感应电源负载匹配毕业论文

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感应加热电源负载匹配

摘 要

感应加热以其加热效率高、速度快，可控性好及易于实现机械化、自动化等优点，已在熔炼、铸造、弯管、热锻、焊接和表面热处理等行业得到广泛的应用。

文章简单介绍国内外感应加热的发展现状和感应加热中儿个重要概念，并从感应加热电源的拓扑、调功方式和如何扩容等几方面介绍了国内外感应加热电源的研究现状和发展方向。根据目前国内外高频感应加热电源发展中存在的问题，提出采用的LLC谐振拓扑，利用比较成熟的电力电子技术和锁相环控制设计完成高频感应加热电源。

在简要分析LC谐振回路的特性基础上，对LLC谐振回路的特性进行了深入的理论分析和实验研究。文章根据感应加热负载的特性和等效电路出发，以达到输出最大功率为目标，分别分析了输出电流和输出电压、输出电流和负载电流、输出电压和电容电压之间关系的幅频特性和相位特性。通过分析可知，在最大功率点处，输出电流和负载电流的比值和两个电感比值有关。

关键词：感应加热电源，LLC谐振回路，负载特性，谐振拓扑，最大功率点控制

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Research of Load Matching Technique for Induction Heating

Power Supply

ABSTRACT

【The Intermediate Frequency Induction Heating has been widely applied in melting, casting, bend, hot forging, welding, Surface Heat Treatment due to its advantages of high heating efficiency、high speed、easily controlled、easily being mechanized and automated.

Firstly, it presented briefly the international induction heating development achievement nowadays,some important concepts in it and it also introduced international induction heating status in and development direction in future from the aspects as: topologies of power supply, power regulation and how to expand the capability. According the existed problems in high frequency power supply development, it presented feasibility of fulfilling the high frequency power supply used the matured power electronics technology and phase loop lock control based on improved resonant topology LLC upgrade from LC resonant topology.

Secondly, the theoretical analyses and experimental studies of the characteristic of LLC resonant topology have been studied deeply in paper based on anglicizing simply LC resonant topology firstly. According the characteristic of induction heating load and equivalent circuit of it, the paper has analyze the amplitude frequency and phase character between output current and output voltage,output current and load current, output voltage and capacitor voltage respectively based on how to get to the maxim output power in load. It presented the results of the ratios between load current and output current, capacitor voltage and output voltage, the output power size when the power supply worked nearly at resonant frequency.

KEY WORDS: high frequency induction heating power supply，LLC resonant topology，resonant frequency，matched load，maxim power point control

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目 录

前 言 .................................................................................................. 1 第1章 绪论 ........................................................................................ 3

1.1 电磁感应电源加热的发展..................................................... 3

1.1.1感应加热电源综述........................................................ 3 1.1.2 国外感应加热现状....................................................... 9 1.1.3 我国感应加热现状..................................................... 10

第2章 感应加热技术 .................................................................... 13

2.1 感应加热的工作原理......................................................... 13

2.1.1 感应加热 .................................................................... 13 2.1.2 感应加热三大效应..................................................... 17 2.2 感应加热电源特点............................................................... 18 第3章 感应加热电源的负载匹配方案........................................... 20

3.1 感应加热电源框图............................................................... 20

3.1.1 负载匹配 .................................................................... 20 3.1.2 负载匹配方案分析..................................................... 22 3.2 LLC谐振回路工作分析 .................................................... 27 第4章 全文总结及工作展望........................................................... 30

4.1 全文总结 .............................................................................. 30 4.2 工作展望 .............................................................................. 30 谢 辞 .................................................................................................. 32 参考文献 ............................................................................................ 33 外文资料翻译 .................................................................................... 35 外文资料译文 .................................................................................... 38

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前 言

随着电力电子技术及器件的发展，固态感应加热电源已在金属熔炼、透热、淬火、热处理、焊接等行业得到越来越广泛的应用。对于热处理行业的大部分负载来说，感应加热电源设备须经过负载阻抗匹配后才能正常工作。所谓负载阻抗匹配就是为了使电源输出额定功率，而采取的使负载阻抗等于电源额定阻抗的方法和措施。

感应加热具有加热效率高、速度快、可控性好及易于实现自动化等优点，广泛应用于金属熔炼、透热、热处理和焊接等工业生产过程中，成为冶金、国防、机械加工等部门及铸、锻和船舶、飞机、汽车制造业等不可缺少的技术手段。

电磁感应加热来源于法拉第发现的电磁感应现象，也就是交变的电流会在导体中产生感应电流，从而导致导体发热。1890年瑞典技术人员发明了第一台感应熔炼炉 ——开槽式有芯炉， 1916年美国人发明了闭槽有芯炉，从此感应加热技术逐渐进入实用化阶段。

20世纪电力电子器件和技术的飞速发展，极大地促进了感应加热技术的发展。

1957年，美国研制出作为电力电子器件里程碑的晶闸管，标志着现代电力电子技术的开始，也引发了感应加热技术的革命。1966年，瑞士和西德首先利用晶闸管研制感应加热装置，从此感应加热技术开始飞速发展。 20世纪80年代后，电力电子器件再次快速发展，GTO、MOSFET、IGBT、M CT及 SIT等器件相继出现。感应加热装置也逐渐摒弃晶闸管，开始采用这些新器件。现在比较常用的是IGBT和MOSFET， IGBT用于较大功率场合，而MOSFET用于较高频率场合。据报道，国外可以采用IGBT将感应加热装置做到功率超过1000kW ，频率超过50kHz。而MOSFET较适用高频场合，通常应用在几千瓦的中小功率场合，频率可达到500kHz以上，甚至几兆赫兹。然而国外也有推出采用 MOSFET的大功率的感应加热装置，比如美国研制的2000kW /400kHz的装置。

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我国感应热处理技术的真正应用始于1956年，从前苏联引入，主要应用在汽车工业。随着 20世纪电源设备的制造，感应淬火工艺装备也紧随其后得到发展。现在国内感应淬火工艺装备制造业也日益扩大，产品品种多，原来需要进口的装备，逐步被国产品所取代，在为国家节省外汇的同时，发展了国内的相关企业。目前感应加热制造业的服务对象主要是汽车制造业，今后现代冶金工业将对感应加热有较大需求。

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第1章 绪论

1.1 电磁感应电源加热的发展

1.1.1感应加热电源综述

虽然感应加热的原理发现的比较早，但人类真正广泛应用该项技术还是近三十年的事情。现在它的重要性越来越被人们所认识。

早在十九世纪科学家就发现了电磁感应现象：1831年法拉第（Michael

Faraday）发现电磁感应规律 ；1868年福考特（Foucault）提出

，这些

涡流理论；1840年焦耳-楞茨确定了电阻发热的关系式，都是感应加热的理论基础。

感应加热装置由两部分组成，一部分是提供能量的交流电源，也称变频电源,变频电源有低频、工频、中频、超音频和高频之分；另一部分是完成电磁感应能量转换的感应线圈及机械结构，称感应炉。早期的感应加热电源有工频固态(50或60Hz)电源、中频有发电机旋转和固态电源、高频电子管电源。第二次世界大战前后的感应加热设备基本上是上述的初级发展水平。

