半桥式感应加热电源设计

１引言

目前，中频感应加热电源普遍采用全桥式并联逆变器，输出电压均在７００Ｖ左右，加热中小锻件时，因感应圈长，匝数多，需用中频变压器降压，所以线路复杂，噪声大，效率低。因此，曾研制了一种半桥式新型晶闸管中频感应加热电源｛１］，较好解决了上述问题，但应用过程中发现仍存在下述缺点：①由于逆变桥采用两只晶闸管，受晶闸管关断时间的限制，工作频率不能太高，加热小直径的工件效率低；②整流回路采用晶闸管组成的斩波器调控电炉的输出功率，当高功率输出时，晶闸管容易直通，失去控制，并且斩波器的工作频率在音频范围时噪音大；③滤波电路需配用较大的铁心电感，磁滞损耗大，发热严

重，噪音大。为此，又设计了结构更为简单的半桥式ＩＧＢＴ逆变中频感应加热电源，降低了噪音，提高了工作频率和效率。该新型中频感应炉已于２００５年获专利授权，专利号为ＺＬ２００４２００３８００５．５。半桥式ＩＧＢＴ逆变电路已用于９ｋＨｚ／２０ｋＷ中频感应加热电源中，其仿真和试验波形均证明了它的合理性和有效性，该电炉已成功用于生产。

２主电路结构

图１示出中频电源的主回路结构。主要包括整流电源、逆变桥、谐振回路和保护电路。整流电源由二极管整流模块、空心电感Ｌ

４

和电容Ｃ

４

组成；逆变

半桥由一对二极管ＶＤ

２

，ＶＤ

３

及反向并联的ＩＧＢＴ标

准模块ＶＴ

２

，ＶＴ

３

构成；并联谐振回路由感应圈Ｌ

１

和

补偿电容Ｃ

１

构成，并与限流电感Ｌ

０

串联后跨接在

逆变桥电容Ｃ

２

，Ｃ

３

和ＩＧＢＴ标准模块ＶＴ

２

，ＶＴ

３

的中

新型半桥式IGBT逆变中频感应加热电源

夏思淝１，夏霄红２，俞琳１，党福祥１

（１．山东大学，山东济南２５００６１；２．山东省计量科学研究院，山东济南２５００１４）

摘要：由于全桥晶闸管并联逆变电源的输出电压高，感应圈长，噪声大，受工作频率限制，加热中小锻件的效率低。为此，研制了一种新型半桥式ＩＧＢＴ逆变中频感应加热电源。该电源的半桥式逆变电路由一对二极管及反向并联的ＩＧＢＴ模块构成。控制回路由启动、频率跟踪、驱动信号、缺水保护电路组成。该回路可产生频率跟踪炉体的脉冲信号，通过三角波发生器连接电压比较器，经二极管互锁再驱动模块，使线路结构简单。文中分析了电源主回路和控制电路的结构及工作原理。主电路的仿真和试验结果表明，电源输出电压仅２００Ｖ左右，工作频率可达１ｋＨｚ，功率因数接近于１，提高了电热效率。

关键词：感应加热；控制；逆变器／绝缘栅双极晶体管

中图分类号：ＴＭ９２４．５，ＴＮ８６文献标识码：Ａ文章编号：１０００－１００Ｘ（２００６）０６－００６３－０２

ＮｅｗＨａｌｆ－ｂｒｉｄｇｅＩＧＢＴＩｎｖｅｒｔｅｒＰｏｗｅｒＳｕｐｐｌｙｆｏｒ

ＩｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅＦｒｅｑｕｅｎｃｙＩｎｄｕｃｔｉｏｎＨｅａｔｉｎｇ

