雙工模式感應加熱電源的研究

肖新山

摘 ?要：感應加熱是一種清潔、高效、衛生的加熱技術，其在眾多的工業領域中都有著廣泛的應用。而在民用領域中最典型的代表則是電磁爐?，F今市面上所應用的電磁爐主要是基于D類變頻器所發展起來的，并輔助以調頻調功（PFM）和調脈沖密度調功（PDM）兩類功率調節方式。上述兩種功率調節方式有其應用范圍和應用特點。為使得感應加熱電源能夠更好的發揮效果，文章介紹了一種雙工模式感應加熱電源。

關鍵詞：感應加熱;雙工模式;研究

中圖分類號：TM924 ? ? ? ?文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2020）19-0057-02

Abstract： Induction heating is a clean， efficient and hygienic heating technology， which is widely used in many industrial fields. The most typical representative in the civil field is the induction cooker. Nowadays， the induction cookers used in the market are mainly based on D-type frequency converter， and are assisted by two kinds of power regulation modes： pulse frequency modulation （PFM） and pulse density modulation （PDM）. The above two power regulation methods have their application range and application characteristics. In order to make the induction heating power supply more effective， a duplex mode induction heating power supply is introduced in this paper.

Keywords： induction heating; duplex mode; research

前言

感應加熱電源有著眾多的應用，以電磁爐為例其是感應加熱電源民用的典型代表。感應加熱電源功率調節所使用的PFM和PDM兩類調節方式各有其優缺點。PFM調功方式在低功率段損耗較大，在感應加熱電源進行調功設計時應在低功率段采用PDM，在高功率段采用PFM，通過兩者相結合能夠有效提高調功效率。本文在分析PFM調功損耗的基礎上對感應加熱電源調功方式進行了優化設計，從而使得感應加熱電源在雙工模式下具有良好的工作特性。

1 感應加熱電源特性

感應加熱電源是一種高效清潔加熱方式，通過調節功率控制能夠使其應用于多種不同的場合。感應加熱電源主要通過功率調節的方式來改變感應加熱電源的工作效率，但是當逆變器因損耗大增時將嚴重影響感應加熱電源的工作效率。在感應加熱電源上應用雙工調節模式，將PDM和PFM相結合將有助于減少感應加熱電源工作時的能量損耗，提升感應加熱電源的工作效率。感應加熱電源主要依靠交變磁場在待加熱物體中產生渦流的方式來產生熱量，利用交變電流的改變產生變化的磁場。感應加熱電源功率控制依靠的是數字芯片（DSP等），實現對于工頻的精確控制，從而控制磁場的細微變化。感應加熱電源加熱具有極高的安全性，其是非接觸加熱，依靠渦流產生熱量，加熱能量能夠較為集中在待加熱物體中實現對于電能的高效利用。感應加熱電源所使用的逆變器主要分為單管、半橋和全橋幾種，單管逆變器由于開關應力限制主要應用于1kW左右頻段，而全橋逆變器則主要應用于5kW以上的范圍。在感應加熱電源的應用中多采用的是D類逆變器，這是由于相對于DE類逆變器D類逆變器調節方式更加靈活、實現方便、價格較低。在感應加熱電源的功率調節時應用PFM調功方案時低功率階段將受開關頻率較大所帶來的影響而影響功率調節效率，但是在高功率輸出階段感應加熱電源所處于的工作頻率要與負載頻率相接近，從而使得感應加熱電源的逆變器工作頻率較高。需要注意的是，應用PDM功率調節方法時將會帶來電壓閃變的問題，而在調節時PDM功率調節范圍將與功率調節周期呈現出正相關的關系，而在處于低功率時，PDM功率調節具有良好的設計特性，且能夠有效的限制感應加熱電源工頻頻率的增大。針對感應加熱電源所具有的上述特性，本文為解決這一問題采用的調功策略解決了上下橋臂不對稱所帶來的問題，且感應加熱電源所采用調功策略的開關管始終處于ZVS條件下，體現出了較為良好的軟開關特性。在感應加熱電源的調功電路設計上，在低功率PDM調功階段為提高調解效率降低調解損耗要改變以D類逆變器為主的電路設計，由于D類逆變器在低功率階段工作時其工作頻率需要高于主電路的諧振頻率，從而降低逆變器的輸出功率，為實現這一目標主電路上的開關損耗和反并聯二極管的通態損耗都較大，不利于感應加熱電源的功率調節。為改變這一問題，可以在感應加熱電源功率調節的主電路設計中采用DE類逆變器用以取代D類逆變器在低功率階段的使用，由于DE類逆變器的最大輸出功率比D類逆變器的輸出功率要小，主電路上的負載電流將流經開關管與并聯電容從而使得反并聯二級管的通態損耗降至最低。此外，在這一狀態下DE類逆變器的并聯電容相對于D類逆變器的電容容量更大，從而降低了DE類逆變器開關管的斷電壓斜率，減少了關斷損耗。

