第53卷第1期2019年1月
电力电子技术
Power Electronics
Vol.53,No.l
January2019基于SiC器件的固态超高频感应加热电源 石新春>，马莽原1，付超1，柴艳鹏2
(1.新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)，河北保定071003；
2.保定四方三伊电气有限公司，河北保定071051)
摘要：固态超高频感应加热电源由于工作频率高，工作状态受到主电路结构和器件性能的影响，工作频率和输出功率难以提升。通过能量守恒和傅里叶分解的方法，分析了双开关电路的工作原理和工作特性。釆用SiC器件和双开关电路制作了一台1MHz/1kW的实验样机，并给出了实验结果。结果表明该电路具有电压泵升作用；母线损耗减小，杂散电感无影响；设计的负载电路和釆用的SiC器件减小了寄生参数； 开关器件无需设置死区时间，可以提升工作频率，且工作于近似零电压的开关模式，降低了开关损耗。
关键词：电源；双开关电路；感应加热；超高频
中图分类号:TN86文献标识码：A文章编号:1000-100X(2019)01-0072-03
A Ultra-high-frequency Induction Heating Power Supply Based on SiC Devices
SHI Xin-chun1,MA Mang-yuan1,FU Chao',CHAI Yan-peng2
(1.State Key Laboratory of A Iternaie Electrical Power System With Renewable Energy Sources,
North China Electric Power University,Baoding071003,China)
Abstract:The solid state ultra-high-frequency induction heating power supply is affected by the main circuit structure and device performance due to its high working frequency.The working frequency and output power are difficult to improve.The operation principle and the characteristics of the double-switch circuit are analysed by using energy conservation law and Fourier decomposition.A1MHz/1kW prototype is built by using SiC devices and the double-switch circuit and
the experimental results are given.The results show that the circuit can pump up the voltage.The bus-bar losses can reduce and the bus-bar stray inductance has no effect.The designed load circuit and the SiC devices reduce the stray inductance and the parasitic capacitance.The switch frequency can increase without dead-time of the switch devices and the switch losses can reduce at approximately zero voltage switching mode.
Keywords:power supply；double-switch circuit；induction heating；ultra-high-frequency
1引言
超高频(>1MHz)感应加热电源在淬火、钎焊、硅区熔炉等方面有良好的应用前景⑴，但是工业生产中电子管振荡器式超高频感应加热电源效率低、寿命短〔2-刃，解决该问题的方法就是研究采用功率半导体器件的固态感应加热电源。目前，固态感应加热电源主要采用电压型串联谐振全桥逆变电路和电流型并联谐振全桥逆变电路，由于硅基二极管存在反向恢复问题，限制了电流型并联逆变电路在高频感应加热领域的应用，釆用电压型串联谐振逆变电路成为最佳选择。电压型串联谐振逆变电路在兆赫兹开关频率下，会产生巨大的开关损耗，电路中的杂散电感和分布电容也会引 定稿日期:2018-04-26
