雙頻率感應加熱電源及其逆變電路的控制方法
【專利摘要】本發明公開了一種雙頻率感應加熱電源，包括二極管箝位全橋多電平逆變電路，二極管箝位全橋多電平逆變電路分別與直流電源和單感應線圈負載電路連接。本發明雙頻率感應加熱電源，利用二極管箝位全橋逆變電路實現非疊加式多電平信號輸出，增加逆變器輸出電壓基波調制范圍，擴大輸出電壓三次諧波可調節范圍，實現雙頻功率信號的產生；采用單感應線圈負載電路同步輸出雙頻功率信號實現對雙頻信號的準確選擇，解決了現有技術中存在的逆變器輸出電壓基波調制范圍及諧波可調節范圍小、諧振電路結構復雜、諧振電路選頻性能降低的問題，結構簡單，提高了感應加熱電源雙頻率功率信號的可調節特性及能量利用率。
【專利說明】雙頻率感應加熱電源及其逆變電路的控制方法
【技術領域】
[0001 ] 本發明屬于感應加熱電源【技術領域】，具體涉及一種基于多電平技術的雙頻率感應 加熱電源，本發明還涉及二極管箝位全橋多電平逆變電路的控制方法。
【背景技術】
[0002] 感應加熱是利用電磁感應原理，使處于感應線圈交變磁場中的金屬材料內部迅速 感應出很大的電渦流，從而使材料加熱升溫，將電能轉換成熱能，完成對被加工工件進行加 熱的任務。根據感應加熱透入深度與頻率的關系，在加熱過程中被加熱工件的加熱厚度受 感應線圈電流頻率的控制。因此，在處理表面不規則幾何形狀的加熱工件時，僅用單一頻率 的感應電流對不同部分的處理效果將不一致，嚴重影響工件的處理質量。對此類復雜幾何 表面工件的熱處理問題研究表明，雙頻率輸出的感應加熱方式是目前國內外采取的解決問 題的途徑。
[0003] 感應加熱裝置是利用電磁感應原理把電能轉化為熱能的設備，通常感應加熱技術 是通過正負交替的方波為負載回路提供能量，采用半橋或全橋逆變電路產生正負交替的方 波。當感應加熱電源應用于雙頻率輸出領域時，逆變電路輸出的方波電壓中傳遞能量的是 占主要成分的基波和較低次諧波，應根據不同的加熱工藝需要實現對逆變電路輸出電壓的 諧波調節，但正負交替的方波無法調節其基波和諧波含量。基于多電平逆變器輸出電壓諧 波可調節功能，級聯型多電平逆變器電路被引入雙頻感應加熱電源，但級聯型多電平逆變 器需要多個直流輸入電源，而且逆變器輸出電壓的基波含量高，即諧波能量較低，諧波的調 節范圍有限。
[0004] 感應加熱電源采用電感、電容串聯諧振或并聯諧振的負載電路向被加熱工件傳遞 能量，為實現雙頻率能量的傳遞，目前采取的負載電路結構有雙感應線圈的兩諧振支路并 聯結構，單感應線圈的多元件復合諧振電路。雙感應線圈存在兩個線圈如何設計、相對位置 如何安置、線圈中存在磁耦合等不可避免的重要問題。目前的單感應線圈結構存在電路拓 撲復雜、電路選頻特性受限等問題。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的在于提供一種雙頻率感應加熱電源，解決了現有技術中存在的逆變 器輸出電壓基波調制范圍及諧波可調節范圍小、諧振電路結構復雜、諧振電路選頻性能降 低的問題。
[0006] 本發明的另一個目的是提供用于雙頻率感應加熱電源的二極管箝位全橋多電平 逆變電路的控制方法。
[0007] 本發明所采用的技術方案是：雙頻率感應加熱電源，包括二極管箝位全橋多電平 逆變電路，二極管箝位全橋多電平逆變電路分別與直流電源和單感應線圈負載電路連接；
