池上洋;李玉玲;姚缨英;张世尧
【摘 要】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.%针对目前常用的低成本单管感应加热电路存在的IGBT非零电压开通(ZVS)、电
容脉冲爬升速率大、IGBT损耗增大等缺陷,对该电路的运行机理进行深入剖析,得出该电路不能实现ZVS的本质原因.提出通过增加固定延时的办法来实现该电源的ZVS,并对电路的延迟时间范围进行了理论分析和推导.最后给出了通过增加比较器数量的方式来实现增加固定延时的合理方案.搭建了1 kW单管感应加热的实验平台,实验结果证明了理论分析的正确性及实现方法的有效性.该文理论和实验平台可用于电力电子技术基础课程的综合性拓展实验. 【期刊名称】《实验技术与管理》
wan-107【年(卷),期】2017(034)005
【总页数】5页(P56-59,98)
【关键词】单管感应加热;自激振荡;零电压开通,固定延时
拉长虾
【作 者】池上洋;李玉玲;姚缨英;张世尧
【作者单位】浙江大学 电气工程学院, 浙江 杭州 310027;浙江大学 电气工程学院, 浙江 杭州 310027;浙江大学 电气工程学院, 浙江 杭州 310027;浙江大学 电气工程学院, 浙江 杭州 310027
【正文语种】中 文干式油底壳
【中图分类】TM924.5
单管感应加热[1]是电磁炉中最常见的拓扑之一，这主要是由于该拓扑相比于全桥拓扑[2]和半桥拓扑[3-4],只需一个开关管GBT,元器件少、控制简单、成本低[5-6]。
通常,单管感应加热电路拓扑常采用由2个集电极开路输出的比较器和若干电容、电阻组成的自激振荡电路进行功率控制[7-8],如图1所示(图中D1集成在开关管内)。其控制方式相对简单,控制器只需给出一定占空比的脉冲,就能使电路振荡工作起来。但是,该电路的缺点是无法保证开关管IGBT在零电压开通(zero voltage switch,ZVS)[9],从而导致电容脉冲爬升速率大、IGBT损耗增大等缺陷[10]。为克服这一问题,在有些应用中,采用软件同步来替代该振荡电路[11],但是这种方法会占用更多的处理器资源,并且存在处理器跑飞时可能导致IGBT烧毁等问题。
本文对这一缺点的根源进行深入分析,提出一种增加固定延时的办法来解决这一个问题,并对固定延时的时间范围进行了理论推导。在实验中,通过对原振荡电路改进来实现增加的固定加热平台
延时,从而使得该电路能在更大范围地实现ZVS。最后,建立了一个1 000 W单管感应加热的实验平台,对所述理论分析进行了实验验证。
单管感应加热等效主电路如图2所示[12]。U为直流稳压源电压,R1是感应器和加热工件的等效电阻,L1是相应的等效电感,C1是谐振电容,Q1是带有反并联二极管的IGBT。
2.1 主电路工作状态分析
由图2可知,在1个工作周期内,主电路的工作状态可分为3个阶段:(1) [0,t1]为电感充电阶段; (2) [t1,t2]为谐振阶段；(3) [t2,t3]为电感放电阶段。主电路各个工作阶段的等效电路如图3所示。
在阶段(1)即[0,t1]期间内,IGBT导通,电感进行充电,等效电路如图3(a)所示。此时有:
其中:iL(t)为电感电流；τ为时间常数,τ=L1/R1；uCE(t)为IGBT漏极与源极两端的电压。
在阶段(2)即[t1,t2]期间内,IGBT关断,电感和电容自由谐振,等效电路如图3(b)所示。利用二阶电路过渡过程计算得:
式中：
φ，β
在阶段(3)即[t2,t3]期间内,IGBT关断,但是由于电容电压与直流电压源电压相等,此时IGBT的反并联二极管导通,因此电容电压被钳位,自由谐振无法进行,电感将通过IGBT的反并联二极管进行放电,等效电路如图3(a)所示。此时有:
其中：I1为t2时刻的电感电流,即I1=-ω0C1Ae-δ(t2-t1)sin(ω(t2-t1)-φ-β)； iL(t3)=0。
由上述分析可绘制出电感电流iL(t)和IGBT漏极与源极两端电压Uce(t)在一个工作周期的波形,如图4所示。由图4可以看出,在存在阶段(3)的工作状态情况下,电路可以实现零电压开通,即在二极管开通期间,使得IGBT导通。
2.2 自激振荡电路分析
由图2知,由于端电压A_coil和B_coil在一个控制周期中总会有电位相等的情况存在,因此,在图1所示的自激振荡电路中,为确保比较器工作时能正常翻转,需要满足:
对主电路各个工作状态下的自激电路进行分析。在一个周期内有:
则由式(2)解得该方程两个解t4和t5分别为：
