超高頻感應加熱電源主電路元件的選擇和設計.doc

1、摘要IAbstractII1緒論11.1感應加熱的發(fā)展及應用11.2 感應加熱技術國內外現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢21.2。1 國外現(xiàn)狀21.2。2 國內現(xiàn)狀31.2。3 現(xiàn)代感應加熱技術發(fā)展趨勢32感應加熱原理及其主要拓撲結構分析與應用42。1基本原理42。1.1 感應加熱原理42.1.2 基于感應加熱的效應62。2 感應加熱系統(tǒng)組成及分析82。3 逆變電源拓撲基本結構及其特性93主電路元件的選擇和設計103.1功率開關器件的選擇及參數(shù)設定103。2 EMI濾波環(huán)節(jié)的設計113.3共模抑制電路的設計133。4整流器設計153。4.1電路結構153。4。2 工作原理153。5 電容橋臂的選擇173。6

2、緩沖電路的設計183。6.1緩沖電路的設計183。6。2負載諧振電路參數(shù)的分析計算19參考文獻：20摘要近幾十年以來，隨著科學技術的提高以及更先進器件的發(fā)展與應用,對感應加熱逆變電源的發(fā)展產生了巨大影響，體積更小、重量更輕、電路簡單、高效節(jié)能、攜帶方便、負載適應范圍大成為感應加熱裝置發(fā)展的方向。感應加熱技術在國外發(fā)展比較迅猛,尤其是歐美和同本等國家，在資金和技術等方面更具有優(yōu)勢，所以他們在感應加熱領域,對于高頻和超高頻產品的開發(fā)方面基本上代表了感應加熱技術上的最高水平。但是對小工件的熱處理,需要感應加熱裝置功率更加集中，輸出頻率更高,頻率的提高對感應加熱效率的提高具有顯著意義。所以，提高感應加

3、熱的功率和頻率,一直是感應加熱領域研究的重點與需要解決的難點.超高頻感應加熱的突出特點為：利用IGBT功率器件設計的超高頻逆變電源，可連續(xù)工作，可靠性高;重量輕，體積小，操作攜帶方便；效率高，功耗低,更加節(jié)能；可加熱物體體積更小，可加熱超小型器件；加熱更加集中，加熱均勻。主要應用范圍為：硬質合金鋸片大小齒焊接；眼鏡架、零配件焊接退火;珠寶首飾鐘表焊接；線材薄帶退火；極精細線材各種電子元件精細錫焊銀焊；精細金屬接頭銀銅焊微型馬達軸等淬火；切紙刀鞋刀刃口淬火等。基于超高頻感應加熱的這些優(yōu)點，高頻化就成為感應加熱的主要趨勢本文通過對超高頻感應加熱電源的電路研究，詳細闡述了超高頻感應加熱電源主電路元件

4、的選擇和設計。個人收集整理，勿做商業(yè)用途文檔為個人收集整理,來源于網(wǎng)絡關鍵字：超高頻感應加熱 主電路元件 設計計算AbstractIn recent decades, with the improvement of science and technology as well as the development and application of more advanced devices, the development of induction heating power inverter had a tremendous impact, smaller， lighter weight

5、， simple circuit， energy efficient， easy to carry， to meet the load range induction heating device in the direction of development. Induction heating technology is relatively rapid development in foreign countries, especially in Europe and the United States and with the other countries in terms of f

6、inancial and technical advantage in the field of induction heating for VHF and UHF product development basically represents the induction heating the highest level of technical However， a heat treatment of the workpiece, the induction heating apparatus of power is more concentrated, the output frequ

7、ency is higher， having a significant frequency increases the efficiency of the induction heating. Therefore, to improve the power and frequency induction heating， induction heating areas of focus of the study need to address the difficulties。 The salient features of the ultra-high frequency inductio

8、n heating： the UHF power inverter using IGBT power devices designed， can work, high reliability;, light weight, small size， operation and easy to carry;， high efficiency， low power consumption, more energy-efficient ; heated objects volume is smaller， ultracompact device can be heated; heating is mo

9、re concentrated, uniform heating。 The main application areas： the size of the carbide saw blade teeth welding; frames， spare parts welding annealing; jewelery Watch welding; wire thin strip annealing； very fine wire of various electronic components fine solder silver solder； fine metal joints silver

10、 copper welding micro motor shaft quenching; cutter blade port of shoes quenching. These advantages based on the ultrahigh frequency induction heating， high-frequency induction heating trend III This article by the ultra-high frequency induction heating power supply circuit， elaborated on the main c

11、ircuit component selection and design of ultrahigh frequency induction heating power supply 。本文為互聯(lián)網(wǎng)收集,請勿用作商業(yè)用途本文為互聯(lián)網(wǎng)收集，請勿用作商業(yè)用途Keywords：Ultrahigh frequency induction heating main circuit elements Design and calculations超高頻感應加熱電源主電路元件的選擇和設計1緒論1。1感應加熱的發(fā)展及應用1831年11月，當時法拉弟將兩個線圈分別繞在同一個鐵環(huán)上，當給一個線圈加上交流電時,另一

