稳定性，特别有必要在整流桥前加上电感和电容组成的共模抑制电路，用来抑制交流市电带来的 EMI，其电路方案如图 3-2。模抑制电路图 3-2 此电路等效为 LC 二阶低通滤
44、波电路，器转折频率为：LCf21 （3-7）其中 L 为扼流线圈的等效电感量，C 为等效电容量，其插入损耗随着噪声频率 40db/dec 的斜率增加，一般在设计时取 C=2C2=2C3，在选取 C 时应取符合安规的最大值，在这里取 C2=C3=3000uF，对于超高频电路，因为 C1 对共模噪声几乎不起作用，可设定为滤除高频的电容，其值电容值设定为 C1=O.33uF，然后根据上面公式得：222121CfL （3-8）其中 L1、L2 为绕在同一个磁环上的两个线圈，两个线圈的匝数完全相同，磁芯选择大小为 018mm*8mm*5mm锰锌铁氧体的磁环，导磁率为 2000。其中每个线圈要绕 80 圈
45、，当然因为磁环具有高导磁率，线圈还能继续做得很大但不会占体积，线圈所用的导线为 0.53mm，测试后的电感量为 6.86mH，当交流市 17 电通过两个线圈时，它们所产生的内磁通会彼此抵消，同时差模信号干扰可以通过旁路电容抑制掉。3.4 整流器设计 3.4.1电路结构 如图 3-3 所示为典型单相桥式全控整流电路，共用了四个晶闸管，两只晶闸管接成共阳极，两只晶闸管接成共阴极，每一只晶闸管是一个桥臂，桥式整流电路的工作方式特点是整流元件必须成对以构成回路，负载为电阻性。u1Tu2udRidab VT1VT3VT2VT4i2 图 3-3 3.4.2 工作原理 1）在 u2 正半波的（0）区间，晶闸
46、管 VT1、VT4 承受正向电压，但无触发脉冲，晶闸管 VT2、VT3 承受反向电压。因此在 0区间，4 个晶闸管都不导通。2）在 u2 正半波的（）区间，在 wt时刻，触发晶闸管 VT1、VT4使其导通。3）在 u2 负半波的（+）区间，在+区间，晶闸管 VT2、VT3 承受正向电压，因无触发脉冲而处于关断状态，晶闸管 VT1、VT4 承受反向电压也不导通。4）在 u2 负半波的（+2）区间，在 wt+时刻，触发晶闸管 VT2、VT3 使其元件导通，负载电流沿 bVT3RVT2T 的二次 18 绕组b 流通，电源电压沿正半周期的方向施加到负载电阻上，负载上有输出电压（ud=-u2）和电流，且
47、波形相位相同。表 3-2 各区间晶闸管的导通、负载电压和晶闸管端电压情况 t 0 晶闸管导通情况 VT1.4、VT2.3都截止 VT1.4导通、VT2.3 截止 VT1.4、VT2.3都截止 VT1.4截止、VT2.3 导通 ud 0 u2 0-u2 id 0 u2/R 0-u2/R i2 0 u2/R 0+u2/R ut ut1.4=ut2.3=()u2 ut1.4=0、ut2.3=u2 ut1.4=ut2.3=()u2 ut1.4=u2、ut2.3=0 整流电压平均值为：2cos19.02UUd （3-9）其中为晶闸管的移相角，我们这里选择为30。，所以 Ud=185V 向负载输出的直流电
48、流平均值为 2cos19.02RUId=53A （3-10）通过整流二极管的电流一定要有安全余量，一般为额定电流的 1.5 至 2 倍。仿真结果如图 3-4 所示：19 图 3-4 3.5 电容桥臂的选择 半桥逆变电路如图 3-5 所示.半桥逆变电路图 3-5 C1、C2 为补偿电容器，R、L 是感应线圈的电阻和电感。在触发晶闸管前，C1、C2 已被充电到直流电压的一半即为 1/2Ud。任一晶闸管(以 V1 导通为例)导通时，流过感应圈的都有两部分组成，一是经过 V1、L、R、C1 的振荡电流；二是经过经过 V1、L、R 向 C2 充电的充电电流，两路的振荡频率相同。20 图 3-6 半桥串联
49、逆变充放电时刻 图 3-6 中在 t1 时刻,电容器 C1 已放电完毕，即 Uc1=0，同时 C2 充电到直流电压 Ud 发,所以 t1 时刻,流经电路感应器的电流最大。在换流电感的作用下,流经感应圈的两个回路继续流通。一是给电容 C1 反向充电,二是给电容 C2 继续充电,直到电感中的能量释放完毕的 t2 时刻，即 iL=0 时，这时 C1 的电压为负的Uc1,保证了晶闸管 V1 能可靠的关断；此时电容 C2 的电压达到最大值。在电容C1、C2 电压的作用下，两回路都通过 VD1 管放电，电流方向为由左向右，直到 t4 时刻,放电电流变为零,这时 C1 又正向充电到 1/2Ud,同时触发 V
50、D2 管,重复上面的过程。以上是逆变器的逆变原理。其中：两桥臂两端电压 adUU211=49.5V （3-11）对于桥臂电容，其最大承受电压也为 49.5V。在选取桥臂电容时，选取的电容应该足够大，以满足单项桥臂逆变电路的要求，且耐压值应该在 50V 以上。3.6 缓冲电路的设计 3.6.1缓冲电路的设计 缓冲电路（Snubber Circuit）又称为吸收电路。其作用是抑制电力电子器件过电压 du/dt 或者过电流 di/dt，减小器件的开关损耗。在电力电子电路中，用于改进电力电子器件开通和关断时刻所承受的电压、电流波形。通常电力电子装置中的电力电子器件都工作于开关状态，器件的开通和关断都不