超高频感应加热电源主电路元件的选择和设计.docx

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超高频感应加热电源主电路元件的选择和设计

摘要I

AbstractII

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10

3.1功率开关器件的选择及参数设定10

3.2EMI滤波环节的设计11

3.3共模抑制电路的设计13

3.4整流器设计15

3.4.1电路结构15

3.4.2工作原理15

3.5电容桥臂的选择17

3.6缓冲电路的设计18

3.6.1缓冲电路的设计18

3.6.2负载谐振电路参数的分析计算19

参考文献：

20

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Ⅲ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

Abstract

Inrecentdecades,withtheimprovementofscienceandtechnologyaswellasthedevelopmentandapplicationofmoreadvanceddevices,thedevelopmentofinductionheatingpowerinverterhadatremendousimpact,smaller,lighterweight,simplecircuit,energyefficient,easytocarry,tomeettheloadrangeinductionheatingdeviceinthedirectionofdevelopment.Inductionheatingtechnologyisrelativelyrapiddevelopmentinforeigncountries,especiallyinEuropeandtheUnitedStatesandwiththeothercountriesintermsoffinancialandtechnicaladvantageinthefieldofinductionheatingforVHFandUHFproductdevelopmentbasicallyrepresentstheinductionheatingthehighestleveloftechnicalHowever,aheattreatmentoftheworkpiece,theinductionheatingapparatusofpowerismoreconcentrated,theoutputfrequencyishigher,havingasignificantfrequencyincreasestheefficiencyoftheinductionheating.Therefore,toimprovethepowerandfrequencyinductionheating,inductionheatingareasoffocusofthestudyneedtoaddressthedifficulties.Thesalientfeaturesoftheultra-highfrequencyinductionheating:

theUHFpowerinverterusingIGBTpowerdevicesdesigned,canwork,highreliability;,lightweight,smallsize,operationandeasytocarry;,highefficiency,lowpowerconsumption,moreenergy-efficient;heatedobjectsvolumeissmaller,ultra-compactdevicecanbeheated;heatingismoreconcentrated,uniformheating.Themainapplicationareas:

thesizeofthecarbidesawbladeteethwelding;frames,sparepartsweldingannealing;jeweleryWatchwelding;wirethinstripannealing;veryfinewireofvariouselectroniccomponentsfinesoldersilversolder;finemetaljointssilvercopperweldingmicromotorshaftquenching;cutterbladeportofshoesquenching.Theseadvantagesbasedontheultra-highfrequencyinductionheating,high-frequencyinductionheatingtrendIIIThisarticlebytheultra-highfrequencyinductionheatingpowersupplycircuit,elaboratedonthemaincircuitcomponentselectionanddesignofultra-highfrequencyinductionheatingpowersupply.

Keywords：

Ultra-highfrequencyinductionheatingmaincircuitelementsDesignandcalculations

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（1KHz~1OKHz）、超音频（20KHz~40KHz），高频（40KHz~200KHz）、超高频（200KHz以上）。

1.2.1国外现状

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Inductorheat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。

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。

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

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：

（2-1）

如果磁通是交变的，令

，则:

（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：

（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：

（2-4）

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，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

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：

（2-5）

其中，：

：

被加热物体的电阻率，单位

；

：

真空中的磁导率，大小为40

（H/m）；

：

被加热物体的磁导率，单位H/m；

：

被加热物体相对磁导率，单位H/m；

w：

角频率，单位rad/s；

f：

频率，单位Hz。

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V—MOS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。

全桥逆变电路：

由于本研究装置频率较高，必须采用快速V—MOS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，（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：

谐振时有：

那么谐振角频率

0和频率f0表示为：

因此谐振电路的品质因数Q为：

特征阻抗Zo为：

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

的模：

那么谐振阻抗角

为：

任意频率w下回路电流：

模的大小：

可以看到当w=w0时，电流有最大值

；当电源频率向着w>w0或w

时，把

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：

此时电路为纯电阻性，谐振时电流I0最小

此时电容和电感的电流

和

分别为

它们的值相等，和为总电流的Q倍，此时品质因数Q为

由此可见，当

即

时，电路才有频率；只有

电路才能通过激励的频率到谐振,，当

远小于1时，谐振条件为：

。

2．3．3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。

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I