12、個線圈內有感應電壓產生，他就以此為依據(jù)發(fā)現(xiàn)了電磁感應定律，后來感應加熱裝置都是以此為基礎發(fā)展起來的。這一研究最初應用的領域是金屬熔化。隨著感應加熱在工業(yè)金屬融化應用領域內的大力發(fā)展，這項技術在其它的技術領域的應用也逐漸發(fā)展起來.早在1927感應加熱主要應用在對鋼質工件表面淬火。米德瓦勒鋼鐵公司是最早利用感應加熱對軋鋼便表面進行加熱淬火，用來提高金屬產品的耐磨性和耐疲勞力，此項技術一直被廣泛應用至今長盛不衰。俄亥俄克拉克機軸公司作為美圍最大的柴油機曲軸公司，他們公司采用的感應加熱技術對曲軸表面進行淬火，這是世界上第一次利用感應加熱進行工業(yè)化大批量生產。同樣感應加熱技術在管狀物的內孔表面進行淬火、

13、對車軸和汽車缸筒的加熱處理等方面也有廣泛的應用。第二次世界大戰(zhàn)時期，在軍工的熱處理方面的廣泛應用從而推動了感應加熱技術的長足發(fā)展，例如回收利用報廢的穿甲彈,使用高頻感應加熱設備對坦克履帶、銷釘和鏈輪等進行加熱淬火，對槍筒炮筒的材料進行精細的鍛造預熱.近幾十年以來，隨著工業(yè)化生產更加集約化，生產效率的提高具有極其重要的意義，致使感應加熱得到廣泛的應用與發(fā)展，很多人都致力于感應加熱設備的改進與創(chuàng)新，同時，非金屬工業(yè)利用特定的理論也能使用感應加熱。由于美國在1957年研制出了晶閘管,這是電力電子器件里程碑的發(fā)明，同時標志著現(xiàn)代電力電子技術時代的開始,從而引發(fā)了感應加熱技術領域的革命。瑞士和西德于19

14、66年利用晶閘管研制感應加熱裝置，這是世界上第一個晶閘管感應加熱裝置，從此感應加熱技術在電力電子器件發(fā)展的同時丌始飛速發(fā)展.直到1967年，人們才開始應用高頻固態(tài)電源，這一技術的應用使得感應加熱技術得到進一步的發(fā)展。隨著生產力的快速發(fā)展，各式各樣的感應加熱裝置已廣泛地用于制造電子管、加熱等離子、熔煉和加熱盒屬器具等很多方面。感應加熱裝置從低頻逐漸向高頻化發(fā)展，感應加熱工作的效率越來越高，有的機型已經幾乎提高至95%，而且損耗越來越小，成本費用越來越低。我們從感應加熱的發(fā)展史可以看出，感應加熱主要應用領域是金屬工業(yè)中的對金屬器件的預熱、熱處理、焊接及其熔化等方面。另外，在處理油漆、粘合以及制作半

15、導體等等方面感應加熱技術也得到廣泛應用。1.2 感應加熱技術國內外現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢20世紀80年代后期，隨著GTO、MOSFET、IGBT、MCT、SIT等器件相繼出現(xiàn)，電力電子技術得到再次發(fā)展，感應加熱裝置漸漸離丌晶閘管，繼而采用這些新的電力電子器件.其中IGBT和MOSFET是現(xiàn)在比較常用的電力電子器件,IGBT適用于大功率裝置，而MOSFET適用于高頻裝置。通常把感應電源按頻率范圍可劃分為:低頻(500Hz以下）、中頻(1KHz1OKHz)、超音頻（20KHz40KHz），高頻(40KHz200KHz)、超高頻(200KHz以上)。1。2。1 國外現(xiàn)狀感應加熱技術在國外發(fā)展比較迅猛，尤其

16、是歐美和同本等國家，在資金和技術等方面更具有優(yōu)勢，所以他們在感應加熱領域對于高頻和超高頻產品的開發(fā)方面基本上代表了感應加熱技術上的最高水平心。國外某些公司利用IGBT設計的感應加熱裝置可以把功率做到超過1000KW同時頻率超過50K；利用MOSFET可以設計出功率幾千瓦同時頻率可達到500K以上，甚至兒兆赫茲的感應加熱裝置。比如美國Inductor heat公司利用MOSFET設計的感應加熱電源達到400KHz，最大輸出功率2MW，這也標志了高頻大功率感應加熱電源應用的發(fā)展方向。同時日本利用SIT設計的高頻感應加熱電源也非常成熟，他們在1987年就已開始著力研制1200KW/200KHz的SI

