池上洋， 李玉玲， 姚纓英， 張世堯

(浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 浙江 杭州 310027)

單管感應(yīng)加熱自激振蕩電路改進(jìn)

池上洋， 李玉玲， 姚纓英， 張世堯

(浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 浙江 杭州 310027)

針對(duì)目前常用的低成本單管感應(yīng)加熱電路存在的IGBT非零電壓開(kāi)通(ZVS)、電容脈沖爬升速率大、IGBT損耗增大等缺陷，對(duì)該電路的運(yùn)行機(jī)理進(jìn)行深入剖析，得出該電路不能實(shí)現(xiàn)ZVS的本質(zhì)原因。提出通過(guò)增加固定延時(shí)的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)該電源的ZVS，并對(duì)電路的延遲時(shí)間范圍進(jìn)行了理論分析和推導(dǎo)。最后給出了通過(guò)增加比較器數(shù)量的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)增加固定延時(shí)的合理方案。搭建了1 kW單管感應(yīng)加熱的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了理論分析的正確性及實(shí)現(xiàn)方法的有效性。該文理論和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可用于電力電子技術(shù)基礎(chǔ)課程的綜合性拓展實(shí)驗(yàn)。

單管感應(yīng)加熱；自激振蕩；零電壓開(kāi)通，固定延時(shí)

1 單管感應(yīng)加熱自激振蕩電路

單管感應(yīng)加熱[1]是電磁爐中最常見(jiàn)的拓?fù)渲?，這主要是由于該拓?fù)湎啾扔谌珮蛲負(fù)鋄2]和半橋拓?fù)鋄3-4],只需一個(gè)開(kāi)關(guān)管GBT,元器件少、控制簡(jiǎn)單、成本低[5-6]。

通常,單管感應(yīng)加熱電路拓?fù)涑２捎糜?個(gè)集電極開(kāi)路輸出的比較器和若干電容、電阻組成的自激振蕩電路進(jìn)行功率控制[7-8],如圖1所示(圖中D1集成在開(kāi)關(guān)管內(nèi))。其控制方式相對(duì)簡(jiǎn)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(lái)。但是,該電路的缺點(diǎn)是無(wú)法保證開(kāi)關(guān)管IGBT在零電壓開(kāi)通(zero voltage switch,ZVS)[9],從而導(dǎo)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(wèn)題,在有些應(yīng)用中,采用軟件同步來(lái)替代該振蕩電路[11],但是這種方法會(huì)占用更多的處理器資源,并且存在處理器跑飛時(shí)可能導(dǎo)致IGBT燒毀等問(wèn)題。

本文對(duì)這一缺點(diǎn)的根源進(jìn)行深入分析,提出一種增加固定延時(shí)的辦法來(lái)解決這一個(gè)問(wèn)題,并對(duì)固定延時(shí)的時(shí)間范圍進(jìn)行了理論推導(dǎo)。在實(shí)驗(yàn)中,通過(guò)對(duì)原振蕩電路改進(jìn)來(lái)實(shí)現(xiàn)增加的固定延時(shí),從而使得該電路能在更大范圍地實(shí)現(xiàn)ZVS。最后,建立了一個(gè)1 000 W單管感應(yīng)加熱的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),對(duì)所述理論分析進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

圖1 單管感應(yīng)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(yīng)加熱等效主電路如圖2所示[12]。U為直流穩(wěn)壓源電壓,R1是感應(yīng)器和加熱工件的等效電阻,L1是相應(yīng)的等效電感,C1是諧振電容,Q1是帶有反并聯(lián)二極管的IGBT。

圖2 單管感應(yīng)加熱等效主電路

2.1 主電路工作狀態(tài)分析

由圖2可知,在1個(gè)工作周期內(nèi),主電路的工作狀態(tài)可分為3個(gè)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(gè)工作階段的等效電路如圖3所示。

