基于ZVS技術(shù)的感應(yīng)加熱電源的設(shè)計(jì)

貴州民族大學(xué)工程技術(shù)人才實(shí)踐訓(xùn)練中心 賀天鵬 聶思敏 李學(xué)林 鄭澤鴻

0 引言

至今，金屬加工的方式有三種，分別是感應(yīng)加熱法、電阻加熱法和直接加熱法，三種方式綜合比較后，感應(yīng)加熱有著明顯的優(yōu)勢(shì)，優(yōu)點(diǎn)在于其控制靈敏、加熱速度快、體積小、效率高，還有一個(gè)更加獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，就是采用非接觸加熱方式，使得其噪音小和粉塵小的特點(diǎn)[1]。感應(yīng)加熱電源根據(jù)半導(dǎo)體的發(fā)展和使用場(chǎng)合，主要往大容量、高頻化、高功率因素和智能化方向發(fā)展，其基本原理就是電磁感應(yīng)原理，將工件置于感應(yīng)線圈內(nèi)，線圈兩端接入交流電，在線圈內(nèi)部產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，交變磁場(chǎng)通過工件，使得工件產(chǎn)生渦流，因工件本身的阻尼作用使其產(chǎn)生大量的熱量[1]。本文介紹的內(nèi)容是以基于ZVS技術(shù)，設(shè)計(jì)一款直流電壓輸入24V的感應(yīng)加熱電源，通過闡述電路的運(yùn)行過程和工作原理，最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證此電路的正確性和可行性。

1 ZVS技術(shù)簡(jiǎn)介

電路開關(guān)管控制一般采用PWM控制方式，由于開關(guān)管是理想器件，在開通時(shí)開關(guān)管電壓不能立即下降到零，同時(shí)它的電流也不能立即上升到負(fù)載電流，在這段時(shí)間里電壓與電流就有一個(gè)交疊區(qū)，產(chǎn)生損耗，我們稱之為開通損耗[2]，在開關(guān)管關(guān)閉時(shí)，同樣也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)關(guān)斷損耗[3]，開通損耗和關(guān)斷損耗通稱開關(guān)損耗，并且開關(guān)損耗與開關(guān)頻率成正比[4]，頻率越高損耗也高，損耗越大，所以我們提出ZVS（Zero Voltage Switch縮寫）技術(shù)即零電壓開關(guān)技術(shù)。

ZVS技術(shù)指在開關(guān)管兩端并聯(lián)電容，能延緩開關(guān)管關(guān)斷后電壓上升速率，從而降低開關(guān)管的關(guān)斷損耗，整個(gè)過程主要依靠電路中的諧振Lr來實(shí)現(xiàn)。如圖1所示，諧振電容Cr與開關(guān)管S并聯(lián)，整流二極管VD與諧振電感串聯(lián)[5]，開關(guān)管S在零電壓時(shí)閉合和斷開，諧振開關(guān)工作在半波模式。

圖1 ZVS準(zhǔn)諧振開關(guān)電路

2 電路設(shè)計(jì)及分析

2.1 主要元器件說明

基于ZVS技術(shù)的感應(yīng)加熱器電路如圖2所示，DC1為直流電壓輸入端，輸入直流電壓24V；L1、L2為扼流電感；Q2、Q5為型號(hào)為S8050的NPN三極管；Q3、Q6為型號(hào)為S8550的PNP三極管；R1、R3為1/4W金屬膜電阻，阻值為1K歐姆；R2、R4為1/2W金屬膜電阻，阻值為5.1K歐姆；D3、D5為IN4742型穩(wěn)壓管的Vzmin為11.4V，Vzmax則為12.6V；D2、D4為快速恢復(fù)二極管FR107；Q1、Q4為IRFP260N型N溝道場(chǎng)效應(yīng)管，漏極/源極擊穿電壓200 V，漏極連續(xù)電流50 A；Q7為IRF3205型N溝道場(chǎng)效應(yīng)管，漏極/源極擊穿電壓55 V，漏極連續(xù)電流98 A；DC2為直流輸出12V的輔助電源。

