PDF《M O SFET 高频感应加热电源的研究》

收稿日期: 2001- 04-

16 基金项目: 河南省自然科学基金(961120311) 资助项目 作者简介: 王生德(1962- ) , 男, 讲师, 主要从事电力电子技术应用研究.

MOSFET 高频感应加热电源的研究 王生德1 , 翟玉2 (1. 郑州大学电子工程系 郑州 450052;

2. 河南省交通学校 郑州 450052) 摘要: 以功率MO SFET 为开关元件, 采用多管并联的方式研制出 10kW 高频感应加热电源, 对该电源的逆 变电路、 控制电路、 多管并联驱动等问题做了研究和实验. 实验结果表明: 采用MO SFET 多管并联 时, 正的温度系数能够自动均流. 串联谐振电路简单、 启动容易、 谐振频率高, 适应于小功率感应加热 电源系统. 关键词: 感应加热;

功率MO SFET;

高频电源;

谐振 中图分类号: TM 921.

1 文章编号: 1001- 8212(2001) 03- 0054-

04 0 引言 高频感应加热是利用电磁感应原理对工件进行加热的, 其功率密度在被加热工件内的分布可方便 地通过频率的选择和感应圈的合理设计而得到. 过去因受电子开关元件的制约, 高频感应加热电源一直 采用电子管振荡结构, 不仅效率低、 体积大、 成本高, 而且存在高压危险. 近些年来, 随着电力电子器件的发展,M O SFET, IGBT , S IT 等新型自关断器件相继出现, 为高频 感应加热电源的小型化、 高效率提供了元件基础. M O SFET 功率场效应管以其工作频率高、 易于并联、 电压控制易于实现等优点, 是高频感应加热电源最有前途的半导体器件. 我们自

1997 年开始研究M O SFET 串联谐振高频感应加热电源[1,

2 ] , 已制出样机, 并在现场经过半 年多的试用, 效果良好. 本文对该样机的工作原理、 控制、 驱动等几个问题进行讨论.

1 串联谐振逆变器的工作原理 串联谐振逆变器也称电压型逆变器, 其原理图如图

1 所示. 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. 图2分别示出容性负载和感性负载的输出波形. 图1串联逆变器结构 (a) 容性负载 (b) 感性负载 图2负载输出波形 第33 卷第

3 期2001 年9月郑州大学学报(自然科学版) JOU RNAL O F ZH EN GZHOU UN I V ER S ITY Vo l .

33 No.

3 Sep.

2001 当串联谐振逆变器在低端失谐时(容性负载) , 它的波形见图

2 (a). 由图可见, 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, 电流先过零, 上、 下桥臂间的换流则从 上(下) 桥臂的二极管换至下(上) 桥臂的M O SFET. 由于M O SFET 寄生的反并联二极管具有慢的反向 恢复特性, 使得在换流时会产生较大的反向恢复电流, 而使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M O SFET 串联的寄生电感中产生大的感生电势, 而使M O SFET 受 到很高电压尖峰的冲击. 当串联谐振型逆变器在高端失谐状态时 (感性负载) , 它的工作波形见 图2(b). 由图可见, 工作在感性负载状态时, 输出电流的相位滞后于电压相位, 其换流过程是这样进行 的, 当上(下) 桥臂的M O SFET 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M O SFET 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 M O SFET. 由于M O SFET 中的电流是从零开始上升的, 因而基本实现了零电流开通, 其开关损耗很小. 另一方面,M O SFET 关断时电流尚未过零, 此时仍存在一定的关断损耗, 但是由于M O SFET 关断时间 很短, 预留的死区不长, 并且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, 使 之略高于负载电路的谐振频率, 就可以使上(下) 桥臂的M O SFET 向下(上) 桥臂的反并联的二极管换 流.其瞬间电流也是很小的, 即M O SFET 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. 从上述分析可知, 串联谐振型逆变器在适当的工作方式下, 开关损耗很小. 因而, 可 以工作在较高的工作频率下. 这也是串联谐振型逆变器在半导体高频感应加热电源中受到更多重视的 主要原因之一 .