17、T電源。在超高頻感應加熱裝置的研究方面，其實早在上世紀80年代末就有人使用E類單管拓撲研制出800W/3.3MHz和150W/7MHz的實驗樣機。目前在市場上的超高頻感應加熱電源產品中，由韓國研制的8kW/1。8MHz感應加熱逆變電源，就有領先的地位。1.2.2 國內現(xiàn)狀20世紀50年代,我國才開始引進感應加熱技術，改革開放以后得到快速發(fā)展，由于我國的電力電子技術起步比較晚，致使我們的感應加熱技術落后于國外很多，盡管近些年來我們的感應淬火技術得到迅速發(fā)展，但仍然同于工業(yè)化國家相差很遠。同時，縱觀我國的感應加熱市場,真可謂百家齊鳴,但是其中很多企業(yè)在里面可以說是濫竽充數(shù)，各式各樣的機型充斥與市場

18、，雜亂無章,僅河南省的感應加熱企業(yè)，大大小小幾十上百家，其中有做整機的，有做機芯的，也有做機芯改造的,我們從市場上調查的信息數(shù)據(jù)來看，感應加熱設備的退貨率和故障維修率很高,盡管有實力的大型企業(yè)能提供高效率的售后服務，但是很多小企業(yè)不能做到這些,造成顧客的不滿；還有些有實力的企業(yè)投入大量資金研發(fā)出新產品,不久被抄襲了，造成很多企業(yè)不敢在研發(fā)上投入過多的時間與精力，感應加熱市場被攪得一片混亂。所以我們應該采取積極行動，建立健全嚴格的引進政策，使我國的感應加熱技術同世界先進水平差距越來越小。但是由于我們國家市場需求大，致使感應加熱技術在我國前景廣闊,所以在我國研制感應加熱技術的公司有很多,競爭也相當

19、激烈，廣東、江蘇、河南這些地方生產感應加熱的就有上百家,在我國感應加熱領域內浙江大學一直走在最前列.文檔為個人收集整理，來源于網(wǎng)絡本文為互聯(lián)網(wǎng)收集,請勿用作商業(yè)用途1.2。3 現(xiàn)代感應加熱技術發(fā)展趨勢感應加熱電源的發(fā)展水平與電力電子器件的發(fā)展息息相關相關，功率器件的發(fā)展與應用，使得感應加熱技術發(fā)展趨勢呈現(xiàn)以下特點：1、更加大功率化、大容量化和高頻化目前，利用晶閘管設計出的中頻電源，壟斷者中頻大功率領域，IGBT主要用于超音頻電源的開發(fā)，MOSFET則主要用于高頻或者超高頻感應加熱電源中，電力電子半導體器件的使用容量與工作頻率機器密切的關系，早期的晶閘管和電子管就是由于受到容量的限制，從而限制了

20、頻率的大小，所以制造不出大功率、高頻率的感應加熱裝置，近年來隨著新型電子器件的發(fā)展與應用,高頻電源的市場需求促進了新的功率器件的產生，同時新器件也會帶來高頻電源的發(fā)展，感應加熱電源電路中的諧振逆變器通過功率器件來實現(xiàn)軟開關的功能,所以感應加熱電源會朝著大容量化、大功率與高頻率相統(tǒng)一的方向發(fā)展，但是其中有些技術需要我們進一步解決。2、低功耗、高功率因數(shù)目前市場上的新型功率器件的通態(tài)電阻和通態(tài)壓降非常小,工作時的損耗主要是在基極或門極驅動電路的損耗上，隨著功率器件的發(fā)展和驅動電路的更加完善，使得整個感應加熱裝置的損耗降低。由于高功率的感應加熱電源對電網(wǎng)的的無功要求比較高，隨著高功率化的趨勢使得具有

21、高功率因數(shù)的電源成為今后的發(fā)展趨勢心.伴隨著諧振技術在感應加熱電源中的應用,既降低了電源中開關器件的開通、關斷損耗,又利用鎖相技術把逆變器的頻率鎖定在固有諧振頻率內，能使電源以負載功率因數(shù)為l的狀態(tài)一直運行。3、控制智能化、數(shù)字化隨著機電一體化和計算機信息處理技術的快速發(fā)展,感應加熱裝置在生產過程中對自動化控制程度要求越來越高，感應加熱電源向控制自動化、精密化的方向發(fā)展.感應加熱電源發(fā)展的目標是讓裝置具智能接口、遠程控制、故自動診斷的功能。4、加熱技術的無氧化最早說的無氧化加熱技術主要表現(xiàn)在真空熱處理技術、可控氣氛熱處理技術和等離子體表面熱處理，其中真空熱處理具有無氧化、無脫碳和小畸變優(yōu)點，代

22、表著當代熱處理技術先進性.5、應用廣泛化感應加熱裝置主要是應用在對金屬的熱處理方面，它具有高效、無污染等特點，同時通過一定的負載匹配技術，使得感應加熱應用更加廣泛,現(xiàn)在食品藥品中的封裝基本都是用的感應加熱裝置,我們生活中所用的電磁爐、電火鍋也是利用了感應解熱的原理。此外,感應加熱也逐漸應用在非金屬的加熱上面。2感應加熱原理及其主要拓撲結構分析與應用2.1基本原理2.1。1 感應加熱原理感應加熱原理示意圖2-1法拉第電磁感應規(guī)律作為感應加熱的理論基礎，可以看到變化的電流產生變化的磁場，隨后交變的磁場產生渦流來對物體加熱，感應極熱就是通過這一原理把電能轉化成熱能，當交變電流輸入感應圈時，感應圈內就