制约感应加热发展的主要是感应加热电源，而电源受制于高频或大功率的开关器件。电力电子功率器件的发展，才真正促进了感应加热电源的发展。1957年美国研制出世界上第一只普通的阻断型可控硅，我们现在称为晶闸管(SCR)，经过60至70年代工艺完善和产品开发，70年代后期已形成从低电压小电流到高压大电流的系列产品，从而使固态感应加热电源产生了革命，走向实用化的阶段。与此同时，世界各国研制了大量的派生器件。如逆导晶闸管(RCT)，门极辅助关断晶闸管(GATT)，光控晶闸管(LTSCR)、及80年代发展的可关断晶闸管（GTO）等。

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今天的电力半导体功率器件的发展更是琳琅满目，简单归纳一下有：①、大功率二极管：②、晶闸管（SCR）；③、双向晶闸管；④、门极关断（GTO）晶闸管（最大 8500V ，3500A）；⑤、双极结型晶体管（BTT或BPT）；⑥、电力MOSFET；⑦、静电感应晶体管（SIT），（最大1000V ，300A，50MHz）；⑧、绝缘双极型晶体管（IGBT）（最大6500V，2500A）；⑨、MOS控制晶闸管（MCT）；⑩、集成门极换向晶闸管（IGCT）。这些器件还正在不断更新和完善中，这些电力半导体器件是现代电力电子设备的核心，更是感应加热电源赖以发展的基础。它为感应加热电源设备带来前所未有的活力和广阔的发展前景。电磁感应加热来源于法拉第发现的电磁感应现象，也就是交变的电流会在导体中产生感应电流，从而导致导体发热。1890年瑞典技术人员发明了第一台感应熔炼炉 ——开槽式有芯炉， 1916年美国人发明了闭槽有芯炉，从此感应加热技术逐渐进入实用化阶段。 20世纪电力电子器件和技术的飞速发展，极大地促进了感应加热技术的发展。

1957年，美国研制出作为电力电子器件里程碑的晶闸管，标志着现代电力电子技术的开始，也引发了感应加热技术的革命。1966年，瑞士和西德首先利用晶闸管研制感应加热装置，从此感应加热技术开始飞速发展。 20世纪80年代后，电力电子器件再次快速发展，GTO、MOSFET、IGBT、M CT及 SIT等器件相继出现。感应加热装置也逐渐摒弃晶闸管，开始采用这些新器件。现在比较常用的是IGBT和MOSFET， IGBT用于较大功率场合，而MOSFET用于较高频率场合。据报道，国外可以采用IGBT将感应加热装置做到功率超过1000kW ，频率超过50kHz。而MOSFET较适用高频场合，通常应用在几千瓦的中小功率场合，频率可达到500kHz以上，甚至几兆赫兹。然而国外也有推出采用 MOSFET的大功率的感应加热装置，比如美国研制的2000kW /400kHz的装置。

我国感应热处理技术的真正应用始于1956年，从前苏联引入，主要应用在汽车工业。随着 20世纪电源设备的制造，感应淬火工艺装备也紧随其后得到发展。现在国内感应淬火工艺装备制造业也日益扩大，产品品种多，原来需要进口的装备，逐步被国产品所取代，在为国家节省外汇的同

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时，发展了国内的相关企业。目前感应加热制造业的服务对象主要是汽车制造业，今后现代冶金工业将对感应加热有较大需求。 一、感应加热特点

感应加热技术具有快速、清洁、节能、易于实现自动化和在线生产、生产效率高等特点，是内部热源，属非接触加热方式，能提供高的功率密度，在加热表面及深度上有高度灵活的选择性，能在各种载气中工作 （空气、保护气、真空），损耗极低，不产生任何物理污染，符合环保和可持续发展方针，是绿色环保型加热工艺之一。它与可控气氛热处理、真空热处理少无氧化技术已成为热处理技术的发展主流。 其主要应用有：

（1）冶金 有色金属的冶炼，金属材料的热处理，锻造、挤压、轧制等型材生产的透热，焊管生产的焊缝。

（2）机械制造 各种机械零件的淬火，以及淬火后的回火、退火和正火等热处理的加热;压力加工前的透热。

（3）轻工 罐头以及其他包装的封口，比如着名的利乐砖的封口包装。 （4）电子 电子管真空除气的加热。 （5）特殊应用 如等离子、堆焊等。

以一汽为例，在生产的中型车、轻型车和轿车上，就有近200种零件需要感应加热淬火处理，从感应加热淬火零件的形状和尺寸来看，可称得上花样繁多且大小均有。随着感应淬火技术的不断发展，感应淬火的零件已上升到占全部热处理零件的50%左右。据有关数据表明，在我国的汽车工业中，感应热处理的应用正进入世界先进水平的行列。 二、感应加热新工艺

感应加热工艺是感应加热技术水平的主要体现，是技术发展的基础，先进的感应加热工艺技术可以有效地发挥感应加热的特点，实现高效、节能的局部热处理。

（1）纵向感应加热淬火 半轴纵向感应加热淬火已用于汽车、拖拉机工业。半轴纵向加热是一次淬火。在德国、美国有半轴一次淬火专用机床，将加热、校正和淬火在一台机床上完成，提高了生产率，一次淬火与连续淬火相同产量的设备占地面积各为40m2与115m2。

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（2）曲轴颈圆角淬火 曲轴颈圆角淬火后，疲劳强度比正火的提高一倍，我国生产的康明斯与 NH发动机曲轴均已采用此种工艺。

（3）低淬透性钢齿轮淬火 早在20世纪70年代我国曾进行55DT、60DT、70DT钢研究并取得初步成果，以后因钢的淬透性不稳定等原因，低淬钢未继续用于生产。1992年俄罗斯低淬钢创始人，K.3ЩЕПЕ ЛЯКОВСКЦЦ博士来中国讲学，并到某一钢厂调查冶炼低淬钢的条件，认为该厂完全具备生产低淬钢条件。YB 2009—1981《低淬透性含钛优质碳素结构钢》中对合金元素的控制与俄罗斯不同，（俄）1054—74、58（55П П）钢的元素含量对 Mn、Cr、Ni、Cu四元素之和规定要求<0.5%（质量分数），而YB2009—8155Ti钢对Cr、Ni、Cu三元素之和规定<0.5%（质量分数），这可能是关键所在。

俄罗斯低淬钢及控制淬透性钢已大量应用于汽车、拖拉机后桥齿轮、挖掘机齿轮、传动十字轴、火车车厢用滚动轴承、汽车板簧和铁路螺旋弹簧等，取得了极大的经济效益。

（4）感应电阻淬火 众所周知，转向齿条的齿部采用感应电阻法淬火，国内已有三台以上的进口机床在生产。英国一台机床将此工艺用于齿轮生产，发现淬火后齿轮基本不变形并可随后进入装配工序。

