超音频串联感应加热电源方案之主电路设计

超音频的感应加热电源设备目前已经在工业控制领域中得到了非常广泛的应用，因此，对于超音频感应加热电源新产品的研发，就成为了很多工程师眼下的重要任务之一。本文将会在今明两天的分享过程中，为各位技术人员分享一种超音频串联型感应加热电源的设计方案，今天将会首先就该方案中的主电路设计情况进行详细介绍。

设计理念

在这一超音频的串连型感应加热电源设计过程中，本方案依据串联感应加热电源的设计特点而选用不控整流方式为后级的逆变电路供电，这主要是考虑到电路简单，而且后级调功可以采用扫频调功，电路的设计易于实现。在逆变部分，本方案选用双臂4个IGBT开关作为桥臂。当然也可以选择多个开关器件并联的方式，但是为了不至于花费较多精力在处理器件并联所带来的均流问题，最终决定选用开关容量大的器件，不通过并联，直接由四个IGBT来搭建逆变开关回路。

主电路设计

在串连型的感应加热电源电路系统中，技术人员往往需要面临一个而非常难以处理的故障难题，那就是电路直通现象。所谓的直通现象，指的是当负载突然短路或者开关器件由于触发脉冲的误动作或者器件本身的关断时间过长等诸多原因引起上下桥臂同时导通的时候，流经逆变回路的电流在短时间内就可以上升到很高的数值，从而很快就把开关器件烧坏。面对这种情况，常规的保护电路设计思路就是在逆变输入的位置检测电流，将这个电流反馈值与给定参考值进行比较。当电流的反馈值超过参考值后，封锁驱动电路的出发信号，关断开关器件。

然而，由于直通现象往往会在瞬间发生，电流上升的速度实在是太快了，常规的保护电路往往因为电路的延迟等因素常常会来不及关断开关，此时电流就已经将开关烧坏了。所以，争取足够的保护时间是能否可靠地对串连型感应加热开关器件保护的一个关键问题。

为了解决超音频感应加热电源的直通问题，在本方案中，我们所采用的设计思路是在逆变回路供电的前面，整流电路滤波电容的后面串联一个大的电感，这样当电路一旦出现直通现象时，由于大电感的存在，电流上-Yt的速度就受到了限制，就为保护电路及时动作提供处理时间。当然，在接入电感以后随之就带来了一些负面的影响，那就是对于后面逆变回路提供电压波形的影响。理想的情况应当是稳定的电压波形，但是有了电感以后波形就受到了明显的影响。下图图1所展示的是仿真的结果。

图1 接加电感后逆变部分的输入电压波形

正常情况下，加在感应加热电源设备负载两端的电压波形，是一种占空比接近为0.5的方波，而通过图1所显示的逆变部分输入电压波形图来看，在增加了电感之后，波形有了明显的失真，对于电路的可靠控制与预测都造成了很大困难。因此，需要要想办法既让电感能够起到延缓主电路电流的上升速度，而又不至于明显影响后面加在负载上的电压波形。

为了解决这一问题，在本方案中，我们选择在新增加的电感两端并联一个较大容量的二极管，它的工作原理是在一个稳定的工作周期大部分时间里，二极管是导通的，电感同时向逆变回路和二极管供电，在很小的时间内，二极管因承受反向电压而关断，电感上的电流增加，同时又向逆变供电。在并联了一个较大容量的二极管后，其逆变部分的输入电压波形图如下图图2所示：

图2 限流电感并联二极管后逆变部分的输入电压波形

从图2所展示的逆变部分的输入电压波形图中可以看到，在二极管两端有着比较明显的电压尖脉冲。为了保护二极管，通常在其两端并联一个吸收电路，由无感电阻和电容串连而成。综上所述，在本方案中所设计的超音频感应加热电源主电路结构如下图图3所示，其中，不控整流部分用一个电池来代替。

图3 超音频感应加热电源主电路结构图

实际上，在图3所展示的超音频串联型感应加热电源主电路结构中，由于分布参数的存在，在实际的主电路系统中杂散电感无处不在。除了接在桥臂上连接线的电感可以归到感应器中去，作为槽路电感量的一部分外，其他的分布电感都将对逆变器的工作产生影响，逆变开关的的高速切换，极高的di/dt在这些分布电感上产生电压毛刺。面对这一问题，我们可以利用电压毛刺的设置计算公式进行合理的设计和调整，这一公式为：

在本方案中，我们所设计的这一超音频串联型感应加热电源的输入电压为三相380V，输出经过不控整流后大约为500V。由于此前曾经提到的布线电感的问题，电路工作过程当中由其产生的电压尖脉冲很容易就达到100V，所以在选择开关的耐压能力的时候就必须要留出足够的裕量，这也同时要求对于开关器件电压尖脉冲的吸收电路进行良好的设计。由该公式可知，要减小尖峰电压，只有两个途径：降低di/dt值和减小布线电感，逆变器工作时，总要尽量利用开关器件的高速di/dt能力来提高逆变器的高频工作能力，所以只有尽可能的减小布线电感。

以上就是本文针对一种超音频串联型的感应加热电源设计方案，所进行的主电路设计思路详解和分析，明天我们将会就这一电源方案中的控制电路部分进行详细介绍和分析，欢迎大家继续关注。