作者简介：石新春(1950-)，男，河北石家庄人，教授，研究方向为电力电子与电力传动、高频感应加热技术等。起很高的电压过冲和寄生振荡⑷，这些问题严重影响电路的正常工作，制约固态超高频感应加热电源的发展。根据已有研究成果可知，电路结构、开关器件和电路负载性质对固态超高频感应加热电源的工作频率、功率、效率和寿命等性能有决定性的影响。
SiC半导体属于宽禁带半导体，具有高压、高温、高饱和漂移速度。SiC MOSFET导通电阻和极间电容小，易于驱动和并联，SiC肖特基二极管没有反向恢复电流，适合在高频、高压的场合应用。因此釆用双开关并联谐振电路和SiC器件来研究固态超高频感应加热电源。
2电路结构和基本工作过程
此处采用的主电路结构如图1所示。电源为直流电压源E-L a为直流母线串联的储能大电感，具有储能升压作用；V，和V2为MOSFET,VU和VD?为串联的快速二极管，当负载功率因数不等
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基于SiC 器件的固态超高频感应加热电源
于1时，避免MOSFET 承受反压，防止回路形成环 流;R 和【为感应线圈和负载的等效电阻和等效电
感,C 为并联谐振电容；乩和C*构成RC 缓冲器。
图1电路结构
1
Ld VDC l -
J
t 二亠
c
Rs
vd 2
TJT
辺
Fig. 1 Circuit structure
汽车喷水电机
假设开关频率/等于并联负载谐振频率f 0，电
路已经进入稳定工作状态，忽略重叠区的影响，电
路的工作过程分析如下：
阶段1也导通，V2关断，E 对厶充电。阶段2 V2导通，Vi 关断,E 和厶对并联负载
RL 〃C 充电。
3电路工作特性分析
3.1负载回路阻抗特性分析
理想情况下感应加热电源的负载工作在谐振
状态，其并联负载回路的总阻抗分析如下：
Z= (/?2+w 2£2)/[/?+jw(<u 2Z 2C+ft 2C-L )]
• |Z|= 一厂--------- (1)
V /?2+<u 2[L 2C a)-m ) ]2
<p=arctan{-£2C<d[a>2-(£-/?2C)/(Z,2C)]//?}
电路发生谐振时，阻抗虚数项为零，即：
a)2L 2C+R 2C-L=0, w 0= V1/(LC)-/?7L 2 <Z 0=(w 02Z,2+/?2)/7?=£/(Z?C)
(2)
Q=a)0L/R = l/(^a)0CR ), (p=argZ o -O°
谐振时,R 对角频率的影响极小，忽略/?则有：
(o 0^l/VLC, />-1/(2tt VAC)
(3)
当皿,argZ>0。，负载阻抗呈现感性；当//,
argZ<0。，负载阻抗呈现容性；当/M,argZ=0。，负载 阻抗呈现阻性。
3.2基本工作原理分析
直流电源对负载的充电电流为周期梯形脉 冲，假设此脉冲函数为g(t)，则g{t)=f{t-d}+AI2,化纤抽丝
如图2所示。A 为负载充电电流脉冲的幅值。
T!2 T
图2周期梯形脉冲函数
Fig. 2 Periodic trapezoidal type pulse function
/(”在一个周期内的表达式:
4B
1
/(£)=-----[sinasin
) + -^- sin (3a) sin (3a )]i ) + ••• +air 9
p_sin(A:a)sin 仏如)+…]
(4)
式中:a=27rd/T ；k 为奇数；B=A/2O
根据/(£)可得一个周期内g(t)的表达式为：
g( t )二 Ad) = 4"+^-[sinasin[3ia_d)]+
Z Z OTT 1-9
丄A
2sin (3a ) sin[3© (t-d )]+•••+sin 仏 a )sin 仏s (£-d)]+…]
(5)
直流分量：
gdc(O=gb(t)=y
(6)
基波分量：
gia )= ^^-sinasin[o>i(t-d)]
(7)
测井设备air
根据以上公式可知：整个电路的工作过程等
效于一个梯形电流脉冲对并联谐振负载充电，因
此可分解为直流分量、交流分量对并联谐振负载 的充电。直流分量从电感支路通过，高频分量从电
容支路通过。
负载充电电流频率何)，根据负载回路阻抗特
性可知，基波电流的等效负载阻抗为LRRC)。负
载发生谐振，负载电压主要是基波电压分量，高次
谐波电压分量很小，可忽略，所以负载电压为：
(8)
2
臭T
EIT=(9)
设电源充电电流为/，根据能量守恒定律可
知，在一个周期T 内，电源输出的能量为：
2A
氯离子含量测定方法
—/ -----sinct
y/~2 air
由I=A 可得：
tt VRCE r _A 二 I * 鈕rce
2 厶 s in% ' 2 2 4厶 s in%7 24 •〜ivaRCE hm=——sina« -----------an Lsina i r\ r 3q L 2/4 • CIL r>厶i m~ - •——sma=——T --------E
K air sina工业机柜空调
(t ) = 2-sinosin[s (t-d ) ] Q