（5）曲轴轴颈固定加热淬火 新设备称为 Gr ankproTM，用二个半环形固定加热感应器取代8字半环形旋转加热感应带。此套设备能对曲颈进行淬火与回火，与老工艺相比，具有节能、占地面积小、工件变形小和感应器寿命长等优点。

三、感应加热电源及技术

在电源方面晶闸管中频取代机式发电机。20世纪 90年代初，国内晶闸管电源厂曾如雨后春笋，遍地开花，经过优胜劣汰的竞争，现在生产厂已趋向稳定。目前晶闸管电源又在向 IGBT晶体管电源发展，而电子管高频则将发展为MOSFET晶体管电源，手提晶体管超音频、高频电源市场竞争十分激烈，其未来也将是谁的质量高、技术水平高，谁就能站稳脚跟。 国产中频电源目前都采用并联谐振型逆变器结构。因此，在研究和开发更大容量的并联逆变中频电源的同时，研制结构简单、易于频繁起动的串联逆变中频电源是国内中频感应加热装置领域有待解决的问题，尤其是

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在熔炼、铸造应用中，串联逆变电源易实现全工况下恒功率输出 （有利于降低电能吨耗）及一机多负载功率分配控制，更值得推广应用。 在超音频 （10～100kHz）范围内，由于晶闸管本身开关特性等参数的限制，给研制该频段的电源带来了很大的技术难度。虽然在 80年代浙江大学采用晶闸管倍频电路研制了50kW /50kHz超音频电源，采用时间分割电路研制了30kHz的晶闸管超音频电源，但由于倍频电路的双谐振回路耦合使负载呈非线性，时变加热负载参数与谐振回路参数匹配调试相当复杂，而时间分割电路控制和主回路结构复杂，逆变管利用率低，因此没有得到很好的推广应用。

70至80年代初，人们将现代半导体微集成加工技术与功率半导体技术进行结合，相继开发出一大批全控电力电子半导体器件 （GTR、MOSFET、SIT、SITH及MCT等），为全固态超音频、高频电源的研制打下了坚实的基础。

在高频 （100kHz以上）频段，目前国外正处在从传统的电子管电源向晶体管化全固态电源的过渡阶段。日本某些公司采用SIT，电源水平在80年代末达到了1000kW、200kHz， 400kW、400kHz。

而在欧美，由于SIT存在高通态损耗 （SIT工作于非饱和区）等缺陷，其高频功率器件以MOSFET为主。随着MOSFET功率器件的模块化、大容量化， MOSFET高频感应加热电源的容量得到了飞速发展。西班牙采用MOSFET的电流型感应加热电源制造水平达600kW、400kHz，德国在1989年研制的电流型MOSFET感应加热电源水平达480kW、50～200kHz，比利时I nductoEiphiac公司生产的电流型MOSFET感应加热电源水平可达1000kW、15～600kHz。浙江大学在 90年代研制出 20kW、300kHz MOSFET高频电源，已被成功应用于小型刀具的表面热处理和飞机涡轮叶片的热应力考核。 目前，感应加热电源在中频频段主要采用晶闸管，超音频频段主要采用IGBT，而在高频频段，由于SIT存在高导通损耗等缺陷，国际上主要发展MOSFET电源。感应加热电源虽采用谐振逆变器，有利于功率器件实现软开关，但是感应加热电源通常功率较大，对功率器件、无源器件、电缆、布线、接地和屏蔽等均有许多特殊要求。因此，实现感应加热电源高频化仍有许多应用基础技术需要进一步探讨，特别是新型高频大功率器件 （如

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MCT、IGBT及SIT功率器件等）的问世，将进一步促进高频感应加热电源的发展。

从电路的角度来考虑感应加热电源的大容量化，可将大容量化技术分为两大类:一类是器件的串、并联;另一类是多桥或多台电源的串、并联。在器件的串、并联方式中，必须认真处理串联器件的均压问题和并联器件的均流问题，由于器件制造工艺和参数的离散性，限制了器件的串、并联数目，且串、并联数越多，装置的可靠性越差。多台电源的串、并联技术是在器件串、并联技术基础上进一步再容量化的有效手段，借助于可靠的电源串、并联技术，在单机容量适当的情况下，可简单地通过串、并联运行方式得到大容量装置，每台单机只是装置的一个单元 （或一个模块）。 感应加热电源逆变器主要有并联逆变器和串联逆变器，串联逆变器输出可等效为一低阻抗的电压源，当两电压源并联时，相互间的幅值、相位和频率不同或波动时将导致很大的环流，以至逆变器件的电流产生严重不均，因此，串联逆变器存在并机扩容困难;而对并联逆变器，逆变器输入端的直流大电抗器可充当各并联逆变器之间的电流缓冲环节，使得输入端的AG/DG或DG/DG环节有足够的时间来纠正直流电流的偏差，达到多机并联扩容，晶体管化超音频、高频电流多采用并联逆变器结构，并联逆变器易于模块化、大容量化是其中的一个主要原因。

感应加热电源的负载对象各式各样，而电源逆变器与负载是一有机的整体，一般采用匹配变压器连接电源和负载感应器，高频、超音频电源用的匹配变压器从磁性材料到绕组结构正在得到进一步的优化改进，同时，从电路拓扑上可以用三无源元件代替二无源元件，以取消变压器，实现高效、低成本匹配。

感应加热电源，晶闸管、晶体管与电子管式在国内均能生产。晶闸管电源已生产应用多年。目前 IGBT电源因其优点更多而更为用户所采用。MOSFET电源电效率高、低压，但价格较高，正在逐步取代电子管高频电源。手提式小型高频电源因价廉、方便，在国内应用广泛，甚至进入国外市场。 超高频电源 （27.12MHz），过去依赖进口，现在国内有企业已进行生产，解决了刀片、锯条等特殊工艺的需要。

随着感应热处理生产线自动化控制程度及电源高可靠性要求的提高，

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必须加强加热工艺成套装置的开发。同时感应加热系统正向智能化控制方向发展，具有计算机智能接口、远程控制和故障自动诊断等控制性能的感应加热电源系统正成为下一代的发展目标。 1.1.2 国外感应加热现状

工频（50Hz或60Hz）感应加热电源。这种电源比较实用大型工件的整体透热、大容量炉的熔炼和保温。在频率要求较低的感应加热场合，普通采用工频感应炉。国外的工频感应加热装置单台可达数百兆瓦 ，用于数10吨的大型工件透热或数百吨的钢水保温。虽然固态功率器件构成的电源有取代工频感应加热电源的趋势，但短期内，在电源的容量、价格和可靠性方面难以与构造简单的工频感应电源竞争。

中频电源（50Hz或60Hz以上～10KHz）。晶闸管感应加热电源已完全取代了传统的中频发电机组和电磁倍频器。国外的装置单台容量已达数十兆瓦。

超音频电源（10K～100KHz）。早期采用晶闸管----时间分割电路和倍频电路构成超音频电源。

80年代开始，随着新型器件（GTO、GTR、MCT、IJBT、BSIT、 SITH和IGBT）的相继问世由这些器件构成的简单逆变桥电路得到了很大的发展，占据了感应加热电源主导地位。其中IGBT更是一支独秀，受到了开发者的重视。90年代初期，日本就采用IGBT研制出了1200KW/50KHz的电流型感应加热电源。我国98年进口日本的3200KW/80KHz感应加热线在上海运行，是国际上最先进的电源之一。一些发达国家如美国，英国，法国，瑞士等都研制出了超音频感应加热电源，已达数千千瓦。

