彭詠龍，史孟，李亞斌，江濤

（華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，河北保定071003）

0 引 言

高頻感應(yīng)加熱是利用電磁感應(yīng)原理在通以交變電流的環(huán)形線圈內(nèi)產(chǎn)生高頻感應(yīng)渦流熱效應(yīng)來進(jìn)行加熱的一種高效、節(jié)能、環(huán)保的新型加熱技術(shù)［1-2］。目前，應(yīng)用Si材料MOSFET作為開關(guān)管的感應(yīng)加熱電源，因?yàn)樽陨聿牧衔锢硖匦缘南拗?，即便采用軟開關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了ZCS或ZVS，最高工作頻率仍不超過800 kHz［1-2］。故在半導(dǎo)體單晶硅制造、細(xì)微工件的表面淬火，介質(zhì)加熱及金屬高頻濺射，以及食品、藥材、木材加工等要求加熱電源頻率必須在1 MHz以上時就不得不繼續(xù)使用高耗能的電子管電源［2］。

SiC MOSFET作為近幾年興起的第三代半導(dǎo)體器件，具有寬禁帶、高載流子漂移率、低介電常數(shù)等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)［3］，逐漸開始在高頻應(yīng)用場合展現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢，國外諸多研究機(jī)構(gòu)對SiC MOSFET在高頻逆變器中的應(yīng)用展開了廣泛研究［4-8］。德國弗勞恩霍夫研究所將SiCMOSFET應(yīng)用于光伏逆變器中，結(jié)果表明其可以實(shí)現(xiàn)單相和三相光伏逆變器功率密度和效率的極大提高［4］。文獻(xiàn)［5-6］比較了分別由 Si MOSFET和SiC MOSFET作為開關(guān)管的感應(yīng)加熱諧振逆變器的性能，驗(yàn)證了SiC器件的應(yīng)用對感應(yīng)加熱電源節(jié)能效率有一定的提高。文獻(xiàn)［7］應(yīng)用1200 V SiCMOSFET器件成功的搭建了一個半橋并聯(lián)諧振逆變器，開關(guān)頻率可達(dá)1 MHz，但最大功率只有1.2kW。在文獻(xiàn)［8］中，某大學(xué)應(yīng)用 SiC MOSFET器件搭建了一個15 kW，70 kHz感應(yīng)加熱全橋逆變電源，額定功率運(yùn)行時的逆變轉(zhuǎn)換效率高達(dá)98.5%，然而其容量和頻率遠(yuǎn)未達(dá)到工業(yè)應(yīng)用的要求。

本文以新型SiCMOSFET作為開關(guān)管，開發(fā)出了頻率超過800 kHz，單逆變橋功率超過50 kW的新型感應(yīng)加熱電源；通過并橋處理，電源單機(jī)容量可達(dá)200 kW。本文設(shè)計的電源在頻率和容量上具備工業(yè)應(yīng)用的價值，在一定程度上填補(bǔ)了將新型SiC MOSFET器件應(yīng)用于感應(yīng)加熱領(lǐng)域的空白。

1 串聯(lián)諧振逆變器設(shè)計

如圖1所示，固態(tài)感應(yīng)加熱電源主要由整流器、逆變器、負(fù)載及控制和保護(hù)電路組成。整流器采用三相可控整流，將三相工頻交流電轉(zhuǎn)換為直流電后經(jīng)濾波器濾除雜波后送到逆變器［1］。整流部分和控制部分和傳統(tǒng)以Si MOSFET作為開關(guān)管設(shè)備相差不大，故不作詳細(xì)介紹；接下來著重分析逆變部分的工作原理、驅(qū)動、功率容量擴(kuò)展。

圖1 固態(tài)感應(yīng)加熱電源的電路結(jié)構(gòu)Fig.1 Circuit structure of solid state induction heating power supply

為了避免設(shè)備制造的難度，以及降低因拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所引起的設(shè)備故障率，容量較大的感應(yīng)加熱電源多采用技術(shù)成熟且結(jié)構(gòu)簡單的H橋結(jié)構(gòu)。本文采用H橋串聯(lián)諧振逆變器，即電壓型逆變器，如圖2所示。由于逆變器工作頻率近似等于串聯(lián)諧振電路固有頻率，因此在負(fù)載回路產(chǎn)生高頻方波電壓和高頻正弦波電流。

圖2 串聯(lián)諧振逆變器基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 Basic topology of series resonant inverter

本文采用的SiCMOSFET（IXFN50N120SiC）器件和感應(yīng)加熱常用的 Si MOSFET（IXFN38N100Q2）參數(shù)對比如表1。

表1 Si MOS和SiC MOS器件主要參數(shù)對比Tab.1 Comparison of main parameters between SiMOS and SiC MOS

從表1中數(shù)據(jù)可以看到，SiC MOSFET器件的導(dǎo)通電阻僅為Si MOSFET器件的1／6，因此導(dǎo)通損耗相應(yīng)會得到減??；SiC MOSFET內(nèi)部的寄生電容與Si MOSFET相比都有極大減小，反向傳輸（米勒）電容僅為原來的1／13，所以SiC器件的開關(guān)速度快，開關(guān)損耗得到極大降低，而電源總損耗的80%以上來自于器件的開關(guān)損耗［2］。