ＸＩＡＳｉ－ｆｅｉ１，ＸＩＡＸｉａｏ－ｈｏｎｇ２，ＹＵＬｉｎ１，ＤＡＮＧＦｕ－ｘｉａｎｇ１

（１．ＳｈａｎｄｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉｎａｎ２５００６１，Ｃｈｉｎａ；

２．ＳｈａｎｄｏｎｇＡｃａｄｅｍｅｏｆＭｅａｓｕｒｅＳｃｉｅｎｃｅ，Ｊｉｎａｎ２５００１４，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｈｅｆｕｌｌ－ｂｒｉｄｇｅｔｈｙｒｉｓｔｏｒｓｈｕｎｔ－ｗｏｕｎｄｉｎｖｅｒｓｉｏｎｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙ，ｔｈｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｈｅａｔｉｎｇｓｍａｌｌｅｒｆｏｒｇｉｎｇｓｌｉｍｉｔｅｄｂｙｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｆｒｅｑｕｅｎｃｙｉｓｌｏｗｂｅｃａｕｓｅｏｆｔｈｅｈｉｇｈｏｕｔｐｕｔｖｏｌｔａｇｅ，ｔｈｅｌｏｎｇｉｎｄｕｃｔｉｏｎｃｏｉｌ，ａｎｄｔｈｅｇｒｅａｔｎｏｉｓｅ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｓｅｐｒｏｂｌｅｍｓ，ｗｅｄｅｖｅｌｏｐａｎｅｗｋｉｎｄｏｆｈａｌｆ－ｂｒｉｄｇｅＩＧＢＴｉｎｖｅｒｔｅｒｆｏｒｍｉｄｄｌｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｉｎｄｕｃｔｉｏｎｈｅａｔｉｎｇｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙ．Ｔｈｅｈａｌｆ－ｂｒｉｄｇｅｉｎｖｅｒｓｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔｉｓｃｏｎｓｉｓｔｅｄｏｆａｐａｉｒｏｆｄｉｏｄｅｓａｎｄｒｅｖｅｒｓｅｓｈｕｎｔ－ｗｏｕｎｄｅｄＩＧＢＴｍｏｄｕｌｅ．Ｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｌｏｏｐｉｎｃｌｕｄｅｓｓｔａｒｔ－ｕｐｃｉｒｃｕｉｔ，ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｔｒａｃｋｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔ，ｄｒｉｖｉｎｇｓｉｇｎａｌｃｉｒｃｕｉｔ，ａｎｄｗａｔｅｒｌａｃｋｐｒｏｔｅｃｔｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔ．Ｔｈｅｌｏｏｐｃａｎｇｅｎｅｒａｔｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｔｒａｃｋｉｎｇｐｕｌｓｅｓｉｇｎａｌｓｏｆｔｈｅｆｕｒｎａｃｅ．Ｔｈｅｓｉｇｎａｌｓｇｏｔｈｒｏｕｇｈａｔｒｉａｎｇｌｅｗａｖｅｇｅｎｅｒａｔｏｒａｎｄｉｎｔｅｒｌｏｃｋｅｄｂｙｄｉｏｄｅｓｔｈｅｎｄｒｉｖｅｔｈｅｍｏｄｕｌｅ．Ｔｈｕｓｍａｋｅｓｔｈｅｌｏｏｐ′ｓｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｉｍｐｌｅ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｗｏｒｋｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｔｈｅｍａｉｎｃｉｒｃｕｉｔａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔａｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｅｍａｉｎｃｉｒｃｕｉｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔｔｈｅｎｅｗｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙ′ｓｏｕｔｐｕｔｖｏｌｔａｇｅｉｓａｂｏｕｔ２００Ｖ，ｉｔ′ｓｗｏｒｋｉｎｇｆｒｅｑｕｅｎｃｙｍａｙｒｅａｃｈ１０ｋＨｚ，ａｎｄｉｔ′ｓｐｏｗｅｒｆａｃｔｏｒｃｌｏｓｅｔｏｕｎｉｔ．Ｔｈｅｇａｌｖａｎｏｔｈｅｒｍｙｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｓｏｕｒｃｅｓｉｍｐｒｏｖｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｉｎｄｕｃｔｉｏｎｈｅａｔｉｎｇ；ｃｏｎｔｒｏｌ；ｉｎｖｅｒｔｅｒ／ＩＧＢＴ

定稿日期：２００６－０５－０９

作者简介：夏思淝（１９４９－），女，浙江宁波人，教授。研究方

向为物理教学和中频感应电源。

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