高频电源（100KHZ以上）。目前正处在传统的电子管振荡器向固态电源的过度阶段。领先的国家有日本，西班牙，德国，比利时，美国等，采用的器件有SIT和MOSFET，感应加热电源水平可达到1MW/15-600KHZ。

我国与国外先进国家在感应加热方面进行比较，存在较大的差距。

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1.1.3 我国感应加热现状

我国感应加热技术的应用，起源于上世纪50年代，主要用于机床、纺机、汽车、拖拉机等制造业。感应加热集中在工件表面淬火方面，熔炼和透热方面用的较少。感应加热的技术几乎全来自前苏联和捷克国家。20世纪60年代，由于和苏联的关系破裂，我国走上了感应加热技术独立发展的道路。这段时间直到改革开放后的80年代，由浙大开发了第一台并联式晶闸管中频电源，并向全国推广。有关单位相继也生产出了容量在几百千瓦，频率0.5--8KHz中频电源。电子管式超音频电源也研制成功，填补了我国8K--200KHz之间的频率缺口。

感应加热电源真正大量应用于工业生产则是20世纪80年代后。近20多年间感应加热电源和感应加热领域发生了令人注目的变化：此阶段从德国、美国、英国、法国、日本、意大利、西班牙、比利时和俄罗斯等工业发达国家引进了数百套感应加热成套装置(含电源)。粗分类有:各种淬火设备及电源；透热设备及电源；高频纤焊设备；熔炼设备及电源；熔炼设备无心感应炉、有心感应炉。

20世纪90年代，国外的一些感应电炉公司直接到中国来办厂，如美国的英达感应加热公司，彼乐公司等，和国内的同行业厂家同台竞争。他们的产品技术含量高，电源功率大，品牌全，炉子吨位大，生产线规模大，占据了国内的很大一部分市场。只是他们的设备价格高 (国内同性能产品大约是其价格的1/5左右)，这才使技术落后于他们的国内厂家，有了一定的市场发展空间。

国内感应加热方面除了国外在国内的办事机构外，从地域上还分“南派”和“北派”技术和产品方面的竞争。“南派”以浙江大学为中心源地，从技术和人事关系上衍生出浙江，上海，苏杭一带的感应电炉公司，其代表有振吴、四达、兆力等公司，主导着南方的熔炼炉市场。“北派”是以西安交大、西安电炉研究所、西安重型电炉厂(现西安鹏远重型电炉厂)所在地西安为中心，衍生出西安，洛阳，山东，河北，山西等地的电炉公司。

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仅西安市感应加热的公司就达百家之多，是名副其实的中国电炉设计、制造中心。这些厂家中比较有影响的有：西安电炉研究所有限公司、西安鹏远重型电炉厂、西安机电研究所、陕西海意、西安动化、博大、华立等电炉公司。

感应加热的市场发展前景看好，据行内人士讲，西安的几个大的感应炉公司，2007、2008年的各年产值，各公司均在一个亿至几千万间， 产值逐年度快速递增。其中电炉所，海意公司，机电所，动化公司等有多台感应炉出口第三世界国家。

目前国内感应加热电源的技术水平表现在下面几点:

感应加热的高频、中频小功率电源大量的采用IGBT及MOSFET晶体管功率器件，功率在几千瓦到几百千瓦；频率从10KHZ到几百KHZ.这种电源多用于淬火，适应于不同透入深度工件硬层处理。另有少量的双频电源和超高频(27.12MHz)小功率电源。双频电源一般是指高频与超音频组合，超音频40KHz和中频0.5KHz组合。这样的感应加热电源不但效率高，而且更适应处理不同透入深度工件。

感应透热方面，工频电源和中频电源在市场上同时都在应用。在中频电源未发展起来的前20年，工频电源在感应透热和熔炼方面起着主导作用，现正在逐步退出市场。两种电源的区别在:工频电源是由50HZ输出，频率不变，功率的调节靠前端的变压器抽头调输出电压达到调功率的目的。由于负载是一相，输入是三相电，所以，电源内有三相调平衡装置；工频电源功率因数可补偿到1。中频电源是众所周知的AC-DC-AC典型的变频结构.即先把三相工频电源整流成单相直流，滤波后再逆变为各种频率的中频单相交流电源，供给负载感应线圈。

一般Φ300mm以上的金属棒料、锭料透热，大型轴承表面处理多选用工频电源。Φ300mm以下的金属棒料等多选用中频电源。但也有例外的情况，如2005年公布的国家科技进步一等奖第六项“100MN铝挤压设备技术”，其中用的是2600KW中频加热电源，炉子加热的是Φ560mm×1950mm

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铝锭，属于国际上特大型设备之一。该项目采用计算机控制，梯度加热。他们还设计了297mm×279mm×580mm钢锭透热装置，用的中频电源是2400KW，400Hz，加热温度达到1300℃。国内还有几台不同功率的电源在同一透热线上联合工作的情况，这些电源功率从2000KW以下至几百千瓦，每个电源负担几个加热线圈.完成一个区域的加热。几个电源和各自若干个线圈组合起来，达到了整个生产线的感应加热要求。

感应熔炼方面，近10年发展特别快。10年前，5t以上无心感应熔炼炉很少见，基本上都配的是工频电源。中频炉因电源功率小，所配炉子大多数都在2t以下。现在的无心感应炉已生产出5t，7t，10t，15t，20t，25t，30t，35t，40t熔炼炉，10t熔铝炉(相当于30t熔铁炉体积)，70t铜保温炉（见图2）。这些无心感应炉所配电源，少数电源功率器件是IGBT，其余基本上都采用的晶闸管功率器件。利用管子的串并联技术电源装机容量已20达兆瓦.利用多个电源联合能使输出功率更大。

为适应熔炼炉工艺中熔炼和保温工艺的同时需要，国内还开发出了双供电变频电源：一台电源同时输出功率到两台炉体线圈上，这样可使一台变频电源的功率能灵活的分配给两台炉体：即把一台电源的大功率分配给熔炼炉，下余小功率分配给保温炉。两台炉的功率可互补的自由调整，整体不超过电源输出总功率，也可以同时小功率输出到两台炉体用以保温。这种电源市场上叫DX中频电源，俗称“一拖二”中频电源。国内“一拖二”电源的电路结构是建立在逆变串联谐振电源的基础上，前面是可控或不控的三相整流电路，中间是直流，由电容进行滤波，然后再由两个独立的半桥串联逆变谐振电路进行逆变，输出两路可调节各自频率达到各自输出功率和中频电压的不同。“一拖二”中频电源功率器件有选晶闸管的，也有选IGBT的，这两种电路都有成熟产品在工业现场运行。