圖3 主電路各個(gè)工作階段的等效電路

在階段(1)即[0,t1]期間內(nèi),IGBT導(dǎo)通,電感進(jìn)行充電,等效電路如圖3(a)所示。此時(shí)有:

(1)

其中:iL(t)為電感電流；τ為時(shí)間常數(shù),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(nèi),IGBT關(guān)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(guò)渡過(guò)程計(jì)算得:

(2)

式中：

在階段(3)即[t2,t3]期間內(nèi),IGBT關(guān)斷,但是由于電容電壓與直流電壓源電壓相等,此時(shí)IGBT的反并聯(lián)二極管導(dǎo)通,因此電容電壓被鉗位,自由諧振無(wú)法進(jìn)行,電感將通過(guò)IGBT的反并聯(lián)二極管進(jìn)行放電,等效電路如圖3(a)所示。此時(shí)有:

(3)

其中：I1為t2時(shí)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(gè)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(tài)情況下,電路可以實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通,即在二極管開(kāi)通期間,使得IGBT導(dǎo)通。

圖4 一個(gè)周期內(nèi)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(gè)控制周期中總會(huì)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(shí)能正常翻轉(zhuǎn),需要滿足:

對(duì)主電路各個(gè)工作狀態(tài)下的自激電路進(jìn)行分析。在一個(gè)周期內(nèi)有:

則由式(2)解得該方程兩個(gè)解t4和t5分別為：

(4)

從以上分析發(fā)現(xiàn),通過(guò)自激振蕩電路,使得IGBT源漏極間的電壓uCE(t)=U時(shí),IGBT開(kāi)通,因此IGBT無(wú)法實(shí)現(xiàn)ZVS。由于IGBT瞬間的開(kāi)通,必然導(dǎo)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(shí),IGBT也將流過(guò)瞬間的大電流,從而導(dǎo)致IGBT損耗增大,整個(gè)系統(tǒng)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(wèn)題,必須采取有效的解決辦法。

3 給定延時(shí)實(shí)現(xiàn)ZVS的可行性分析

綜上分析可知,如果將自激振蕩電路在開(kāi)通點(diǎn)增加一定的延時(shí),將會(huì)使得主電路中IGBT零電壓開(kāi)通這一特性得以實(shí)現(xiàn)。

進(jìn)一步分析得出,為實(shí)現(xiàn)該延時(shí),延時(shí)時(shí)間td必須滿足td>Δt=t2-t5。下面分析說(shuō)明,給定一個(gè)固定的延時(shí)以實(shí)現(xiàn)ZVS的可行性。

3.1 Δt隨IPK變化的單調(diào)性分析

當(dāng)t=t5時(shí),由式(2)和式(4)有:

(5)

式中與I有關(guān)的各參數(shù)均與式(2)中定義相同,結(jié)合式(2)中各參數(shù)的表達(dá)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(shù)δ也比較小,在考慮Δt時(shí)忽略電阻R1和衰減系數(shù)δ的影響。在[t5,t2]時(shí)間段,則有:

可以看出,Δt是隨Ipk的增加而減小的。即Ipk越小,實(shí)現(xiàn)ZVS所需的延遲時(shí)間就越長(zhǎng)。因此,若給定一個(gè)最小Ipk對(duì)應(yīng)的所需延遲時(shí)間,就可以使得IGBT在其反并聯(lián)二極管導(dǎo)通之后才開(kāi)始導(dǎo)通。但這并不意味著一定能實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通,如果延遲時(shí)間太長(zhǎng),將有可能導(dǎo)致IGBT在其反并聯(lián)二極管已經(jīng)截止了才開(kāi)通,這將使主電路重新開(kāi)始自由振蕩,從而失去了ZVS。因此,必須確保延遲時(shí)間td

3.2tm隨IPK的單調(diào)性分析

從時(shí)刻t5到時(shí)刻t2,由能量守恒可得t2和t5時(shí)刻的電感電流I1滿足:

因此，為了能實(shí)現(xiàn)ZVS必須滿足:

(6)

則有:

(7)

對(duì)公式(7)進(jìn)行求導(dǎo)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(shè)最小的Ipk對(duì)應(yīng)的Δt和tm分別為Δt0和tm0,若給定固定的延遲時(shí)間,應(yīng)滿足:

(9)

則能確保IGBT在反并聯(lián)二極管開(kāi)通后再開(kāi)通,同時(shí)又保證在二極管截止前導(dǎo)通,即實(shí)現(xiàn)了零電壓開(kāi)通。當(dāng)功率最小時(shí),對(duì)應(yīng)的Ipk也最小[13],因此對(duì)于固定的延遲時(shí)間可由能實(shí)現(xiàn)ZVS的最小功率(電流)對(duì)應(yīng)的時(shí)間Δt0和tm0來(lái)確定。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證上述理論分析的正確性,搭建了一個(gè)1kW單管感應(yīng)加熱的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),如圖5所示。該平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)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(huì)有一定的延遲,為了減少成本,增加實(shí)用性,在實(shí)驗(yàn)樣機(jī)中采用增加比較器數(shù)量的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)延時(shí),即將原來(lái)的一個(gè)比較器,改為2個(gè)比較器串接使用。

圖5 1 kW感應(yīng)加熱實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

為了驗(yàn)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(duì)有延時(shí)和無(wú)延時(shí)的IGBT電壓電流進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比,其結(jié)果如圖6和圖7所示，圖中Ch1為IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào),Ch3為IGBT的CE電壓,Ch4(流過(guò)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(duì)比圖6和圖7可以看出,增加固定延時(shí),能夠有效地實(shí)現(xiàn)IGBT的ZVS,尤其是在電流比較小的時(shí)候。從圖6(a)和7(a)可以看出,比較器的延遲時(shí)間是固定的,圖6(a)中, 從比較器到驅(qū)動(dòng)電路所有的延遲大約是1.7 μs,其最大允許的延遲時(shí)間為6.1 μs。圖7(a)為實(shí)現(xiàn)ZVS最小的延遲時(shí)間為1 μs,最大允許的延遲時(shí)間為9.1 μs。兩種情況都滿足不等式(9),證明了延時(shí)范圍的正確性。

實(shí)驗(yàn)選取不同峰值電流Ipk,實(shí)測(cè)得到不同峰值電流下的各個(gè)時(shí)間如表1所示(限于篇幅,實(shí)驗(yàn)波形不再列出)。

表1 不同峰值電流下的各個(gè)時(shí)間

由表1結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了Δt是隨Ipk的增加而減小的,tm隨Ipk的增加而增加。

5 結(jié)語(yǔ)

分析了常用的單管感應(yīng)加熱電源不能實(shí)現(xiàn)IGBT零電壓開(kāi)通的本質(zhì)原因,提出通過(guò)增加固定延時(shí)的方法來(lái)解決這一問(wèn)題,并對(duì)延遲時(shí)間的范圍進(jìn)行了理論分析和推導(dǎo),最后通過(guò)增加比較器數(shù)目來(lái)實(shí)現(xiàn)延遲,1 kW實(shí)驗(yàn)平臺(tái)證明了理論分析和實(shí)驗(yàn)方法的正確性。本文所提方法理論簡(jiǎn)單,實(shí)現(xiàn)方法容易,可作為電力電子技術(shù)基礎(chǔ)課程的綜合拓展實(shí)驗(yàn),以加強(qiáng)課程理論和實(shí)際應(yīng)用的有效結(jié)合。

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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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)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(shù)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(jī)變壓器電磁場(chǎng)數(shù)值分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)研究以及電路與電子技術(shù)基礎(chǔ)課程的教學(xué)工作.

E-mail：chishangyang@foxmail.com

TM924.5

A

1002-4956(2017)5-0056-04