圖2 感應(yīng)加熱器電路圖

2.2 電路工作原理分析

當(dāng)DC1端輸入直流電壓24V電源，DC2端輸入直流電壓12V時(shí)，當(dāng)開關(guān)S2閉合，由Q2Q3和Q5Q6分別組成的兩對(duì)互補(bǔ)推挽電路獲得啟動(dòng)電壓，再經(jīng)過D3、D4穩(wěn)壓二極管，讓電壓鉗位在12V，分別送入Q1、Q4的GS極，使得兩個(gè)MOS管同時(shí)導(dǎo)通，由于兩個(gè)MOS管的GS鉗位電壓的離散性和MOS管本身跨導(dǎo)參數(shù)的離散性的差異，導(dǎo)致上電瞬間流經(jīng)Q1、Q4的電流不同，假設(shè)Q1電流大于Q4，此時(shí)電流從b點(diǎn)流向a點(diǎn)，那么b點(diǎn)電位大于a點(diǎn)電位，Q1導(dǎo)通時(shí)a點(diǎn)近似接地，D4導(dǎo)通，Q5截止，Q6導(dǎo)通，將Q4柵極電位強(qiáng)行拉低，Q4失去柵極電壓而截止，形成正反饋，MOS管Q1完全導(dǎo)通，MOS管Q4完全截止，完成啟動(dòng)過程；當(dāng)L3磁飽和時(shí)，電容C1上瞬間的大電流流經(jīng)L3，在Q1的導(dǎo)通電阻上形成疊加，使得a點(diǎn)的電壓升高，D4截止，Q4導(dǎo)通，b點(diǎn)近似接地，D2導(dǎo)通，Q1柵極電位強(qiáng)行拉低，Q1失去柵極電壓而截止，周而復(fù)始，MOS管在VDS= 0V的情況下導(dǎo)通，這就是零電壓開關(guān)技術(shù)。

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

使用Multisim 13電路仿真軟件中對(duì)電路進(jìn)行仿真測(cè)試，如圖3所示，分別實(shí)使用虛擬四通道示波器-SXC1同時(shí)采集MOS管Q1、Q6的柵極的電壓波形圖，使用虛擬四通道示波器-SXC2同時(shí)采集L3兩端的波形，使用虛擬四通道示波器-SXC3同時(shí)采集MOS管Q1、Q6的柵極的電壓波形圖，啟動(dòng)仿真軟件電路仿真按鈕，分別測(cè)得D2、D4的波形和L3兩端的波形如圖4所示。

圖3 仿真電路

圖4 電路仿真波形

由圖4中左圖的波形圖可以看得出，當(dāng)D2導(dǎo)通時(shí)，三極管Q3導(dǎo)通接地，MOS管柵極電壓被強(qiáng)行拉低，使得MOS管Q1導(dǎo)通，如圖4中圖所示，此時(shí)對(duì)管Q6便處于截止?fàn)顟B(tài)；從圖4右圖的L3兩端的波形知道，在L3中產(chǎn)生45.7KHz正弦波，將C1、L3的仿真值帶入LC振蕩頻率計(jì)算公式：

計(jì)算結(jié)果為45.977KHz，與等于仿真測(cè)量到的頻率值。

4 結(jié)論

通過Multisim仿真軟件的仿真結(jié)果進(jìn)行分析，開關(guān)管在源漏極的電壓為0才導(dǎo)通，使得ZVS技術(shù)能夠解決開關(guān)管的開關(guān)損耗問題，在感應(yīng)加熱電源趨于高頻化的發(fā)展趨勢(shì)下，ZVS技術(shù)是一個(gè)能解決開關(guān)管能耗有效方案。ZVS技術(shù)會(huì)使諧振電壓大于2倍輸入電壓，開關(guān)管 的耐壓值也要相應(yīng)增加，這樣會(huì)增加電路的成本，降低電路的可靠性。

[1]劉超．基于TMS320F28335的感應(yīng)加熱式電源[D]．安徽工業(yè)大學(xué),2017．

[2]朱軍．零電流轉(zhuǎn)換移相全橋直流變換器研究[D]．重慶大學(xué),2008．

[3]凌飛．高頻無極燈諧振逆變器建模與諧振環(huán)參數(shù)設(shè)計(jì)[D]．東北大學(xué),2011．

[4]陳亞非．一種應(yīng)用于雷達(dá)系統(tǒng)的高壓大功率電源及控保系統(tǒng)的研制與PSPICE仿真[D]．山東大學(xué),2006．

[5]陳煒．用于高氣壓輝光放電的全橋軟開關(guān)電源的研究[D]．華中科技大學(xué),2006．