[0008] 二極管箝位全橋多電平逆變電路由三個串聯支路并聯而成，串聯支路一由分壓電 容心和分壓電容C 2串聯組成，串聯支路二由功率開關管MOSFET Gal、功率開關管MOSFET Ga2、 功率開關管MOSFET Ga3、功率開關管MOSFET Ga4串聯組成，串聯支路三由功率開關管MOSFET Gbl、功率開關管MOSFET Gb2、功率開關管MOSFET Gb3、功率開關管MOSFET Gb4串聯組成；分壓 電容Q、功率開關管MOSFET Gal的漏極、功率開關管MOSFET Gb4的漏極分別與直流電源的正 極連接，分壓電容C2、功率開關管MOSFET Ga4的源極、功率開關管MOSFET Gbl的源極分別與 直流電源的負極連接；功率開關管MOSFET Ga2和功率開關管MOSFET Ga3還并聯有箝位支路 一，箝位支路一由二極管乂01和二極管VD2串聯組成，功率開關管MOSFET Gb3和功率開關管 MOSFET Gb2之間還并聯有箝位支路二，箝位支路二由二極管VD3和二極管VD4串聯組成；分 壓電容Q和分壓電容C 2之間的節點、二極管VDi和二極管VD2之間的節點、二極管VD3和二 極管VD 4之間的節點均接地。
[0009] 本發明的特點還在于，
[0010] 單感應線圈負載電路由感應線圈L和輔助諧振電路連接組成，輔助諧振電路由諧 振電感U和諧振電容c 3串聯后再與諧振電容c4并聯而成。
[0011] 輔助諧振電路連接至功率開關管MOSFET Ga2和功率開關管MOSFET Ga3之間的節點， 感應線圈L連接至功率開關管MOSFET Gb2和功率開關管MOSFET Gb3之間的節點。
[0012] 本發明所采取的另一技術方案是：用于雙頻率感應加熱電源的二極管箝位全橋多 電平逆變電路的控制方法，具體包括以下步驟：
[0013] 步驟1 Θ i?Θ i區間，功率開關管MOSFET Gb3、功率開關管MOSFET Ga3與二極管 VD2、二極管VD3導通，二極管箝位全橋多電平逆變電路輸出零電壓；
[0014] 步驟2 : Θ i?θ 1+α區間，二極管箝位全橋多電平逆變電路輸出電流通過功率開 關管MOSFET Gbl、功率開關管MOSFET Gb2、功率開關管MOSFET Ga2、功率開關管MOSFET Gal的極 間反并二極管續流，二極管箝位全橋多電平逆變電路輸出電壓E，此時輸出電壓已換相，輸 出電流未換相；
[0015] 步驟3 : θ 1+ α?Θ 2區間，功率開關管MOSFET Gal、功率開關管MOSFET Ga2、功率開 關管MOSFET Gb2、功率開關管MOSFET Gbl導通，二極管箝位全橋多電平逆變電路輸出電壓E， 輸出電流換相；
[0016] 步驟4 : Θ 2?ji - Θ 2區間，功率開關管MOSFET Gal、功率開關管MOSFET Ga2、功率開 關管MOSFET Gb2與二極管VD4導通，分壓電容Q放電，分壓電容C2充電，二極管箝位全橋多 電平逆變電路輸出電壓E/2 ;分壓電容(^的電壓降低，其變化量為AUa，分壓電容C2的電 壓增加，其變化量為AU C2, AUC2 = - AUa ;
[0017] 步驟5 : π - θ 2?π - Θ i區間，重復步驟3二極管箝位全橋多電平逆變電路的運行 狀態，二極管箝位全橋多電平逆變電路輸出電壓E ;
[0018] 步驟6 : π - Θ i?ji + Θ i區間，功率開關管MOSFET Ga2、功率開關管MOSFET Gb2和二 極管VD4、二極管VDi導通，二極管箝位全橋多電平逆變電路輸出零電壓；
[0019] 步驟7 : π + Θ i?π + θ 1+α區間，二極管箝位全橋多電平逆變電路輸出電流通過 功率開關管MOSFET Ga4、功率開關管M0SFETGa3、功率開關管M0SFETGb3、功率開關管M0SFETG b4 的極間反并二極管續流，二極管箝位全橋多電平逆變電路輸出電壓-E，輸出電壓已換相，輸 出電流未換相；
[0020] 步驟8:31 + 0^0?π + θ2區間，功率開關管MOSFET Gb4、功率開關管M0SFETGb3、 功率開關管M0SFETGa3、功率開關管M0SFETG a4導通，二極管箝位全橋多電平逆變電路輸出電 壓-E，輸出電流換相；