当时,图1中的比较器U1A输出高电平,节点4的电压为u4=4 V,节点3的电压为u3=3.3 V。当时,比较器U1A输出低电平,则u3=0 V,u4=0.7 V。由控制器产生的PWM信号在节点5形成了一个稳定的电平u5,此时有u5> u4,则U1B输出高电平,该信号输入到驱动芯片,从而IGBT导通。+15 V电压通过R7给电容C2充电,u4的电位上升,当u5<u4时,比较器U1B输出低电平,IGBT关断,电容电感进入自由谐振阶段。当t=t4+,uCE(t)=U时,比较器U1A输出高阻态,由于二极管D1的钳位,u4=4 V,电容C2放电,直至u3=3.3 V,如此周而复始。
从以上分析发现,通过自激振荡电路,使得IGBT源漏极间的电压uCE(t)=U时,IGBT开通,因此IGBT无法实现ZVS。由于IGBT瞬间的开通,必然导致谐振电容C1迅速充电,电容脉冲爬升速率增大,直至其电压与直流源相等；同时,IGBT也将流过瞬间的大电流,从而导致IGBT损耗增大,整个系统的EMI特性较差,谐振电容和IGBT的寿命也将受到影响。因此,为解决这一问题,必须采取有效的解决办法。
综上分析可知,如果将自激振荡电路在开通点增加一定的延时,将会使得主电路中IGBT零电压开通这一特性得以实现。
进一步分析得出,为实现该延时,延时时间td必须满足td>Δt=t2-t5。下面分析说明,给定一个固定的延时以实现ZVS的可行性。
3.1 Δt随IPK变化的单调性分析
当t=t5时,由式(2)和式(4)有:
式中与I有关的各参数均与式(2)中定义相同,结合式(2)中各参数的表达式,可以判别出Ipk越大I越大。
一般,等效电阻R1比较小,衰减系数δ也比较小,在考虑Δt时忽略电阻R1和衰减系数δ的影响。在[t5,t2]时间段,则有:
可以看出,Δt是随Ipk的增加而减小的。即Ipk越小,实现ZVS所需的延迟时间就越长。因此,若给定一个最小Ipk对应的所需延迟时间,就可以使得IGBT在其反并联二极管导通之后才开始
导通。但这并不意味着一定能实现零电压开通,如果延迟时间太长,将有可能导致IGBT在其反并联二极管已经截止了才开通,这将使主电路重新开始自由振荡,从而失去了ZVS。因此,必须确保延迟时间td<tm=Δt+tdon,其中tdon是二极管导通时间。
3.2 tm随IPK的单调性分析
从时刻t5到时刻t2,由能量守恒可得t2和t5时刻的电感电流I1满足:
因此，为了能实现ZVS必须满足:
则有:
对公式(7)进行求导得:
由(8)可得:
即有tm随I增加而增加,因此tm随Ipk的增加而增加。
综上可以看出,设最小的Ipk对应的Δt和tm分别为Δt0和tm0,若给定固定的延迟时间,应满足:
搅拌头
则能确保IGBT在反并联二极管开通后再开通,同时又保证在二极管截止前导通,即实现了零电压开通。当功率最小时,对应的Ipk也最小[13],因此对于固定的延迟时间可由能实现ZVS的最小功率(电流)对应的时间Δt0和tm0来确定。
为了验证上述理论分析的正确性,搭建了一个1 kW单管感应加热的实验平台,如图5所示。该平台的实验参数如下:直流电压U=170 V,电感L1=55 μH,谐振电容C1=200 nF。
一般,比较器会有一定的延迟,为了减少成本,增加实用性,在实验样机中采用增加比较器数量的方式来实现延时,即将原来的一个比较器,改为2个比较器串接使用。
为了验证前述理论和方法的正确性,选取Ipk=32 A和Ipk=48 A两种情况,分别对有延时和无延时的IGBT电压电流进行实验对比,其结果如图6和图7所示，图中Ch1为IGBT驱动信号,Ch3为IGBT的CE电压,Ch4(流过IGBT的电流)。
对比图6和图7可以看出,增加固定延时,能够有效地实现IGBT的ZVS,尤其是在电流比较小的时候。从图6(a)和7(a)可以看出,比较器的延迟时间是固定的,图6(a)中, 从比较器到驱动电路所有的延迟大约是1.7 μs,其最大允许的延迟时间为6.1 μs。图7(a)为实现ZVS最小的延迟时
间为1 μs,最大允许的延迟时间为9.1 μs。两种情况都满足不等式(9),证明了延时范围的正确性。
实验选取不同峰值电流Ipk,实测得到不同峰值电流下的各个时间如表1所示(限于篇幅,实验波形不再列出)。
应力测试由表1结果进一步验证了Δt是随Ipk的增加而减小的,tm随Ipk的增加而增加。
分析了常用的单管感应加热电源不能实现IGBT零电压开通的本质原因,提出通过增加固定延时的方法来解决这一问题,并对延迟时间的范围进行了理论分析和推导,最后通过增加比较器数目来实现延迟,1 kW实验平台证明了理论分析和实验方法的正确性。本文所提方法理论简单,实现方法容易,可作为电力电子技术基础课程的综合拓展实验,以加强课程理论和实际应用的有效结合。
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