單管感應加熱自激振蕩電路改進

池上洋， 李玉玲， 姚纓英， 張世堯

(浙江大學 電氣工程學院， 浙江 杭州 310027)

單管感應加熱自激振蕩電路改進

池上洋， 李玉玲， 姚纓英， 張世堯

(浙江大學 電氣工程學院， 浙江 杭州 310027)

針對目前常用的低成本單管感應加熱電路存在的IGBT非零電壓開通(ZVS)、電容脈沖爬升速率大、IGBT損耗增大等缺陷，對該電路的運行機理進行深入剖析，得出該電路不能實現ZVS的本質原因。提出通過增加固定延時的辦法來實現該電源的ZVS，并對電路的延遲時間范圍進行了理論分析和推導。最后給出了通過增加比較器數量的方式來實現增加固定延時的合理方案。搭建了1 kW單管感應加熱的實驗平臺，實驗結果證明了理論分析的正確性及實現方法的有效性。該文理論和實驗平臺可用于電力電子技術基礎課程的綜合性拓展實驗。

單管感應加熱；自激振蕩；零電壓開通，固定延時

1 單管感應加熱自激振蕩電路

單管感應加熱[1]是電磁爐中最常見的拓撲之一，這主要是由于該拓撲相比于全橋拓撲[2]和半橋拓撲[3-4],只需一個開關管GBT,元器件少、控制簡單、成本低[5-6]。

通常,單管感應加熱電路拓撲常采用由2個集電極開路輸出的比較器和若干電容、電阻組成的自激振蕩電路進行功率控制[7-8],如圖1所示(圖中D1集成在開關管內)。其控制方式相對簡單,控制器只需給出一定占空比的脈沖,就能使電路振蕩工作起來。但是,該電路的缺點是無法保證開關管IGBT在零電壓開通(zero voltage switch,ZVS)[9],從而導致電容脈沖爬升速率大、IGBT損耗增大等缺陷[10]。為克服這一問題,在有些應用中,采用軟件同步來替代該振蕩電路[11],但是這種方法會占用更多的處理器資源,并且存在處理器跑飛時可能導致IGBT燒毀等問題。

本文對這一缺點的根源進行深入分析,提出一種增加固定延時的辦法來解決這一個問題,并對固定延時的時間范圍進行了理論推導。在實驗中,通過對原振蕩電路改進來實現增加的固定延時,從而使得該電路能在更大范圍地實現ZVS。最后,建立了一個1 000 W單管感應加熱的實驗平臺,對所述理論分析進行了實驗驗證。

圖1 單管感應加熱自激振蕩電路

2 主電路及自激振蕩電路分析

單管感應加熱等效主電路如圖2所示[12]。U為直流穩壓源電壓,R1是感應器和加熱工件的等效電阻,L1是相應的等效電感,C1是諧振電容,Q1是帶有反并聯二極管的IGBT。

圖2 單管感應加熱等效主電路

2.1 主電路工作狀態分析

由圖2可知,在1個工作周期內,主電路的工作狀態可分為3個階段:(1) [0,t1]為電感充電階段; (2) [t1,t2]為諧振階段；(3) [t2,t3]為電感放電階段。主電路各個工作階段的等效電路如圖3所示。

圖3 主電路各個工作階段的等效電路

在階段(1)即[0,t1]期間內,IGBT導通,電感進行充電,等效電路如圖3(a)所示。此時有:

(1)

其中:iL(t)為電感電流；τ為時間常數,τ=L1/R1；uCE(t)為IGBT漏極與源極兩端的電壓。

在階段(2)即[t1,t2]期間內,IGBT關斷,電感和電容自由諧振,等效電路如圖3(b)所示。利用二階電路過渡過程計算得:

(2)

式中：

在階段(3)即[t2,t3]期間內,IGBT關斷,但是由于電容電壓與直流電壓源電壓相等,此時IGBT的反并聯二極管導通,因此電容電壓被鉗位,自由諧振無法進行,電感將通過IGBT的反并聯二極管進行放電,等效電路如圖3(a)所示。此時有:

(3)

其中：I1為t2時刻的電感電流,即I1=-ω0C1Ae-δ(t2-t1)sin(ω(t2-t1)-φ-β)；iL(t3)=0。

由上述分析可繪制出電感電流iL(t)和IGBT漏極與源極兩端電壓Uce(t)在一個工作周期的波形,如圖4所示。由圖4可以看出,在存在階段(3)的工作狀態情況下,電路可以實現零電壓開通,即在二極管開通期間,使得IGBT導通。

圖4 一個周期內uCE(t)與iL(t)的波形

2.2 自激振蕩電路分析

由圖2知,由于端電壓A_coil和B_coil在一個控制周期中總會有電位相等的情況存在,因此,在圖1所示的自激振蕩電路中,為確保比較器工作時能正常翻轉,需要滿足:

對主電路各個工作狀態下的自激電路進行分析。在一個周期內有:

則由式(2)解得該方程兩個解t4和t5分別為：

(4)

從以上分析發現,通過自激振蕩電路,使得IGBT源漏極間的電壓uCE(t)=U時,IGBT開通,因此IGBT無法實現ZVS。由于IGBT瞬間的開通,必然導致諧振電容C1迅速充電,電容脈沖爬升速率增大,直至其電壓與直流源相等；同時,IGBT也將流過瞬間的大電流,從而導致IGBT損耗增大,整個系統的EMI特性較差,諧振電容和IGBT的壽命也將受到影響。因此,為解決這一問題,必須采取有效的解決辦法。