[0021] 步驟9:3ι + Θ2?23ι-Θ2區間，二極管VD3與功率開關管MOSFET Gb3、功率開關管 MOSFET Ga3、功率開關管MOSFET Ga4導通，分壓電容Q充電，分壓電容C2放電，二極管箝位全 橋多電平逆變電路輸出電壓-E/2 ;分壓電容Q的電壓增加△ Ua，分壓電容C2的電壓降低 Δ UC2, Δ UC2 - _ Δ UC1 ;
[0022] 步驟10 :2 π - θ 2?2 π - Θ i區間，重復步驟8二極管箝位全橋多電平逆變電路的 運行狀態，二極管箝位全橋多電平逆變電路輸出電壓-E ;
[0023] 其中，Θ i 為開關角度一、Θ i e [0, Ji /2]，Θ 2 為開關角度二、Θ 2 e [0, Ji /2]， θ2>θι，α為輸出電流滯后于輸出電壓的角度。
[0024] 本發明的有益效果是：本發明雙頻率感應加熱電源，利用二極管箝位全橋逆變電 路實現非疊加式多電平信號輸出，增加逆變器輸出電壓基波調制范圍，擴大輸出電壓三次 諧波可調節范圍，實現雙頻功率信號的產生；采用單感應線圈負載電路同步輸出雙頻功率 信號實現對雙頻信號的準確選擇，解決了現有技術中存在的逆變器輸出電壓基波調制范圍 及諧波可調節范圍小、諧振電路結構復雜、諧振電路選頻性能降低的問題，結構簡單，提高 了感應加熱電源雙頻率功率信號的可調節特性及能量利用率。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025] 圖1是本發明基于多電平技術的雙頻率感應加熱電源電路的拓撲結構圖；
[0026] 圖2是本發明二極管箝位全橋多電平逆變電路的開關觸發信號；
[0027] 圖3是本發明實施例二極管箝位全橋多電平逆變電路輸出電壓波形；
[0028] 圖4是本發明實施例二極管箝位全橋多電平逆變電路輸出電壓的傅立葉波形；
[0029] 圖5是本發明實施例負載諧振電路感應線圈輸出電流波形；
[0030] 圖6是本發明實施例分壓電容和分壓電容C2的電壓波形。
[0031] 圖中，1.直流電源，2.二極管箝位全橋多電平逆變電路，3.單感應線圈負載電路， 4.分壓電容0 2的電壓波形，5.分壓電容(^的電壓波形。
【具體實施方式】
[0032] 下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明進行詳細說明。
[0033] 本發明雙頻率感應加熱電源，如圖1所示，包括二極管箝位全橋多電平逆變電路 2,二極管箝位全橋多電平逆變電路2分別與直流電源1和單感應線圈負載電路3連接；
[0034] 二極管箝位全橋多電平逆變電路2由三個串聯支路并聯而成，串聯支路一由分壓 電容Ci和分壓電容C 2串聯組成，串聯支路二由功率開關管MOSFET Gal、功率開關管M0SFET Ga2、功率開關管MOSFET Ga3、功率開關管MOSFET Ga4串聯組成，串聯支路三由功率開關管 MOSFET Gbl、功率開關管MOSFET Gb2、功率開關管MOSFET Gb3、功率開關管MOSFET Gb4串聯組成； 分壓電容Q、功率開關管MOSFET Gal的漏極、功率開關管MOSFET Gb4的漏極分別與直流電源 1的正極連接，分壓電容C2、功率開關管MOSFET Ga4的源極、功率開關管MOSFET Gbl的源極分 別與直流電源1的負極連接；功率開關管MOSFET Ga2和功率開關管MOSFET Ga3還并聯有箝 位支路一，箝位支路一由二極管乂01和二極管VD2串聯組成，功率開關管MOSFET Gb3和功率 開關管MOSFET Gb2之間還并聯有箝位支路二，箝位支路二由二極管VD3和二極管VD4串聯組 成；分壓電容Ci和分壓電容C2之間的節點、二極管VDi和二極管VD2之間的節點、二極管VD 3 和二極管VD4之間的節點均接地；