MOSFET漏源兩端一般均反并聯(lián)有寄生二極管，由表1可知，Si MOSFET器件的反向恢復(fù)時間是SiC MOSFET的近8倍，當(dāng)工作在高頻時，其過長的反向恢復(fù)時間可能會導(dǎo)致上下橋臂在逆變器換向時發(fā)生短路，形成大的環(huán)流，開關(guān)管也因此而損壞。文獻(xiàn)［9］采用外部串、并聯(lián)快恢復(fù)二極管來克服這種影響，如圖3所示：在MOSFET的漏極串聯(lián)一個低壓Si肖特基二極管D1來防止體二極管導(dǎo)通；同時，在MOSFET的漏源極反并聯(lián)一個快恢復(fù)二極管D2來做為新的換流通路，但是由此會帶來額外的成本且導(dǎo)致逆變橋路體積增大。相反，SiC MOSFET的體二極管反向恢復(fù)時間極短，可為換流過程提供通路，不需要額外并聯(lián)快恢復(fù)二極管，因此可以極大降低電源的體積，提高其功率密度。

在頻率較高時，為了減小開關(guān)損耗，保證逆變器的安全，逆變器應(yīng)工作在小感性的準(zhǔn)諧振狀態(tài)，即開關(guān)頻率f應(yīng)略大于負(fù)載諧振頻率。

圖3 典型不使用體二極管電路Fig.3 Typical circuit without using body diode

2 驅(qū)動電路設(shè)計

由表1可知，SiC MOSFET的寄生電容、門極充電電荷遠(yuǎn)小于SiMOSFET，因此對驅(qū)動電路的寄生參數(shù)也更加敏感，所需驅(qū)動功率也有所減小。常規(guī)Si MOSFET的驅(qū)動電壓為0 V～＋15 V，但是對于SiC MOSFET當(dāng)驅(qū)動電壓達(dá)到16 V時才能完全開通，驅(qū)動電壓?。? V～＋20 V合適［10］。所以用常規(guī)的驅(qū)動Si功率器件的驅(qū)動電路來直接驅(qū)動SiC器件是不合適的，需要專門設(shè)計。為了滿足SiC MOSFET對驅(qū)動電壓及驅(qū)動快速性的要求，本文設(shè)計了如圖4示光耦隔離驅(qū)動電路。

圖4 光耦隔離驅(qū)動電路原理圖Fig.4 Drive circuit principle diagram of optocoupler isolation

驅(qū)動芯片采用開關(guān)頻率可達(dá)1 MHz的BM6104FV，其I／0延遲時間為150 ns，最小輸入脈沖寬度為90 ns，隔離電壓為2 500 V，驅(qū)動電流可達(dá)5 A，能可靠實(shí)現(xiàn)主回路和控制信號的隔離，滿足高頻、高壓的要求。另外，由于SiC MOSFET的開關(guān)速度較快，d v／d t較大，而閾值電壓卻較低，同橋臂一個MOS管開通會通過米勒電容在另一個MOS的驅(qū)動門極產(chǎn)生虛高電位導(dǎo)致其誤開通從而造成橋臂直通，因此設(shè)計在門極電阻后端嵌位三極管來避免這一現(xiàn)象發(fā)生［10］。驅(qū)動芯片主要外圍電路如圖5所示。

圖5 驅(qū)動芯片外圍電路Fig.5 Peripheral circuit of driver chip

合適的門極電阻是影響影響功率器件在開關(guān)過程中是否振蕩的關(guān)鍵因素，本文Rg＝5Ω。同時，還需在每個SiCMOSFET器件兩端增加RC串聯(lián)緩沖吸收電路［11-12］。

3 功率容量擴(kuò)展

大功率容量也是感應(yīng)加熱電源追求的發(fā)展趨勢之一。

根據(jù)電工學(xué)原理，負(fù)載要想獲得的最大輸出功率，負(fù)載阻抗需要和電源的內(nèi)阻抗相等。因此，負(fù)載匹配是保證加熱電源獲得最大功率輸出，提高電源效率的一個重要手段。在加熱過程中，負(fù)載阻抗因溫度變化而變化；同時，不同的負(fù)載等效阻抗也有很大差異。本文采用高頻變壓器來使負(fù)載的等效阻抗和電源的阻抗相等或相近。

采用串、并聯(lián)功率器件提高容量。局限于單個MOSFET的容量限制，可以采用功率器件串、并聯(lián)的方式，以提高輸出電壓或電流［13］。本文單逆變橋采用5個SiCMOSFET并聯(lián)的方式，理論輸出電流可達(dá)5×47 A＝235 A，考慮安全裕量，150 A的輸出電流也是安全的；SiC MOSFET的額定電壓為1 200 V，降額使用600 V以內(nèi)的電壓是絕對安全的。因此，單橋功率可輕松達(dá)到50 kW以上。同時，為進(jìn)一步提高設(shè)備容量，對多個逆變橋板進(jìn)行并聯(lián)也是加熱電源常用的方法［13］。本文通過對4個逆變橋板進(jìn)行并聯(lián)（見圖6），電源輸出功率最大可達(dá)200 kW；并且理論上通過進(jìn)一步的并聯(lián)以獲取更大容量是可行的。