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第2章 感应加热技术

2.1 感应加热的工作原理

电磁感应原理：1831年，英国物理学家faraday发现了电磁感应现象，并且提出了相应的理论解释。其内容为，当电路围绕的区域内存在交变的磁场时，电路两端就会感应出电动势，如果闭合就会产生感应电流。

2.1.1 感应加热

利用高频电压或电流来加热通常有两种方法：

（1） 电介质加热：利用高频电压（比如微波炉加热） （2） 感应加热：利用高频电流（比如密封包装）

2．电介质加热（dielectric heating）

电介质加热通常用来加热不导电材料，比如木材。同时微波炉也是

利用这个原理。原理如图1：

图1 电介质加热示意图

当高频电压加在两极板层上，就会在两极之间产生交变的电场。需

要加热的介质处于交变的电场中，介质中的极分子或者离子就会随着电场做同频的旋转或振动，从而产生热量，达到加热效果。

3．感应加热（induction heating）

感应加热原理为产生交变的电流，从而产生交变的磁场，再利用交

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变磁场来产生涡流达到加热的效果。如图2：

图2 感应加热示意图

基本电磁定律：

法拉第定律：e?Nd?dt

安培定律：?Hdl?NI 其中：???BdS，B?uru0H

如果采用MKS制，e的单位为V，?的单位为Wb，H的单位为A/m，B的单位为T。

以上定律基本阐述了电磁感应的基本性质， 集肤效应：

当交流的电流流过导体的时候，会在导体中产生感应电流（如图3），

从而导致电流向导体表面扩散。也就是导体表面的电流密度会大于中心的电流密度。这也就无形中减少了导体的导电截面，从而增加了导体交流电阻，损耗增大。工程上规定从导体表面到电流密度为导体表面的1/e＝0.368的距离δ为集肤深度。

在常温下可用以下公式来计算铜的集肤深度： ??式（1）

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7.5fcm

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图3 涡流产生示意图

从以上可以看到，如果增大电流和提高频率都可以增加发热效果，是

加热对象快速升温。所以感应电源通常需要输出高频大电流。

感应加热电源根据补偿形式分为两种，并联谐振式(电流型)电源 和串联谐振式(电压型)电源。

图2.1感应加热电源主电路图

并联谐振式电源采用的逆变器是并联谐振逆变器，其负载为并联谐振负载。通常需电流源供电，在感应加热中，电流源通常由整流器加一个大电感构成。由于电感值较大，可以近似认为逆变器输入端电流固定不变。交替开通和关断逆变器上的可控器件就可以在逆变器的输出端获得交变的方波电流，其电流幅值取决于逆变器的输入端电流值，频率取决于器件的开关频率。

串联谐振式电源采用的逆变器是串联谐振逆变器，其负载为串联谐振负载。通常需电压源供电，在感应加热中，电压源通常由整流器加一个大电容构成。由于电容值较大，可以近似认为逆变器输入端电压固定不变。交替开通和关断逆变器上的可控器件就可以在逆变器的输出端获得交变的方波电压，其电压幅值取决于逆变器的输入端电压值，频率取决于器

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件的开关频率。

串联谐振逆变器和并联谐振逆变器的差别，源于它们所用的振荡电路不同，前者是用L、R和C串联，后者是L、R和C并联；

(1)串联谐振逆变器的输入电压恒定，输出电流近似正弦波，输出电压为矩形波，换流是在晶闸管上电流过零以后进行，因而电流总是超前电压－φ角。

并联谐振逆变器的输入电流恒定，输出电压近似正弦波，输出电流为矩形波，换流是在谐振电容器上电压过零以前进行，负载电流也总是越前于电压 －φ角。这就是说，两者都是工作在容性负载状态。

(2)串联谐振逆变器在换流时，晶闸管是自然关断的，关断前其电流己逐渐减少到零，因而关断时间短，损耗小。在换流时，关断的晶闸管受反压的时间较长。

并联谐振逆变器在换流时，晶闸管是在全电流运行中被强迫关断的，电流被迫降至零以后还需加一段反压时间，因而关断时间较长。相比之下，串联谐振逆变器更适宜于在工作频率较高的感应加热装置中使用。

(3)串联谐振逆变器起动较容易，适用于频繁起动工作的场所；而并联谐振逆变器需附加起动电路，起动较为困难，起动时间长。至今仍有人在研究并联谐振逆变器的起动问题。

串联谐振逆变器晶闸管暂时丢失脉冲，会使振荡停止，但不会造成逆变颠覆。而并联谐振逆变器晶闸管偶尔丢失触发脉冲时，仍可维持振荡。

(4)串联谐振逆变器并接大的滤波电容器，当逆变失败时，浪涌电流大，保护困难。但随着保护手段的不断完善以及器件模块本身也有自带保护功能，串联谐振逆变器的保护不再是难题。

并联谐振逆变器串接大电抗器，但在逆变失败时，由于电流受大电抗限制，冲击不大，较易保护。

(5)串联谐振逆变器感应线圈上的电压和补偿电容器上的电压，都为谐振逆变器输出电压的Q倍。当Q值变化时，电压变化比较大，所以对负载的变化适应性差。流过感应线圈上的电流，等于谐振逆变器的输出电流。

并联谐振逆变器的感应线圈和补偿电容器上的电压，都等于逆变器的输出电压，而流过它们的电流，则都是逆变器输出电流的Q倍。逆变器器件关断时，将承受较高的正向电压，器件的电压参数要求较高。

(6)串联谐振逆变器的感应加热线圈与逆变电源(包括补偿电容器)的距离较远时，对输出功率的影响较小。而对并联谐振逆变器来说，感应加热线圈应尽量靠近电源(特别是补偿电容器)，否则功率输出和效率都会大

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幅度降低。

综合比较串、并联谐振逆变器的优缺点，决定对串联谐振式电源进行研究。

2.1.2 感应加热三大效应

在感应加热设备中存在着三个效应——集肤效应、近邻效应和圆环效应。

集肤效应：当交变电流通过导体时，沿导体截面上的电流分布式部均匀的，最大电流密度出现在导体的表面层，这种电流集聚的现象称为集肤效应。

近邻效应——当两根通有交流电的导体靠得很近时，在互相影响下，两导体中的电流要重新分布。当两根导体流的电流是反方向时，最大电流密度出现在导体内侧；当两根导体流的电流是同方向时，最大电流密度出现在导体外侧，这种现象称为近邻效应。

圆环效应：若将交流电通过圆环形线圈时，最大电流密度出现在线圈导体的内侧，这种现象称为圆环效应。

感应加热电源就是综合利用这三种效应的设备。在感应线圈中置以金属工件，感应线圈两端加上交流电压，产生交流电流I1，在工件中产生感应电流I2。此两电流方向相反，情况与两根平行母线流过方向相反的电流相似。当电流I1和感应电流I2相互靠拢时，线圈和工件表现出邻近效应，结果，电流I1集聚在线圈的内侧表面，电流I2聚集在工件的外表面。这时线圈本身表现为圆环效应，而工件本身表现为集肤效应。