[0035] 單感應線圈負載電路3由感應線圈L和輔助諧振電路連接組成，輔助諧振電路由 諧振電感U和諧振電容C 3串聯后再與諧振電容C4并聯而成；輔助諧振電路連接至功率開 關管MOSFET Ga2和功率開關管MOSFET Ga3之間的節點，感應線圈L連接至功率開關管M0SFET Gb2和功率開關管MOSFET Gb3之間的節點。
[0036] 用于雙頻率感應加熱電源的二極管箝位全橋多電平逆變電路的控制方法，如圖2 所示，G al?Gb4分別對應各個功率開關管MOSFET的觸發信號，具體包括以下步驟：
[0037] 步驟1 Θ i?Θ i區間，功率開關管MOSFET Gb3、功率開關管MOSFET Ga3與二極管 VD2、二極管VD3導通，二極管箝位全橋多電平逆變電路2輸出零電壓；
[0038] 步驟θ1+α區間，二極管箝位全橋多電平逆變電路2輸出電流通過功率 開關管MOSFET Gbl、功率開關管MOSFET Gb2、功率開關管MOSFET Ga2、功率開關管MOSFET Gal 的極間反并二極管續流，二極管箝位全橋多電平逆變電路2輸出電壓E，此時輸出電壓已換 相，輸出電流未換相；
[0039] 步驟3 : θ 1+ α?Θ 2區間，功率開關管MOSFET Gal、功率開關管MOSFET Ga2、功率開 關管MOSFET Gb2、功率開關管MOSFET Gbl導通，二極管箝位全橋多電平逆變電路2輸出電壓 E，輸出電流換相；
[0040] 步驟4 : Θ 2?ji - Θ 2區間，功率開關管MOSFET Gal、功率開關管MOSFET Ga2、功率開 關管MOSFET Gb2與二極管VD4導通，分壓電容Q放電，分壓電容C2充電，二極管箝位全橋多 電平逆變電路2輸出電壓E/2 ;分壓電容(^的電壓降低，其變化量為AUa，分壓電容C2的 電壓增加，其變化量為AU e2, AUe2 = - AUa ;
[0041] 步驟5 : π - θ 2?π - Θ i區間，重復步驟3二極管箝位全橋多電平逆變電路2的運 行狀態，二極管箝位全橋多電平逆變電路2輸出電壓E ;
[0042] 步驟6 : π - Θ i?ji + Θ i區間，功率開關管MOSFET Ga2、功率開關管MOSFET Gb2和二 極管VD4、二極管VDi導通，二極管箝位全橋多電平逆變電路2輸出零電壓；
[0043] 步驟7 ^ - ji + 01+a區間，二極管箝位全橋多電平逆變電路2輸出電流 通過功率開關管MOSFET Ga4、功率開關管M0SFETGa3、功率開關管M0SFETGb3、功率開關管 M0SFETGb4的極間反并二極管續流，二極管箝位全橋多電平逆變電路2輸出電壓-E，輸出電 壓已換相，輸出電流未換相；
[0044] 步驟8:31 + 0^0?π + θ2區間，功率開關管MOSFET Gb4、功率開關管M0SFETGb3、 功率開關管M0SFETGa3、功率開關管M0SFETG a4導通，二極管箝位全橋多電平逆變電路2輸出 電壓-E，輸出電流換相；
[0045] 步驟9 : π + Θ 2?2 π - Θ 2區間，二極管VD3與功率開關管MOSFET Gb3、功率開關管 MOSFET Ga3、功率開關管MOSFET Ga4導通，分壓電容Q充電，分壓電容C2放電，二極管箝位全 橋多電平逆變電路2輸出電壓-E/2 ;分壓電容Q的電壓增加△ Ua，分壓電容C2的電壓降 低 AUC2, AUC2 = - Λυα ;
[0046] 步驟10 :2 π - θ 2?2 π - Θ i區間，重復步驟8二極管箝位全橋多電平逆變電路2 的運行狀態，二極管箝位全橋多電平逆變電路2輸出電壓-E ;