3 給定延時實現ZVS的可行性分析

綜上分析可知,如果將自激振蕩電路在開通點增加一定的延時,將會使得主電路中IGBT零電壓開通這一特性得以實現。

進一步分析得出,為實現該延時,延時時間td必須滿足td>Δt=t2-t5。下面分析說明,給定一個固定的延時以實現ZVS的可行性。

3.1 Δt隨IPK變化的單調性分析

當t=t5時,由式(2)和式(4)有:

(5)

式中與I有關的各參數均與式(2)中定義相同,結合式(2)中各參數的表達式,可以判別出Ipk越大I越大。

一般,等效電阻R1比較小,衰減系數δ也比較小,在考慮Δt時忽略電阻R1和衰減系數δ的影響。在[t5,t2]時間段,則有:

可以看出,Δt是隨Ipk的增加而減小的。即Ipk越小,實現ZVS所需的延遲時間就越長。因此,若給定一個最小Ipk對應的所需延遲時間,就可以使得IGBT在其反并聯二極管導通之后才開始導通。但這并不意味著一定能實現零電壓開通,如果延遲時間太長,將有可能導致IGBT在其反并聯二極管已經截止了才開通,這將使主電路重新開始自由振蕩,從而失去了ZVS。因此,必須確保延遲時間td

3.2tm隨IPK的單調性分析

從時刻t5到時刻t2,由能量守恒可得t2和t5時刻的電感電流I1滿足:

因此，為了能實現ZVS必須滿足:

(6)

則有:

(7)

對公式(7)進行求導得:

(8)

由(8)可得:

即有tm隨I增加而增加,因此tm隨Ipk的增加而增加。

綜上可以看出,設最小的Ipk對應的Δt和tm分別為Δt0和tm0,若給定固定的延遲時間,應滿足:

(9)

則能確保IGBT在反并聯二極管開通后再開通,同時又保證在二極管截止前導通,即實現了零電壓開通。當功率最小時,對應的Ipk也最小[13],因此對于固定的延遲時間可由能實現ZVS的最小功率(電流)對應的時間Δt0和tm0來確定。

4 實驗結果及分析

為了驗證上述理論分析的正確性,搭建了一個1kW單管感應加熱的實驗平臺,如圖5所示。該平臺的實驗參數如下:直流電壓U=170 V,電感L1=55 μH,諧振電容C1=200 nF。

一般,比較器會有一定的延遲,為了減少成本,增加實用性,在實驗樣機中采用增加比較器數量的方式來實現延時,即將原來的一個比較器,改為2個比較器串接使用。

圖5 1 kW感應加熱實驗平臺

為了驗證前述理論和方法的正確性,選取Ipk=32 A和Ipk=48 A兩種情況,分別對有延時和無延時的IGBT電壓電流進行實驗對比,其結果如圖6和圖7所示，圖中Ch1為IGBT驅動信號,Ch3為IGBT的CE電壓,Ch4(流過IGBT的電流)。

圖6 Ipk=32A的IGBT電壓電流波形

圖7 Ipk=48A的IGBT電壓電流波形

對比圖6和圖7可以看出,增加固定延時,能夠有效地實現IGBT的ZVS,尤其是在電流比較小的時候。從圖6(a)和7(a)可以看出,比較器的延遲時間是固定的,圖6(a)中, 從比較器到驅動電路所有的延遲大約是1.7 μs,其最大允許的延遲時間為6.1 μs。圖7(a)為實現ZVS最小的延遲時間為1 μs,最大允許的延遲時間為9.1 μs。兩種情況都滿足不等式(9),證明了延時范圍的正確性。

實驗選取不同峰值電流Ipk,實測得到不同峰值電流下的各個時間如表1所示(限于篇幅,實驗波形不再列出)。

表1 不同峰值電流下的各個時間

由表1結果進一步驗證了Δt是隨Ipk的增加而減小的,tm隨Ipk的增加而增加。

5 結語

分析了常用的單管感應加熱電源不能實現IGBT零電壓開通的本質原因,提出通過增加固定延時的方法來解決這一問題,并對延遲時間的范圍進行了理論分析和推導,最后通過增加比較器數目來實現延遲,1 kW實驗平臺證明了理論分析和實驗方法的正確性。本文所提方法理論簡單,實現方法容易,可作為電力電子技術基礎課程的綜合拓展實驗,以加強課程理論和實際應用的有效結合。

References)

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Improvement of self-oscillation circuit by single-tube induction heating

Chi Shangyang， Li Yuling， Yao Yingying， Zhang Shiyao

(College of Electrical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)

In view of the defects such as IGBT non zero voltage switch (ZVS), the large increase of the pulse rate, the increase of IGBT loss, etc., in the commonly-used low cost single-tube induction heating power, the operational mechanism of the power supply is analyzed in detail, and the essential reason that the circuit can’t realize the ZVS is found. The method to realize the ZVS of the power supply by increasing the fixed delay is proposed, and the delay time range of the circuit is theoretically analyzed and deduced. Finally, a proper scheme to realize the fixed time delay is presented by increasing the number of comparators. An experimental platform for the 1 kW single-tube induction heating is established. The experimental results prove the correctness of the theoretical analysis and the effectiveness of the method. The theory and experimental platform can be used for a comprehensive experiment for the basic course of power electronic technology.

single-tube induction heating; self-oscillation; zero voltage switch(ZVS); fixed time-delay

10.16791/j.cnki.sjg.2017.05.015

2016-11-24

國家自然科學基金項目(51277164)

池上洋(1991—)，男，福建三明，碩士研究生，主要從事電力電子控制技術及電磁性能研究

姚纓英(1962—)，女，安徽歙縣，博士，教授，主要從事電力電子電磁特性研究、電機變壓器電磁場數值分析及優化設計研究以及電路與電子技術基礎課程的教學工作.

E-mail：chishangyang@foxmail.com

TM924.5

A

1002-4956(2017)5-0056-04