2 雙工模式感應加熱電源逆變器解原理與結構

雙工模式感應加熱電源逆變器的結構如圖1所示。在圖1中逆變器依靠relay1實現開關管并聯電容之間的切換，通過調整relay2繼電器來實現負載電容的切換。通過上述方式實現感應加熱電源在不同功率特性下逆變器工作模式的轉換，為實現繼電器的精確調節主要依靠的是微控芯片的I/O輸出控制來實現的。在感應加熱電源逆變器控制電路的設計上，如所使用的是D類模式逆變器其主要依靠的是在逆變器兩端并聯電容的方式來降低關斷損耗的。需要注意的是，逆變器兩端所并聯的電容需要合理的進行選擇，避免過大或過小。在并聯電容的選擇上要確保并聯電容的充電時間高于IGBT的關斷下降和拖尾時間的和，從而使得關斷損耗得到進一步的降低。在逆變器的DE模式，其充放電的時間與并聯電容容量呈正比，為實現這一類型DE類逆變器所并聯的電容要遠遠高于D類逆變器。而DE類逆變器開關管具有較小的開關管關斷電壓斜率，從而使得開關管的關斷損耗較少。在DE類模式下逆變器開關管所并聯的電容降低了開關管開通使得電壓至零，在實現了逆變器ZVS的同時避開了反并聯二級管，從而使得反并聯二極管通態損耗并不存在?？傮w來說DE類逆變器將有效避免反并聯二級管的通態損耗，提高逆變器的工作效率。在感應加熱電源逆變器開關管的設計上需要合理的確定并聯電容的使用數量與工作時間，實現感應加熱電源逆變器主電路的雙工設計。

3 感應加熱電源雙工模式下的工作特性

3.1 PDM與PFM調功分析

PFM調功實現方式簡單，多應用于負載品質因數較高的感應加熱場合，在較小的頻率范圍內能夠完成大范圍功率的調節。而當負載品質因數處于較小范圍時，PFM調功的效率將大幅下降，使得逆變器處于較低的工作效率。通過對PFM調功過程中感應加熱電源的工作特性進行建模分析后發現，PFM調功與逆變器的負載品質因數成正比，即品質因數越高調功效率越好。而在固定負載品質因數的條件下，逆變器的損耗將隨著工頻的增加而呈現出先增后減的趨勢，IGBT關斷損耗的存在將使得逆變器的工作效率持續降低。通過對低功率階段下PFM調功特性進行分析后發現，處于低功率階段的PFM調功將使得逆變器的開關損耗大幅增加，感應加熱電源的工作效率大為降低。

PDM調功主要采用調節開關管驅動脈沖密度的方式來對逆變器的輸出功率進行調節，在調功周期內PDM的工作頻率保持基本恒定，從而使得PDM調功具有較為良好的軟開關特性。需要注意的是，PDM調功輸出功率的波動將會對感應加熱電源的電壓質量帶來一定的影響，出現電壓波動和閃變問題。而電壓波動則主要來自于負荷的劇烈波動變化。而在滿足閃變標準時，PDM調功周期與PDM調功功率范圍呈正比。為保障感應加熱電源能夠取得良好的應用效果需要做好PDM調功周期與PDM調功功率的匹配。

3.2 感應加熱電源逆變器工作特性的建模仿真

基于PSIM仿真模型參數（負載等效電阻5？贅、負載等效電感74μH、開關管并聯電容D22nF/DE274nF、工頻20 kHz -50kHz）完成感應加熱電源工作特性的仿真，通過對仿真結果進行分析發現D類逆變器PFM調功工頻在20kHz時功耗最小，效率最高。在低功率階段，逆變器的輸出功率從200w-1500w的區段內變化時開關管DE類逆變器的關斷電壓上升率是在不斷變化的，且在600w時其上升率要比D類變頻器的關斷電壓上升率小得多，僅為D類逆變器的1/14左右。從模擬數據上可以看出，在低功率階段采用DE類逆變器將能夠有效的改善電源的工作特性。

4 結束語

感應加熱電源有著廣闊的應用前景，新時期隨著新技術的發展與應用將有助于提高感應加熱電源的產業化應用。本文在分析感應加熱電源技術特點的基礎上提出了感應加熱電源的雙工模式應用，在改善了感應加熱電源在低功率階段工作特性的基礎上降低了感應加熱電源的工作能耗、提高了工作效率，并對雙工模式感應加熱電源的主控電路進行了分析介紹。

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