圖6 逆變橋并聯(lián)結(jié)構(gòu)框圖Fig.6 Block diagram of parallel inverter bridge

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 驅(qū)動板可靠性實(shí)驗(yàn)

為了檢驗(yàn)驅(qū)動板是否安全可靠，能否經(jīng)得起長時間的高溫運(yùn)行，如圖7所示，由控制板給驅(qū)動板加上脈沖信號，放入烤箱中（設(shè)定溫度70℃），連續(xù)運(yùn)行72 h，期間每隔6 h測定一次脈沖信號；結(jié)果驅(qū)動板總能穩(wěn)定發(fā)出正確可靠的脈沖信號，表明該驅(qū)動可以長時間無故障驅(qū)動SiC MOSFET，且有一定的耐高溫性能。

圖7 驅(qū)動板可靠性測試Fig.7 Reliability test of drive board

4.2 單橋逆變實(shí)驗(yàn)

圖8～圖9為逆變橋板的驅(qū)動波形。圖8為其中一橋臂上下兩個MOS管的驅(qū)動波形：Vgs開通電壓為18 V，關(guān)斷期間負(fù)壓為4 V；一個開關(guān)周期 T為1 200 ns，即頻率為830 kHz；上下開關(guān)管先關(guān)斷后開通，留有130 ns的死區(qū)時間。由于逆變橋板是由4塊驅(qū)動板來進(jìn)行驅(qū)動，鑒于器件的差異，PCB板印制的工藝等，需要確保構(gòu)成交替導(dǎo)通回路的S1，S3和S2，S4觸發(fā)脈沖的一致性，本文通過電位器在逆變控制側(cè)補(bǔ)償延時的方法來使兩種情況下驅(qū)動脈沖盡量做到一致，如圖9所示，兩路觸發(fā)信號相差最大處不足10 ns。

圖8 同橋臂驅(qū)動波形Fig.8 Drive waveform of the same bridge arm

圖9 同回路驅(qū)動波形Fig.9 Drive waveform of the same loop circuit

圖10所示為單逆變橋板輸出的電壓和電流波形。其中電壓波形由無源探頭衰減測得；因?yàn)檩敵鲭娏髯畲罂蛇_(dá)130 A，而測量探頭Tektronix TCP2020額定電流為20 A，所以通過在逆變輸出側(cè)并聯(lián)導(dǎo)線（電流比13：1）測得。

圖10 逆變輸出電壓、電流波形Fig.10 Inverter output voltage and current waveform

由圖8可知：經(jīng)負(fù)載匹配后，輸出電壓、電流一個周期T為1 230 ns，即810 kHz；小感性角度θ＝（50*360）／1230＝14.6°，逆變輸出電壓 U＝450 V，電流有效值：

功率：

由于實(shí)驗(yàn)負(fù)載經(jīng)不起大功率長時間加熱，所以由2個延時繼電器設(shè)計了自動啟停電路，讓逆變回路工作加熱4 s，停2 s，如此反復(fù)啟停4小時2 400次，期間加熱負(fù)載運(yùn)行無故障，驗(yàn)證了該逆變橋板可以長時間穩(wěn)定輸出50 kW以上的功率，且經(jīng)得起一定的沖擊運(yùn)行。

5 結(jié)束語

新型SiCMOSFET憑借其低導(dǎo)通電阻、高開關(guān)速度、易驅(qū)動等優(yōu)點(diǎn)，正逐步廣泛應(yīng)用于電機(jī)驅(qū)動、光伏逆變器、感應(yīng)加熱等工業(yè)領(lǐng)域。

文章通過5個SiC MOSFET并聯(lián)的方式，結(jié)合傳統(tǒng)Si MOSFET感應(yīng)加熱電源的控制方法，開發(fā)出了單橋?qū)嶒?yàn)功率可達(dá)到57.6 kW，工作頻率可超800 kHz的新型加熱電源；經(jīng)過4塊相同逆變橋板并聯(lián)，單臺加熱電源設(shè)備功率容量可達(dá)200 kW以上。相比傳統(tǒng)SiMOSFET感應(yīng)加熱電源，該電源在頻率、功率密度方面都有相當(dāng)大的提高；這對把新型 SiC MOSFET器件應(yīng)于感應(yīng)加熱領(lǐng)域，將其器件級的優(yōu)勢早日轉(zhuǎn)換為工業(yè)效益是一次有益的嘗試；后期可針對相關(guān)驅(qū)動電路、雜散電感、控制方法等做進(jìn)一步優(yōu)化，使得感應(yīng)加熱電源朝著更高頻率、更大容量做進(jìn)一步的提高。