交变磁场在导体中感应出的电流亦称为涡流。工件中产生的涡流由于集肤效应，沿横截面由表面至中心按指数规律衰减，工程上规定，当涡流强度从表面向内层降低到其数值等于最大涡流强度的1/e(即36.8% )，该处到表面的距离△称为电流透入深度。由于涡流所产生的热量与涡流的平方成正比，因此由表面至芯部热量下降速度要比涡流下降速度快的多，可以认为热量(85～90%)集中在厚度为△的薄层中。透入深度△由下式确定：

??2?/????/??0?rf(mm) （1-6）

式中: ρ——工件电阻率（Ω?m ）, μ。——真空磁导率4π×

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10(H/m). μ——工件磁导率(H/m ), μ——工件相对磁导率， ω——角

频率(rad/s )， f——频率(HZ)。

将μ。和π的数值代入，即可得公式: ??50300?/?rf(mm) （1-7）

从上式可以看出，当材料电阻率、相对磁导率给定后，透入深度△仅与频率f平方根成反比，此工件的加热厚度可以方便的通过调节频率来加以控制。频率越高，工件的加热厚度就越薄。这种性质在工业金属热处理方面获得了广泛的应用。

2.2 感应加热电源特点

应加热电源的水平与半导体功率器件的发展密切相关，因此当前功率器件在性能上的不断完善，使得感应加热电源的发展趋势呈现出以下几方面的特点。 2.2.1 1 高频率

目前，感应加热电源在中频频段主要采用晶闸管，超音频频段主要采用IGBT，而高频频段，由于SIT存在高导通损耗等缺陷，主要发展MOSFET电源。感应加热电源谐振逆变器中采用的功率器件利于实现软开关，但是，感应加热电源通常功率较大，对功率器件，无源器件，电缆，布线，接地，屏蔽等均有许多特殊要求，尤其是高频电源。因此，实现感应加热电源高频化仍有许多应用基础技术需要进一步探讨。 2大容量化

从电路的角度来考虑感应加热电源的大容量化，可将大容量化技术分为二大类：一类是器件的串、并联，另一类是多台电源的串、并联器件的均流问题，由于器件制造工艺和参数的离散性，限制了器件的串、并联数目，且串、并联数越多，装置的可靠性越差。多台电源的串、并联技术是在器件串、并联技术基础上进一步大容量化的有效手段，借助于可靠的电源串、并联技术，在单机容量适当的情况下，可简单地通过串、并联运行方式得到大容量装置，每台单机只是装置的一个单元或一个模块。感应加热电源逆变器主要有并联逆变器和串联逆变器，串联逆变器输出可等效为一低阻抗的电压源，当二电压源并联时，相互间的幅值、相位和频率不同或波动时将导致很大的环流以致逆变器器件的电流产生严重不均，因此串联逆变

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器存在并机扩容困难；而对并联逆变器，逆变器输入端的直流大电抗器可充当各并联器之间的电流缓冲环节，使得输入端的AC/DC或DC/AC环节有足够的时间来纠正直流电源的偏差，达到多机并联扩容 3负载匹配

感应加热电源多用于工业现场，其运行工况比较复杂，它与钢铁、冶金和金属热处理行业具有十分密切的联系，他的负载对象各式各样，而电源逆变器与负载是一有机的整体，负载直接影响到电源的运行效率和可靠性。对焊接、表面热处理等负载，一般采用匹配变压器连接电源和负载感应器，对高频、超音频电源用的匹配变压器要求漏抗很小，如何实现匹配变压器的高输入效率，从磁性材料选择到绕组结构的设计已成为一重要课题，另外，从电路拓扑上负载结构以三个无源元件代替原来的二哥无源元件以取消匹配变压器，实现高效、低成本隔离匹配。 .4智能化控制

随着感应热处理生产线自动化控制程度及对电源可靠性要求的提高，感应加热电源正向智能化控制方向发展。具有计算机智能接口、远程控制、故障自动诊断等控制性能的感应加热电源正成为下一代发展目标。

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第3章 感应加热电源的负载匹配方案

3.1 感应加热电源框图

整流器 直流滤谐振逆变器 谐振槽路 控制和保护

3.1.1 负载匹配

高频感应加热电源的负载可以等效成一个电阻和一个电感串联或并联的形式。等效的电感、电阻式感应器和负载耦合的结果，受到耦合程度的影响。这种负载都是功率因数很低的感性负载；为了提高功率因数，一般采用增加补偿电容的方法来提高。一般有并联补偿和串联补偿两种方式，从而形成两种基本的谐振电路：并联谐振电路、串联谐振电路。为了提高效率和保证逆变器安全运行，固态感应加热电源一般工作在准谐振状态。串联谐振电路工作在小感性状态而并联谐振电路工作在小容性状态。负载匹配方法主要分为两大类：静电耦合和电磁耦合。静电耦合主要采用无源元件，通过改变电路拓扑结构来改变负载阻抗。这一方法在一定条件下可以省去匹配变压器，因此更加经济、方便。

感应加热装置的感应器支路可以等效成一个电阻和一个电感串联或并联的形式，等效的电感、电阻是感应器和负载耦合作用的结果，其值会受感应器与负载耦合程度的影响。等效感应器支路是一个感性负载，功率因数很低，需加入电容器进行无功补偿，补偿电容器与感应线圈的连接方式有串联和并联两种形式，从而形成两种基本的谐振电路：并联谐振电路、串连谐振电路。为了提高效率和保证逆变器安全运行，固态感应加热电源一般工作在准谐振状态，串联谐振电路和并联谐振电路的特性，这在上一章节重点了它们的优缺点比较。串联谐振电路在谐振状态下等效阻抗为纯电阻，并达到最小值，并联谐振电路在谐振状态下等效阻抗达到最大值，

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为了获得最大的电源输出功率，串联谐振电路采用电压源供电，并联谐振电路采用电流源供电，即电压源型感应加热电源必须匹配串联谐振型负载电路，电流源型感应加热电源必须匹配并联谐振型负载电路，这是电源与负载的初次匹配措施。

图3-1 不同负载情况下的负载电流

对于一台电源设备，其额定电压UN和额定电流IN取决于电源本身，为使电源能输出额定功率，要求有合适的负载阻抗Z?ZN?UNIN与电源匹配，如果Z?ZN，电源与负载不匹配，电源利用率就降低。以简单的直流电压源为例：电源额定电压Ud?400V，额定电流Id?400A，额定阻抗|Z|=1Ω，负载阻抗|Z|=1Ω时，电源输出额定功率；|Z|=0.5Ω时，输出电流为I?UdZ?4000.5?800A，电源过载；|Z|=2Ω时，输出电流为

I?UdZ?4002?200A，电源轻载。图3-1可清楚的表明以上所说情况

线1表示负载与电源匹配，线2表示电源重载，线3表示电源轻载。电源与负载不匹配时，为保证不损坏电源设备，只能降额运行，降低了电源利用率，适当的匹配可以使电源全功率运行，保证设备正常运转，减少故障。在实际中，很少有负载阻抗恰好等于电源额定阻抗的情况，负载匹