23、會產生交變磁通，使感應圈內的工件受到電磁感應電勢e.設工件的等效匝數(shù)為N，則感應電勢: (2-1）如果磁通是交變的,令，則： (2-2)感應電動勢E在工件中產生感應電流使工件內部開始加熱,感應加熱電動勢的有效值為： (2-3）感應電勢和發(fā)熱功率與頻率高低和磁場強弱有關。感應線圈中流過的電流越大,其產生的磁通也就越大，因此提高感應線圈中的電流可以使工件中產生的渦流加大；同樣提高工作頻率也會使工件中的感應電流加大，從而增加發(fā)熱效果，使工件升溫更快。另外，渦流的大小與金屬的截面大小、截面形狀、導電率、導磁率以及透入深度有關.被加熱物體中產生的功率為： （2-4) 以上各式就表達了感應加熱的原理，感應

24、加熱相比于其它加熱的方式（如火加熱，電爐絲加熱等）不同,他利用電磁原理直接從被加熱物體內部進行加熱，而其他的加熱方式是傳導性的加熱。感應電動勢和熱功率有諸多印象因素:頻率、磁場強度、被加熱物體的截面積和形狀、被加熱物體本身的特性等.2.1。2 基于感應加熱的效應當交變電流通過導體時，沿導體截面上的電流分布式部均勻的，最大電流密度出現(xiàn)在導體的表面層，這種電流集聚的現(xiàn)象稱為集膚效應.當兩根通有交流電的導體靠得很近時，在互相影響下,兩導體中的電流要重新分布。當兩根導體流的電流是反方向時，最大電流密度出現(xiàn)在導體內側；當兩根導體流的電流是同方向時，最大電流密度出現(xiàn)在導體外側，這種現(xiàn)象稱為近鄰效應。若將交

25、流電通過圓環(huán)形線圈時，最大電流密度出現(xiàn)在線圈導體的內側,這種現(xiàn)象稱為圓環(huán)效應。當通電線圈通電后，在被加熱金屬物體外部和內部都產生了交變的磁場，工件表面部分交鏈的磁力線比導體內部少很多,于是被加熱工件中心的電感和阻抗大于表面部分的，由于電流的特性，電流就積聚到阻抗比較小的導體表面,同時隨著電流頻率越高，集膚效應更加嚴重。若被加熱物體置于變化的磁場中時,交變的電磁場使被加熱物體中產生的渦流，它沿截面涌向在工件的表面層.我們由焦耳定律可分析出，當電阻愈來愈大,相應的導體產生熱量增加。同樣的由高頻電流通過相距過近的被加熱工件或者圓環(huán)狀、繞成圓狀的工件時，通過的電流密度也會隨之發(fā)生變化,引起我們所說的鄰

26、近效應或者環(huán)形效應。在感應線圈中置以金屬工件，感應線圈兩端通過交流電流會在被加熱物體中相應的產生感應電流,當兩者相互接近時，無論線圈還是工件表現(xiàn)出鄰近效應，其電流分布如下圖22所示：近導體的電流分布圖22若電流匯聚在線圈的內側表面上，而電流匯集在被加熱金屬的外表面時，被加熱物體自身出現(xiàn)集膚效應，而線圈本身為圓環(huán)效應,圓環(huán)效應電力分布如下圖23所示：環(huán)形導體的電路分布圖23我們可以看到圓壞效應下，電流集中在線圈內側,靠近加熱銅管的外側電流幾乎沒有,m處為中心點，電流密度最高.感應加熱電源就是綜合利用這三種效應的設備,被加熱金屬工件產生的渦流因為集膚效應,通過橫截面從表至中心按指數(shù)方式衰減，一般在

27、實際工作時，渦流大小由表至里降到值等于最大渦流強度的1/e(36.5），其到表面的距離為(即電流透入深度)。因為渦流所產生的熱量正比于渦流的平方,所以由外至里的熱量下降速度要比渦流的快很多，那么我們確定為： （25）其中，：:被加熱物體的電阻率，單位；：真空中的磁導率，大小為40（H/m)；：被加熱物體的磁導率,單位H/m；：被加熱物體相對磁導率，單位H/m；w:角頻率，單位rad/s；f：頻率，單位Hz。從式可以看出:如果被加熱物體電阻率和相對磁導率是固定值,透入深度僅僅和頻率f平方根成反比關系。那么我們就可以只調節(jié)頻率,就能達到控制被加熱物體的加熱厚度，其原理在金屬熱處理應用很多.2。2