[0047] 其中，Θ i 為開關角度一、Θ 1 e [0, JI /2]，Θ 2 為開關角度二、Θ 2 e [0, JI /2]， Θ2>Θ1，α為輸出電流滯后于輸出電壓的角度。
[0048] 本發明雙頻率感應加熱電源，基于多電平技術，利用二極管箝位全橋逆變電路實 現非疊加式多電平信號輸出，增加逆變器輸出電壓基波調制范圍，擴大輸出電壓三次諧波 可調節范圍，實現雙頻功率信號的產生；采用一個諧振電感、兩個諧振電容進行串并組合， 與單感應線圈組成負載諧振電路，通過感應線圈同步輸出雙頻功率信號，負載電路拓撲結 構簡單，可實現對雙頻信號的準確選擇，提高了感應加熱電源雙頻率功率信號的可調節特 性及能量利用率。
[0049] 實施例
[0050] 直流電壓E = 80V，二極管箝位全橋多電平逆變電路2參數設置為：功率開關管開 關頻率f = 20kHz，分壓電容(^ = (^= lOmF，開關角度設置為開關角一 θ1 = 1〇°，開關角 二Θ 2 = 62°，單感應線圈負載電路3參數設置為：C3 = 16 μ F，C4 = 9 μ F，Q = 2. 2 μ H，L =1. 408 μ Η〇
[0051] 圖3為逆變電路輸出電壓波形，圖4是逆變電路輸出電壓的傅立葉波形，圖5為感 應線圈電流波形，圖6為分壓電容Q和分壓電容C 2的電壓波形，由圖3-圖6可以看出，本 發明的二極管箝位全橋多電平逆變電路2能產生具有雙頻率功率輸出的多電平電壓信號， 輸出電壓含有較大的基波和低次諧波；單感應線圈負載電路3能通過單感應線圈同步傳輸 雙頻率信號能量，負載電路具有很好的選頻特性，感應加熱電源具有較高的能量利用率。另 夕卜，本發明提出的二極管箝位全橋多電平逆變電路的觸發方式，改善了二極管箝位全橋逆 變電路分壓電容的電壓均衡問題。
【權利要求】
1. 雙頻率感應加熱電源，其特征在于，包括二極管箝位全橋多電平逆變電路（2)，所述 二極管箝位全橋多電平逆變電路（2)分別與直流電源（1)和單感應線圈負載電路（3)連 接； 所述二極管箝位全橋多電平逆變電路（2)由三個串聯支路并聯而成，串聯支路一由 分壓電容(^和分壓電容C2串聯組成，串聯支路二由功率開關管MOSFET Gal、功率開關管 MOSFET Ga2、功率開關管MOSFET Ga3、功率開關管MOSFET Ga4串聯組成，串聯支路三由功率開 關管MOSFET Gbl、功率開關管MOSFET Gb2、功率開關管MOSFET Gb3、功率開關管MOSFET Gb4串聯 組成；所述分壓電容Q、功率開關管MOSFET Gal的漏極、功率開關管MOSFET Gb4的漏極分別 與直流電源（1)的正極連接，所述分壓電容(：2、功率開關管MOSFET Ga4的源極、功率開關管 MOSFET Gbl的源極分別與直流電源（1)的負極連接；所述功率開關管MOSFET Ga2和功率開關 管MOSFET Ga3還并聯有箝位支路一，箝位支路一由二極管乂01和二極管VD2串聯組成，所述 功率開關管MOSFET Gb3和功率開關管MOSFET Gb2之間還并聯有箝位支路二，箝位支路二由二 極管VD3和二極管VD4串聯組成；所述分壓電容Q和分壓電容C 2之間的節點、二極管VDi和 二極管VD2之間的節點、二極管VD3和二極管VD 4之間的節點均接地。
2. 如權利要求1所述的雙頻率感應加熱電源，其特征在于，所述單感應線圈負載電路 (3)由感應線圈L和輔助諧振電路連接組成，所述輔助諧振電路由諧振電感Q和諧振電容 C3串聯后再與諧振電容C4并聯而成。
3. 如權利要求1所述的雙頻率感應加熱電源，其特征在于，所述輔助諧振電路連接至 功率開關管MOSFET Ga2和功率開關管MOSFET Ga3之間的節點，所述感應線圈L連接至功率開 關管MOSFET Gb2和功率開關管MOSFET Gb3之間的節點。