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配是感应加热装置安全可靠经济运行的一个必不可少的环节，是感应加热电源负载设计的重要内容。 3.1.2 负载匹配方案分析

感应加热装置的感应器支路可以等效成一个电阻和一个电感串联或并联的形式[1]，等效的电感、电阻是感应器和负载耦合作用的结果，其值受感应器与负载耦合程度的影响。等效感应器支路是一个感性负载，功率因数很低，需加入电容器进行无功补偿，补偿电容器与感应线圈的连接方式有串联和并联两种形式，从而形成两种基本的谐振电路：并联谐振电路、串连谐振电路。为了提高效率和保证逆变器安全运行，固态感应加热电源一般工作在准谐振状态，串联谐振电路和并联谐振电路的特性。

负载匹配方法主要分为两大类：静电耦合和电磁耦合。静电耦合主要采用无源元件，通过改变电路拓扑结构来改变负载阻抗。这一方法在一定条件下可以省去匹配变压器，因此更加经济、方便。电磁耦合主要采用匹配变压器，通过变压器变换阻抗特性进行负载匹配。

根据电感线圈工作特性，可以等效为电阻和电感的组合。在高频工作状态下，负载无功成分很大，需要很大容量的电源。在感应加热技术中采用电容器进行无功补偿，提高功率因数。常用的谐振回路有:串联谐振回路、并联谐振回路、和串并联谐振回路。如图所示。

图3.1.2负载谐振回路的几种结构

图(a)为串联谐振回路，负载电感和电阻和谐振电容cs为串联连接。

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由于电感串联在谐振回路中，因此需要逆变器类型应为电压型，使电流不会发生突变。根据阻抗表达式，当串联谐振回路工作在谐振点时，输出阻抗最小，输出功率最大。同时逆变器输出电压电流同相，使逆变器中功率器件的开关损耗很小，可以达到很高的开关频率。但在实际工作过程中，为保证系统不会在非零电压状态下开通，通常使电源工作在频率略高于谐振频率的偏感性状态下，功率器件为零电压开通(ZVS)，非零电流关断。图(b)所示为并联谐振回路，类似地，并联谐振回路需要接入电流型逆变器而不是电压型逆变器。根据导纳表达式，当并联谐振回路工作在谐振点，输出导纳最小，输出功率最大。同时逆变器输出电流电压同相，功率器件不产生开关损耗。实际电源工作时，为降低线路中寄生电感在换流过程中的影响，使并联谐振电源工作在偏容性状态下，功率器件为零电流开通(ZCS )，非零电流关断。比较两种谐振电源可知，电压型谐振器在高频应用中具有结构和控制相对简单，高频状态下，受线路寄生参数影响较小。而且输出电压不会超过母线直流电压，在工业系统中属于低压系统。欧洲工业电气标准为保证工作人员的安全提倡使用低压系统。但电压型逆变器在高频状态下扩容需要并联器件或者进行逆变器串联，使输出电压增大，不利于电源的安全管理。在高频状态下电流型逆变器可以通过并联形式提高容量，但输出电压取决谐振回路匹配参数，某些负载下输出电压很高。同时电流型逆变器工作在高频状态下，受桥路寄生电感和输出寄生电感影响较大。在电流型逆变器中，为降低负载谐振电流提出如图(C)中所示的谐振回路。目的是通过电容升压降低谐振电流。其实质是通过负载的阻抗变换来改变输出电流的大小。详细分析可以参考文献〔22]。这种谐振回路需要加入负载端不平衡电压检测防止并联电容上的电荷积累，增加控制系统的复杂性。通过以上对电源拓扑和谐振回路的分析可知，电压型逆变器工作在高频状态具有多优点，但只能通过逆变器串联提高电源容量，因此需要对谐振回路拓扑进行深入研究，在保留电压型逆变器的同时能够通过并联的方式提高电源容量。在第二章中采用LLC谐振回路作为负载谐振回路，可以实现上述要求。

LC串联和并联谐振回路是感应加热电源最常用的谐振回路。两种谐振回路结构和频率、相位特性如图2.1所示。图(A)为串联谐振回路、

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频率特性和相位特性。图(B)为并联谐振回路、频率特性和相位特性。

1??Z?R?j??L??

?C?? G?j?C?????

?R?j?L?1

图3.1.2.2串联谐振和并联谐振结构图

根据逆变器的工作频率fs与谐振电路固有频率f0的大小关系，以及串联和并联结构的不同，我们将电路的工作状态作如下的定义：

电压型谐振逆变器:当fs>f0时，负载支路的电压ua。超前负载支路的电流ia，为感性状态；当fs

电流型谐振逆变器：当fs>f0时，负载支路的电压ua。滞后负载支路的电流ia，为容性状态；当fs

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足够的死区时间。

感性负载：即串联谐振逆变器工作在fs>f0时，，其换流过程是:当功率管Q1、Q3关断后，负载电流换至另外两只功率管的反并联二极管DZ、D4中，在滞后一个死区时间后，功率管QZ、Q；加上开通脉冲，等待电流自然过零后电流从DZ、D4换至QZ、Q；中。由于功率管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，而且二极管中不存在反向恢复电流。另一方面，功率管关断时电流尚未过零，此时仍存在一定的关断损耗，但由于功率管关断时间很短，预留的死区不长，而且死区所占时间对应的功率因数并不大，所以适当地控制逆变器的工作频率儿，使之略高于负载电路的固有谐振频率f0，就可以度使功率管向二极管换流时，瞬间电流很小，即功率管的关断和二极管的开通是在小电流下发生的，这样可以减小功率器件的关断损耗。

容性负载：即串联谐振型逆变器工作在低端失谐时，换流过程是:电流先过零，电流从二极管DZ、D；换至另外两只功率管Q1、Q3中，此时DZ、D；承受高的反向电压，使得二极管换流时产生较大的反向恢复电流，而使器件产生很大的开关损耗，而且在二极管反向恢复电流迅速下降至零时，会在功率管串联的寄生电感中产生大的感生电动势，而使功率管受到很高电压尖峰的冲击。

在考虑功率管两端并联的寄生电容coss时，电容的放电电流使得功率管的开通损耗增加，但coss有利于减小关断损耗。因此在设计驱动电路时，需要仔细考虑寄生参数的影响。

从上述分析可知，串联谐振型逆变器在适当的方式下，如工作频率略高于固有频率f0的感性状态时，开关损耗可以很小，但在容性工作状态时，开关损耗较大，因此在设计锁相控制时会控制系统工作在微偏感性的状态，以保证在负载变化的动态调节过程中，系统始终工作在开关损耗较小的状态下。

电流型谐振逆变器的输出电流为近似方波，负载电压近似为正弦波。由于逆变器输入端接入较大的平波电抗器，为了避免出现开路而造成的高压冲击，桥臂上下的开关器件在换流的期间应该是同时导通。