28、感應加熱系統(tǒng)組成及分析本研究首先將220V交流電經整流橋不控整流,得到脈動直流，然后由電解電容濾波，得到平直的直流電壓，用高速VMOS功率場效應管組成橋式逆變電路,逆變出高頻方波交流電壓，通過變壓器隔離，將高頻高壓轉換成低壓大電流,實現(xiàn)阻抗匹配。控制電路的核心是采用鎖相技術，實現(xiàn)頻率自動跟蹤。超高頻感應加熱設備系統(tǒng)框圖如圖2-4所示。系統(tǒng)主要由七個部分組成:感席加熱系統(tǒng)框圖2-4不控整流電路：本研究采用不控整流將市電交流變?yōu)椴豢烧{的直流電，為了簡化電路本課題利用調節(jié)輸出電壓的占空比的PWM方法來調整功率。濾波電路電壓源：逆變諧振一般采用電容濾波，這里為減小體積，采用了電感，為防止電流沖擊，在電

29、路中設置了延遲環(huán)節(jié)。全橋逆變電路：由于本研究裝置頻率較高，必須采用快速VMOS場效應管；由于單管電流容量受到限制，因此在滿足耐壓的前提下,采用了多管并聯(lián)方式以滿足輸出功率的要求，而場效應管本身也具有易并聯(lián)的特點.高頻變壓器隔離：串聯(lián)諧振一般Q值較大，諧振電壓達千伏以上，須采用變壓器隔離，同時變壓器起阻抗匹配作用。在超高頻的工作條件下，變壓器磁芯選用高頻鐵氧體磁芯。5、調節(jié)器:在閉壞反饋系統(tǒng),采用成熟通用的調節(jié)方式一PI調節(jié)器，既能做到無靜差又能快速跟蹤.6、鎖相環(huán)：由于工件大小不同，而且工件溫度變化過程中頻率隨時變化，要求逆變頻率跟隨諧振頻率變化,并且相位一致。通過對多種方案的比較，確定了采用

30、鎖相技術，以準確跟隨諧振頻率的變化和控制相位.7、驅動電路：超高頻感應加熱設備頻率中，在各種驅動電路中唯有脈沖變壓器速度能滿足如此高的速度要求。2.3 逆變電源拓撲基本結構及其特性串聯(lián)諧振同并聯(lián)諧振是感應加熱常用并且常見的拓撲形式，兩種電路的結構、頻率、相位的對比如圖25，其中（a)為串聯(lián)諧振，(b）為并聯(lián)諧振。串聯(lián)諧振與并聯(lián)諧振拓撲結構圖2-52.3.1 串諧振逆變電路及特性分析其中串聯(lián)諧振阻抗Z表示為：諧振時有:那么諧振角頻率0和頻率f0表示為：因此諧振電路的品質因數(shù)Q為：特征阻抗Zo為：串聯(lián)諧振時UC0和UL0相等但方向相反，電壓幅度為電源電壓的Q倍，電源電壓幾乎都加在電阻兩端,串聯(lián)諧振

31、有時也稱為電壓諧振，諧振阻抗的模:那么諧振阻抗角為：任意頻率w下回路電流：模的大小:可以看到當w=w0時，電流有最大值；當電源頻率向著ww0或ww0偏離諧振頻率w0時，Z增大而電流減小到0；當電流下降時，把稱為通頻帶,其值越小曲線越陡峭，電路選擇性更優(yōu)越。2。3。2 并聯(lián)諧振逆變器原理及其特性分析并聯(lián)諧振有:此時電路為純電阻性,諧振時電流I0最小此時電容和電感的電流和分別為它們的值相等，和為總電流的Q倍，此時品質因數(shù)Q為由此可見，當即時，電路才有頻率;只有電路才能通過激勵的頻率到諧振,當遠小于1時,諧振條件為：.233 串并聯(lián)電路優(yōu)缺點并聯(lián)諧振與串聯(lián)諧振的頻率特征的形式也是一樣的，所以特性曲線

32、也基本完全一樣，它們之間唯一的區(qū)別是串聯(lián)的頻率特性是在電壓激勵的響應電流的頻率特性,而并聯(lián)諧振則相反，是在電流源激勵的響應電壓的頻率特性，串聯(lián)諧振電路中的夠是電流超前電壓的相角，而并聯(lián)諧振電路中是電壓超前電流的相角,所以他們電路的選擇性和通頻帶的結論幾乎一樣，計算公式也一樣。3主電路元件的選擇和設計3.1功率開關器件的選擇及參數(shù)設定長久以來超高頻感應加熱逆變電源受器件的影響,采用的振蕩結構的電子管具有效率低、體積大、成本高等方面的缺點，一直讓感應加熱技術停滯不前。隨著電力電子器件的發(fā)展與普及，MOSFET、IGBT、SIT和電力晶體管等新型關器件陸續(xù)出現(xiàn)并被應用到實際生產中引申，這就為超高頻感