ot L s ina
u(t)
磊⑷](t-d)]
a C sina
%=巡,P f 罕•苹沖
sina
\2 ZLsin a
(10)
式中：a 为重叠区的1/2所对应的电角度；厶”为负载充电 电流基波幅值；人m 为谐振电感电流基波幅值；为负载
基波电压幅值;R 为电源输出的基波功率；R 为负载电阻;
L 为负载谐振电感；C 为负载谐振电容冷为负载阻抗角。
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第53卷第1期2019年1月电力电子技术Power Electronics Vol.53 , No.l January 2019
由上述公式可知：当何)时，/与E 和成正
比，与sin%成反比，与L/(RC)成反比。Adm 与E,a 和(C/厶)〃2成正比，与sina 成反比。负载电压基波
幅值与&和a 成正比，与sina 成反比。直流电
源输出的基波功率Pi 与E 2和a 2成正比，与sin 2a
成反比，与负载谐振阻抗厶/(RC)成反比，在一定 条件下可以实现低直流电压的大功率输出。
当重叠区较小，可忽略时,a=2iT (//r —►O , sina/a=
1, cosa= 1，上述公式可以简化为：
r 7T 2a 2RCE _^2RCE
2厶s in% 2L
7 24 •〜iraRCE tt RCE
< F (11) I^Ql^EVCIL , U 貯啤=f E
sina
皆卫d.丄—os 产
y/2 Vl 2L
4 实验验证
为验证理论分析，釆用SiC 器件搭建了一台
1 MHz/1 kW 的实验样机，所涉及的元器件及其参
数为:E=115 V ；平波电抗器厶=2 mH ；开关器件
V-V2 采用 C2M0080120D 型 SiC MOSFET ；串联二
极管VD-VD2釆用C4D20120D 型SiC 二极管；并
联谐振电容C=10nF ；并联谐振电感L=2 |1H ；重
叠区 2a=0.28e 。图 3 为/=1.086 MHz,£=115 V 时
触发脉冲，UpVl ,UpV2分别为V],V 2的触发脉冲，u
为负载电压,h 为电感支路电流。
压和电流相位有影响。谐振状态下，电感支路电流
幅值和负载电压幅值与理论计算符合，重叠区大
小对负载电压幅值和电流幅值影响较小，实验结
果与理论分析基本一致。
5结论
此处研究了双开关并联谐振电路的工作原理
和特点，搭建了一台1 MHz/1 kW 的实验样机进行
验证。理论分析和实验结果表明，此电源具有以下
特点：①SiC 器件耐压高，导通和开关损耗小，可
以工作在很高的频率，同时器件的极间电容很小， 减弱了寄生振荡；②具有Boost 电路的特点，直流
电压源外接大电感具有电压泵升作用，可以实现
低直流电压的大功率输出。母线电流为直流，线路
损耗很小；直流母线杂散电感无影响，不会产生电
压冲击；无需设置死区时间，可以提升开关频率的 上限;③与串联型谐振逆变器相比，双开关并联谐 振电路母线电流减小并且连续，两条开关管支路
采用并行母排工艺，杂散电感大幅减小，这些特点
降低了损耗，减弱了电压冲击和寄生振荡；当电路 工作在谐振和准谐振状态时，开关器件可实现零
电流关断和近似零电压开通，进一步减小开关损 耗;④电路结构简单、开关器件少，易于控制，降低
了成本，提高了可靠性。
手摇甘蔗榨汁机综上所述，SiC 器件和双开关并联谐振电路非 常适合在超高频、大功率的场合应用。
//(250 ns/格)(a)V,,V 2触发脉冲
“gsVl
、，
r 杯
：
-J d
"gsV2
J
图3
(b)谐振状态负载电压和电感电流
实验波形
Fig. 3 Experimental waveforms
由图3可知，负载RL 支路中电阻较大，对电参考文献
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2019年第10期“定子频率自控式同步电动机调速新技术”专辑征文启事
本刊拟将2019年第10期开辟为"定子频率自控式同步电动机调速新技术”专辑。征文的范围包括但不限于以
下：①定子频率自控式同步电动机调速系统动态建模及优化设计；②定子频率自控式同步电动机先进控制策略；③定
子频率自控式同步电动机无位置传感器技术；④定子频率自控式同步电动机瞬时转矩脉动控制技术；⑤定子频率 自控式同步电动机振动与噪声控制技术；⑥定子频率自控式同步电动机新型功率变换器拓扑等。欲投稿作者请于 2019年7月30 EJ 前将论文发送到本刊编辑部邮箱(Email ： dldzjstg@163)，并注明"定子频率自控式同步电动机 调速新技术”字样。评审结果将于2019年8月30 EJ 前通知作者。本刊将邀请河海大学王宏华教授和南京航空航天 大学周波教授为该专辑特邀主编，对论文进行点评。
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