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为何工程师在高频感应加热电源中选择串联谐振逆变器?

发布时间:2015-10-15 责任编辑:sherry

【导读】为什么高频感应加热电源设备在进行研发时,大部分工作人员会选择使用串联谐振逆变器呢?本文将会就这一问题进行简要介绍和分析。
 
高频感应加热电源是目前在工业制造领域中被广泛应用的加热设备,其本身应用了串联谐振逆变器进行系统设计,加之具有高效、低功耗和清洁等多重优势,使这种感应加热电源在最近两三年中得到了迅速的普及。那么,为什么高频感应加热电源设备在进行研发时,大部分工作人员会选择使用串联谐振逆变器呢?本文将会就这一问题进行简要介绍和分析。
 
作为高频感应加热电源设备的重要组成部分,串联谐振逆变器在工作中具有损耗低、工作适应性良好等优势。这种逆变器在实际应用中也被称为电压型逆变器,其基础结构的原理图如图1所示。在实际工作的过程中,串联谐振型逆变器的输出电压为近似方波。由于电路工作在谐振频率附近,使振荡电路对于基波具有最小阻抗,所以负载电流ia近似正弦波。同时,为避免逆变器上、下桥臂间的直通,换流必须遵循先关断后导通的原则,在关断与导通间必须留有足够的死区时间。下图中的图2和图3分别示出容性负载和感性负载的输出波形。
当串联谐振逆变器处于低端失谐状态时,它的工作波形如上图图2所示。由图2可以看到,当电压型逆变器工作在容性负载状态时,输出电流的相位超前于电压相位,因此在负载电压仍为正时,则电流先过零,上、下桥臂间的换流则从上、下桥臂的二极管换到下、上桥臂的MOSFET。此时,由于MOSFET寄生的反并联二极管具有慢的反向恢复特性,因此使得在换流时会产生较大的反向恢复电流,从而会让器件产生较大的开关损耗,而且在二极管反向恢复电流迅速下降至零时,会在与MOSFET串联的寄生电感中产生大的感生电势,而使MOSFET受到很高电压尖峰的冲击。
 
在结束了串联谐振型逆变器的容性负载工作状态分析后,接下来我们再来看一下当其处于感性负载状态时的工作情况。当电压型逆变器工作在感性负载状态时,它的工作波形见上图图3。从图3中可以看到,此时输出电流的相位滞后于电压相位。在感性负载工作状态下,电压型逆变器的换流过程是这样进行的:首先当上下桥臂的MOSFET关断后,负载电流换至下上桥臂的反并联的二极管中,在滞后一个死区时间后,下上桥臂的MOSFET加上开通脉冲等待电流自然过零后从二极管换至同桥臂的MOSFET。然而,由于MOSFET中的电流是从零开始上升的,因此此刻在电压型逆变器中基本实现了零电流开通,其开关损耗很小。
 
此时需要注意的一个问题是,在该条件下工作的串联谐振型逆变器,其本身的MOSFET关断时电流尚未过零,因此仍会存在一定的关断损耗。但是由于MOSFET关断时间很短,预留的死区不长,加上因死区而必须的功率因数角并不大,所以适当地控制逆变器的工作频率并使之略高于负载电路的谐振频率,就可以使上下桥臂的MOSFET向下上桥臂的反并联的二极管换流。在进行该种操作的同时,其瞬间电流也是很小的,即MOSFET关断和反并联二极管开通是在小电流下发生的,这样也限制了器件的关断损耗。
 
从上文中我们对串联谐振型逆变器的分析来看,在进行合理设置的前提下,这种电压型逆变器正常运行时所造成的开关损耗很小。因此,它可以工作在较高的工作频率下。这也是为什么高频感应加热电源在设计时更多的会选择电压型逆变器的主要原因之一。
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