33、應加熱電源的體積小型化、高效化、高頻化提供了硬件基礎。下面把常用的功率開關進行了比較.1、IGBT簡介IGBT是Insulated Gate Bipolar Transistor（絕緣柵雙極型晶體管)的縮寫，IGBT是由MOSFET和雙極型晶體管復合而成的一種器件，其輸入極為MOSFET,輸出極為PNP晶體管,它融和了這兩種器件的優(yōu)點,既具有MOSFET器件驅動功率小和開關速度快的優(yōu)點，又具有雙極型器件飽和壓降低而容量大的優(yōu)點，其頻率特性介于MOSFET與功率晶體管之間，可正常工作于幾十kHz頻率范圍內，在現(xiàn)代電力電子技術中得到了越來越廣泛的應用,在較高頻率的大、中功率應用中占據(jù)了主導地位.2

34、、靜態(tài)感應晶體管SIT靜態(tài)感應晶體管SIT(Static SIT Induction Transistor)誕生于1970年，實際上是一種結型場效應晶體管.將用于信息處理的小功率SIT器件的橫向導電結構改為垂直導電結構，即可制成大功率的SIT器件。SIT是一種多子導電的器件，其工作頻率與電力MOSFET相當，甚至超過電力MOSFET，而功率容量也比電力MOSFET大，因而適用于高頻大功率場合,目前已在雷達通信設備、超聲波功率放大、脈沖功率放大和高頻感應加熱等某些專業(yè)領域獲得了較多的應用。但是SIT在柵極不加任何信號時是導通的，柵極加負偏壓時關斷,這被稱為正常導通型器件，使用不太方便。此外，SI

35、T通態(tài)電阻較大，使得通態(tài)損耗也大，因而SIT還未在大多數(shù)電力電子設備中得到廣泛應用.MOSFETMOSFET：金屬-氧化層-半導體-場效晶體管，簡稱金氧半場效晶體管（MetalOxideSemiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET）是一種可以廣泛使用在模擬電路與數(shù)字電路的場效晶體管（field-effect transistor）。MOSFET依照其“通道”的極性不同，可分為n-type與ptype的MOSFET，通常又稱為NMOSFET與PMOSFET,其他簡稱尚包括NMOSFET、PMOSFET、NMOSFET、PMOSFET等。應用MOSFE

36、T的優(yōu)點是電路設計簡單，開關速度快，溫度影響小，無二次擊穿影響，適用于高頻場合，易于控制。但是MOSFET電流處理能力弱，耐壓相對低。表31 IGBT、SIT、MOSFET優(yōu)缺點器件名稱優(yōu)點缺點IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）雙極型晶體管與MOSFET的復合,驅動功率小，飽和壓降低.開關速度低于MOSFETSIT（靜電感應晶體管)電壓電容量大，適用于高頻大功率場合柵極不加任何信號時，SIT是導通的,柵極加負偏時關斷使用不方便，而且制造工藝復雜、成本高、價格昂貴.MOSFET(絕緣柵型場效應管)電路設計簡單，開關速度快，溫度影響小，無二次擊穿影響，適用于高頻場合，易于控制。電流處理能力弱，耐壓相對

37、低。針對本課題設計的超高頻逆變器的需要:工作頻率高、易并聯(lián)使用、容易控制電壓、驅動功率要比較低等，所以采用MOSFET為逆變電源中的關鍵有源器件，它在高頻領域最有前途且使用最廣泛的半導體器件。3。2 EMI濾波環(huán)節(jié)的設計高頻感應加熱電源主電路的濾波環(huán)節(jié)采用電容與電阻并聯(lián)的設計方法，其電路拓撲已在主電路如下3-1：濾波環(huán)節(jié)電路拓撲圖31下面主要對電容的設計選取做主要討論。作為本實驗采用的是單相交流220V/50Hz的市電直接供電，經過整流后的信號存在很嚴重的干擾,為了避免對信號的干擾加上了濾波電容C，它的作用是既能防止市電的干擾又能避免機器對市電的影響,加上濾波電容C之后使帶有交流成分的信號變得

38、更加平滑。一般來說市電頻率為工頻50Hz，如果用普通的電解電容來濾除交流紋波,其脈動電壓的頻率只有100Hz，充放電的時間為ms級數(shù)，為了能夠得到更小的脈動系數(shù)，所需的電容量就得數(shù)十萬微法,為了降低成本，采用電解鋁電容而不是高頻電解電容，本設計的目標主要足提高電容容量、改變損耗角的下切值和漏電流.如果C出太小，會造成直流電壓UDC的最小值更小，從而使開關管電流增大；如果太大，會造成功率因數(shù)降低、EMI增加、整流管和濾波電容損耗增加等不利因素，同時成本也會更高。在設計濾波電容原則上要滿足公式： (31）式（310)中：C是濾波電容，單位為微法;T是頻率,單位赫茲;R是負載等效電阻，單位為歐。針對