4. 用于雙頻率感應加熱電源的二極管箝位全橋多電平逆變電路的控制方法，具體包括 以下步驟： 步驟1 Θ i?Θ i區間，功率開關管MOSFET Gb3、功率開關管MOSFET Ga3與二極管VD2、 二極管VD3導通，二極管箝位全橋多電平逆變電路（2)輸出零電壓； 步驟2 : Θ i?θ 1+α區間，二極管箝位全橋多電平逆變電路（2)輸出電流通過功率開 關管MOSFET Gbl、功率開關管MOSFET Gb2、功率開關管MOSFET Ga2、功率開關管MOSFET Gal的 極間反并二極管續流，二極管箝位全橋多電平逆變電路（2)輸出電壓E，此時輸出電壓已換 相，輸出電流未換相； 步驟3 : θ 1+ α?Θ 2區間，功率開關管MOSFET Gal、功率開關管MOSFET Ga2、功率開關管 MOSFET Gb2、功率開關管MOSFET Gbl導通，二極管箝位全橋多電平逆變電路（2)輸出電壓E， 輸出電流換相； 步驟4 : Θ 2?π - Θ 2區間，功率開關管MOSFET Gal、功率開關管MOSFET Ga2、功率開關管 MOSFET Gb2與二極管VD4導通，分壓電容Q放電，分壓電容C2充電，二極管箝位全橋多電平 逆變電路⑵輸出電壓E/2 ;分壓電容(^的電壓降低，其變化量為AUa，分壓電容C2的電 壓增加，其變化量為AU C2, AUC2 = - AUa ; 步驟5 : π - θ 2?π - Θ i區間，重復所述步驟3二極管箝位全橋多電平逆變電路（2)的 運行狀態，二極管箝位全橋多電平逆變電路（2)輸出電壓E; 步驟6 : π - Θ i?π + Θ i區間，功率開關管MOSFET Ga2、功率開關管MOSFET GbjP二極管 VD4、二極管VDi導通，二極管箝位全橋多電平逆變電路（2)輸出零電壓； 步驟+ π + θ1+α區間，二極管箝位全橋多電平逆變電路（2)輸出電流通過 功率開關管MOSFET Ga4、功率開關管MOSFETGa3、功率開關管MOSFETGb3、功率開關管MOSFETG b4 的極間反并二極管續流，二極管箝位全橋多電平逆變電路（2)輸出電壓-E，輸出電壓已換 相，輸出電流未換相； 步驟8:31 + 0^0?π + θ2區間，功率開關管MOSFET Gb4、功率開關管MOSFETGb3、功率 開關管MOSFETGa3、功率開關管MOSFETGa4導通，二極管箝位全橋多電平逆變電路（2)輸出電 壓-E，輸出電流換相； 步驟9 : π + θ2?2π-θ2區間，二極管VD3與功率開關管MOSFET Gb3、功率開關管 MOSFET Ga3、功率開關管MOSFET Ga4導通，分壓電容Q充電，分壓電容C2放電，二極管箝位全 橋多電平逆變電路（2)輸出電壓-E/2 ;分壓電容(^的電壓增加 AUa，分壓電容C2的電壓 降低 AUC2, AUC2 = _AUC1 ; 步驟10 :2 π - θ 2?2 π - Θ i區間，重復所述步驟8二極管箝位全橋多電平逆變電路（2) 的運行狀態，二極管箝位全橋多電平逆變電路（2)輸出電壓-E ; 其中，Θ i為開關角度一、Θ i e [〇, π /2]，Θ 2為開關角度二、Θ 2 e [〇, π /2]，θ 2> Θ ^ α為輸出電流滯后于輸出電壓的角度。
【文檔編號】H05B6/04GK104052324SQ201410289224
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年6月24日 優先權日:2014年6月24日
【發明者】冷朝霞, 劉慶豐, 尚麥霞, 田地 申請人:西安理工大學