全桥电流型谐振型逆变器工作在感性状态(?>0)和容性状态(?<0)时

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换流过程不同，以下给出详细的分析。当?>0 (fs

当?<0 (fs>f0)时，同样分析从Q1向Q4换流，当Q1完全关断，Q4则完全导通时，由于电容两端电压是正向的，因此二极管D1承受反向电压，会存在很大的反向恢复电流，从而导致开通支路Q4出现开通峰值电流。由于这一特点，则要求二极管是快恢复二极管。另外，由图中波形分析得出，D l和Q1在关断过程中没有损耗，而对于开通的D4和Q4而言，则存在较大的开通损耗。而且在这种情况下，好的布线反而恶化了二极管的反向恢复问题，因为高的didt导致高的IRRM。

在实际电路中开关的时序对换流过程有很大的影响，记?为关断器件相对输出电压过零时的角度，?为换流开通器件相对输出电压过零时的角度。由于线路寄生电感Lp的存在，在不同的?和?下，器件的开关过程呈现不同的状态。设?0为开通器件超前输出电压的最为优化的角度，还是以Q1向Q4换流过程为例分析，当?=0时，Q4提前?0开通，二极管承受反压，此时会出现较大的反向恢复电流，而且在Q1关断后，该电流在Lp上产生的电压尖峰加到Q1上。?=0，必滞后?0开通，此时由于电流在Q1关断之前还没有达到零，同样在Q1两端产生电压尖峰，电压的大小取决于开关管的下降时间。当???0时，Q1提前电压过零点关断。二极管承受反压，出现反向恢复电流，在Q1完全关断后，也会出现电压尖峰，但此时的电压尖峰取决于二极管的众IRRM。当???0，Q1滞后电压过零点关断。此时开关管在流过正向电流时突然被关断，同样出现电压尖峰。

从以上分析看出，在高频时电流型谐振型逆变器更适合工作在?>O状态下，即开关频率fs小于谐振支路固有频率f0。此时功率二极管存在较大的关断损耗，需要设计合适的辅助关断电路，减小由于二极管反向恢复电

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流造成的开关损耗，高频状态下要同时考虑寄生电容coss对关断时器件的影响，电容的放电电流使得功率管的开通损耗增加，但在器件关断时coss使功率开关是零电压关断，对降低开关损耗有一定的好处。从上述分析可知，如果电压型谐振型逆变器的工作频率fs略高于固有频率f0，则开关损耗可以很小，高频下寄生参数对开关状态的影响较小。而电流型逆变器受线路的寄生电感影响，工作在高频状态下的开关损耗较大，对电源正常工作影响较大，因此相对而言电压型逆变器比较适合工作在较高的频率下。

3.2 LLC谐振回路工作分析

LLC谐振回路的结构如图3-2所示

图3-2 LLC谐振电路

定义以下变量：

L?L1?L2?L1L2umL1L2L1?L2 （3.1）

?? (3.2)

???i1 （3.3）

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[18]Do,S.. A GUI based simulation of power electronic

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外文资料翻译

Impedance and matching the instigation of the load impedance and amplifier output impedance proper co-ordination in order to get the maximum output power, this right with impedance than the impedance matching. Transformer has been able to achieve impedance matching, because when properly selected, the number of turns of the secondary side coil, the transformer turns ratio, you can get the proper output impedance, that is, the transformer has to transform the role of impedance, so he can achieve impedance matching.

Impedance literally and resistance is not the same, only one of them blocking the word is the same, and the other anti-word? Simply put, the impedance is the anti-resistance power, so called impedance; exhaustive little to say, the impedance is the resistance, capacitance and inductance anti-anti-in on vector and. In the DC world, the objects on the current role in obstructing called resistance, all the material has a resistance, but resistance value of the size difference. Resistance small matter called a good conductor, the resistance of a material called non-conductors, superconductors, high-tech field, said recently it is a resistance value close to zero things. In addition to the resistance will impede the current in the field of AC capacitors and inductors will impede the flow of current, this effect is called reactance, that is resistant to current role. The reactance of the capacitor and inductor are called capacitor anti-inductive reactance, referred to as the capacitance and inductance. Their units of measurement and resistance as OM, the size of its value and the frequency of the alternating current relationship, the higher the frequency capacitance smaller inductance the greater the frequency the lower the capacitance the greater the inductance one . In addition, the capacitive reactance and inductive reactance, there is the phase angle, with the vector relationship, so when he says: Impedance is the resistance and reactance in the vector and the matching conditions

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① load impedance equal to the source impedance, that they mold with pieces of angle equal, when the load impedance can be obtained without distortion of the voltage transmission.

② load impedance of the source impedance equal to conjugate value, that they mold the same convergence angle of zero. Then can get the maximum power load impedance .This matching condition is called the conjugate match. If the source impedance and load impedance were purely resistive, then the two matching conditions are equivalent.

Impedance matching is the load impedance and excitation source internal impedance adapter with each other, to get the maximum power output of a working state. Matching condition is not the same for the different characteristics of the circuit. In a purely resistive circuit, when the load resistance is equal to the internal resistance of the excitation source, the output power is maximum, this state is called the match, otherwise known as the mismatch.

When the excitation source impedance and load impedance contains the electrical resistance to ingredients to make the load to get the maximum power load impedance and internal resistance must satisfy the conjugate relations, namely equal to the resistor composition, the reactance ingredients absolute value equal and opposite sign. This matching condition is called the conjugate match.

Impedance matching (Impedance matching and) is part of the microwave electronics, mainly used for the transmission line, up to all of the high frequency of the microwave signal the transmitted to the purpose of point of load, there will be no signal reflected back to the point of origin so as to enhance energy benefits. Smith chart, capacitive or inductive load in series to increase or decrease the load impedance values, the point on the chart will be walking along the circle represents the real resistance. If the capacitance or inductance grounding, the first point on the chart will be rotated 180 degrees in order to center, before walking along the resistance circle, and then rotated

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180 degrees along the center. Repeat the above method until the resistance value become one, you can directly to the resistance force becomes zero completed match.

Conjugate match

In the case of the source given, the power depends load resistor and the signal source resistance ratio K, when the two are equal, as K = 1, the maximum output power. However, the concept of impedance matching can be generalized to AC circuits, to achieve the maximum transmission power when the load impedance and source impedance conjugate, if the load impedance conjugate matching conditions are not met, it is necessary between the load and source an impedance transformation network, the load impedance transformation to the conjugate of the signal source impedance, and impedance matching.

Match classification

Generally, impedance matching, there are two, one, the other is to adjust the wavelength of the transmission line (transmission line matching and by changing the resistance force (lumped-circuit matching and)).

To match a set of lines, the first point of load impedance values, divided by the transmission line characteristic impedance values normalized, and then the value designated in the Smith chart.

1 change the resistance force

Capacitive or inductive load in series to increase or decrease the load impedance values, the point on the chart will be walking along the circle representing the resistance of the real number. If the capacitance or inductance grounding, the first point on the chart will be rotated 180 degrees in order to center, before walking along the resistance circle, and then rotated 180 degrees along the center. Repeat the above method until the resistance value one, you can directly to the resistance force becomes zero completed match.

2 adjust the transmission line

Long transmission line from the point of load to the point of origin to the

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