39、橋式整流電路，電容的耐壓值應該滿足:UC2220所以選擇電容的耐壓值為450V。整流濾波后的最大脈動直流電壓為： （32)整流濾波后的電壓UDC為：UDC=U-UP （3-3）為了使電壓的最小值滿足要求,其對濾波電容所提供的能量WC為： （3-4）那么一個周期中電容所提供的能量WC為： （35）可得濾波電容的容量： （36）估算出CDC8059uF，那么在實驗中將采用4個2200uF/450V的電解電容并聯(lián)使用，除此之外還再并聯(lián)136K/6W的平衡電阻。3.3共模抑制電路的設計大部分電路設備中的干擾信號都是從交流電網(wǎng)進入的，造成干擾可分為差模干擾和共模干擾:l、差模干擾及其抑制方式差模干擾是從

40、交流市電輸入串入的干擾信號，比如電源超載時電網(wǎng)電壓的不穩(wěn)定；大電感負載產生的浪涌涌入；可控硅引起的畸變電網(wǎng)波形、波形失真;輸電線間的交叉干擾、雷電等浪涌電流的侵入等引起的干擾.差模干擾信號一般來自于交流輸電線,相對來說比較容易祛除，主要的措施有：串聯(lián)浪涌濾波器、火線與零線之間并聯(lián)吸收電容與瀉放電阻等,抑制電路的級數(shù)越多,去干擾的效果越好。2、共模干擾信號及其抑制方式電力系統(tǒng)中因前、后電路網(wǎng)絡因為選擇的參考地不同造成的電位差，而且一直在隨機改變著，這主要是由電路的分布電容、分布電感、寄生電容、寄生電感、靜電藕合、電磁感應、高頻輻射等方面造成的干擾；因接地的錯誤使用造成電路的回流造成的干擾；測試儀

41、器中的傳感器和被測試回路輸入端阻抗失配所產生干擾等，這些現(xiàn)象都可稱為共模干擾。共模干擾因地電位所造成的,故干擾路徑比較復雜，很難將干擾消除掉，所以在測試系統(tǒng)中，消除或者降低共模干擾有三個比較有效的措施：使前、后兩個電路網(wǎng)絡間的整體隔離,這樣不僅電氣隔離還能使信號傳輸線間的隔離；一定要做好靜電屏蔽和磁屏蔽的工作、正確恰當?shù)慕拥?，布線要合理；要盡量減少被隔離的兩個電路網(wǎng)絡間的阻抗匹配誤差。前面雖然已經加了濾波電容，但是為了電路的穩(wěn)定性,特別有必要在整流橋前加上電感和電容組成的共模抑制電路，用來抑制交流市電帶來的EMI，其電路方案如圖3-2。模抑制電路圖3-2此電路等效為LC二階低通濾波電路,器轉折

42、頻率為： (37）其中L為扼流線圈的等效電感量，C為等效電容量，其插入損耗隨著噪聲頻率40db/dec的斜率增加，一般在設計時取C=2C2=2C3，在選取C時應取符合安規(guī)的最大值，在這里取C2=C3=3000uF,對于超高頻電路，因為C1對共模噪聲幾乎不起作用,可設定為濾除高頻的電容，其值電容值設定為C1=O.33uF，然后根據(jù)上面公式得: （3-8）其中L1、L2為繞在同一個磁環(huán)上的兩個線圈，兩個線圈的匝數(shù)完全相同，磁芯選擇大小為018mm8mm5mm錳鋅鐵氧體的磁環(huán),導磁率為2000.其中每個線圈要繞80圈,當然因為磁環(huán)具有高導磁率，線圈還能繼續(xù)做得很大但不會占體積，線圈所用的導線為0。5

43、3mm，測試后的電感量為6.86mH，當交流市電通過兩個線圈時，它們所產生的內磁通會彼此抵消，同時差模信號干擾可以通過旁路電容抑制掉。3。4整流器設計3。4.1電路結構如圖33所示為典型單相橋式全控整流電路,共用了四個晶閘管，兩只晶閘管接成共陽極，兩只晶閘管接成共陰極,每一只晶閘管是一個橋臂，橋式整流電路的工作方式特點是整流元件必須成對以構成回路，負載為電阻性。圖3-33。4.2 工作原理1)在u2正半波的（0）區(qū)間，晶閘管VT1、VT4承受正向電壓，但無觸發(fā)脈沖,晶閘管VT2、VT3承受反向電壓。因此在0區(qū)間,4個晶閘管都不導通.2)在u2正半波的(）區(qū)間,在wt時刻，觸發(fā)晶閘管VT1、VT

44、4使其導通.3）在u2負半波的(+）區(qū)間，在+區(qū)間,晶閘管VT2、VT3承受正向電壓，因無觸發(fā)脈沖而處于關斷狀態(tài)，晶閘管VT1、VT4承受反向電壓也不導通.4）在u2負半波的（+2)區(qū)間，在wt+時刻，觸發(fā)晶閘管VT2、VT3使其元件導通，負載電流沿bVT3RVT2T的二次繞組b流通,電源電壓沿正半周期的方向施加到負載電阻上,負載上有輸出電壓（ud=-u2）和電流，且波形相位相同。表32各區(qū)間晶閘管的導通、負載電壓和晶閘管端電壓情況t0晶閘管導通情況VT1。4、VT2.3都截止VT1。4導通、VT2.3截止VT1。4、VT2.3都截止VT1.4截止、VT2.3導通ud0u20u2id0u2/R

45、0-u2/Ri20u2/R0+u2/Rutut1。4=ut2.3= （½）u2ut1.4=0、ut2.3=u2ut1。4=ut2。3= （½)u2ut1。4=u2、ut2。3=0整流電壓平均值為： （39）其中為晶閘管的移相角,我們這里選擇為30.，所以Ud=185V向負載輸出的直流電流平均值為=53A （310）通過整流二極管的電流一定要有安全余量,一般為額定電流的1.5至2倍。仿真結果如圖34所示：圖343.5 電容橋臂的選擇半橋逆變電路如圖3-5所示。半橋逆變電路圖35C1 、C2為補償電容器，R、L是感應線圈的電阻和電感.在觸發(fā)晶閘管前，C1、C2已被充電到直流電壓

46、的一半即為1/2Ud.任一晶閘管（以V1導通為例)導通時，流過感應圈的都有兩部分組成，一是經過V1 、L、R、C1的振蕩電流；二是經過經過V1、L、R向C2充電的充電電流,兩路的振蕩頻率相同。圖3-6 半橋串聯(lián)逆變充放電時刻圖36中在t1 時刻, 電容器C1已放電完畢，即Uc1 = 0，同時C2充電到直流電壓Ud發(fā)， 所以t1時刻,流經電路感應器的電流最大.在換流電感的作用下,流經感應圈的兩個回路繼續(xù)流通。一是給電容C1反向充電，二是給電容C2繼續(xù)充電，直到電感中的能量釋放完畢的t2時刻，即iL=0時，這時C1的電壓為負的Uc1，保證了晶閘管V1能可靠的關斷；此時電容C2的電壓達到最大值。在電

47、容C1、C2電壓的作用下，兩回路都通過VD1管放電，電流方向為由左向右，直到t4時刻，放電電流變?yōu)榱?，這時C1又正向充電到1/2Ud,同時觸發(fā)VD2管，重復上面的過程。以上是逆變器的逆變原理。其中：兩橋臂兩端電壓 =49。5V （3-11）對于橋臂電容,其最大承受電壓也為49.5V。在選取橋臂電容時，選取的電容應該足夠大,以滿足單項橋臂逆變電路的要求，且耐壓值應該在50V以上。3。6 緩沖電路的設計3。6.1緩沖電路的設計緩沖電路(Snubber Circuit）又稱為吸收電路。其作用是抑制電力電子器件過電壓du/dt或者過電流di/dt，減小器件的開關損耗。在電力電子電路中,用于改進電力電子

48、器件開通和關斷時刻所承受的電壓、電流波形。通常電力電子裝置中的電力電子器件都工作于開關狀態(tài)，器件的開通和關斷都不是瞬時完成的.器件剛剛開通時,器件的等效阻抗大，如果器件電流很快上升，就會造成很大的開通損耗；同樣器件接近完全關斷時，器件的電流還比較大，如果器件承受的電壓迅速上升，也會造成很大的關斷損耗。開關損耗會導致器件的發(fā)熱甚至損壞，對于功率晶體管(GTR），還可能導致器件的二次擊穿.實際電力電子電路中，還常由于二極管、晶閘管等的反向恢復電流而增加電力電子器件的開通電流，由于感性負載或導線的分布電感等原因造成器件關斷時承受很高的感應電壓。采用緩沖電路可以改善電力電子器件的開關工作條件.個人收集

49、整理，勿做商業(yè)用途本文為互聯(lián)網(wǎng)收集,請勿用作商業(yè)用途緩沖電路的基本工作原理是利用電感電流不能突變的特性抑制器件的電流上升率，利用電容電壓不能突變的特性抑制器件的電壓上升率。下圖是本逆變電路中緩沖電路的設計圖3-7：緩沖電路圖3-7利用電路的交流特性進行緩沖電路的最優(yōu)化設計。首先需要確定電路的雜散電感， 然而雜散電感是特定電路布局固有的特性, 通常是不容易計算出來的。我們用測量的方法來確定雜散電感的大小。在沒有加任何緩沖器的時候，用示波器觀察開關管關斷時的一個振蕩周期記為T1； 接著在開關管兩端并聯(lián)一個容值確定的電容， 稱之為測試電容Ctest， 重新測量開關管關斷時的一個振蕩周期,記為T2。在沒有接任何緩存電路的時候對功率開關管進行測試,得出T1=0.42s， 在開關管兩端并聯(lián)了一個4。7nF的電容后進行觀測得出T2=0。84us.電路的雜散電感就可以用下式進行計算:在知道了電路的雜散電感后， 利用下式就可以求出電路的雜散電容：其中, f1 為在沒有增加緩