本发明涉及电子电路技术，具体的说是涉及一种基于全桥逆变拓扑的谐振频率加倍的感应加热电源。本发明包括全桥逆变电路和负载匹配变压器以及分离谐振电容；其中，全桥逆变电路由逆导型IGBT开关管S1U、S1D、S2U、S2D构成，全桥逆变电路接电源电压Vd；其中S1U和S1D相连构成左桥臂，S2U和S2D相连构成右桥臂。变压器初级线圈包括2组，其匝数分别为Np1和Np2且Np1和Np2相等，Np1和Np2的同名端分别接左桥臂中点和右桥臂中点，异名端相连接，次级线圈接谐振负载L和R。分离的谐振电容C1和C2串联接电源Vd，串联的结点接变压器初级线圈的异名端。发明的有益效果为：谐振负载工作的频率是IGBT开关频率的两倍，尤其适用于对频率要求较高感应加热电源。
1.一种基于全桥逆变电路的倍频感应加热电源，包括全桥逆变电路和负载匹配变压器以及分离谐振电容；其中，全桥逆变电路由逆导型IGBT开关管第一开关管(S1U)、第二开关管(S1D)、第三开关管(S2U)、第四开关管(S2D)构成，全桥逆变电路接电源电压(Vd)；其中第一开关管(S1U)和第二开关管(S1D)相连构成左桥臂，第三开关管(S2U)和第四开关管(S2D)相连构成右桥臂，第一开关管(S1U)和第三开关管(S2U)的集电极接电源电压(Vd)的正极，第二开关管(S1D)和第四开关管(S2D)的发射极接电源电压(Vd)的负极；第一开关管(S1U)的发射极和第二开关管(S1D)的集电极相连接构成左桥臂中点，第三开关管(S2U)的发射极和第四开关管(S2D)的集电极相连接构成右桥臂中点；负载匹配变压器包括变压器初级线圈和变压器次级线圈；变压器初级线圈包括2组，其匝数分别为第一匝数(Np1)和第二匝数(Np2)且第一匝数(Np1)和第二匝数(Np2)相等，第一匝数(Np1)线圈的同名端接左桥臂的中点，第二匝数(Np2)线圈的同名端接右桥臂的中点，第一匝数(Np1)和第二匝数(Np2)的异名端相连接，构成初级线圈中点；变压器的次级线圈从同名端开始依次串接等效电感和等效电阻到异名端；分离谐振电容包括第一电容(C1)和第二电容(C2)；第一电容(C1)和第二电容(C2)串联跨接在电源(Vd)两端，串联结点构成电容中点，电容中点与变压器的初级线圈中点连接；第一开关管(S1U)、第二开关管(S1D)、第三开关管(S2U)、第四开关管(S2D)的驱动信号的周期相等均为2T，且均为高电平占空比为25％的方波信号；其中，在一个周期2T内，驱动信号上升沿的时序关系为：第二开关管(S1D)上升沿滞后于第一开关管(S1U)上升沿T/2，第三开关管(S2U)上升沿滞后于第二开关管(S1D)上升沿T/2，第四开关管(S2D)上升沿滞后于第三开关管(S2U)上升沿T/2。
一种基于全桥逆变电路的倍频感应加热电源
技术领域
[0001] 本发明属于电子电路技术，具体的说是涉及一种基于全桥逆变电路的倍频感应加热电源。
背景技术
[0002] 感应加热是相对于传统电阻的电流热效应加热及火焰加热而言的一种新型加热方式，它是一种高效、节能、节材、环保、安全的先进加热技术。感应加热电源的核心器件是电力半导体功率器件，电力半导体器件的制造水平(功率容量、工作频率、损耗等)决定了感应加热电源的技术水平。随着感应加热电源的应用不断拓展到各个领域，对感应加热电源的要求越来越高，不仅是功率容量越来越大，加热交变电流的频率也越来越趋向高频化。传统的场效应晶体管(MOSFET)的工作频率高，但是功率容量小，因此在中大功率感应加热电源中绝缘栅双极性晶体管(IGBT)单管和模块被逐渐采用，IGBT由于有拖尾电流因此工作频率较难提高。虽然采用软开关技术可以提高器件的工作频率，但是软开关需要加入谐振网络，这会导致设备的成本上升，也会影响设备的稳定性。
发明内容
[0003] 本发明的目的是提供一种用于高频淬火的基于全桥逆变电路的感应加热电源。
[0004] 本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：
[0005] 一种基于全桥逆变电路的感应加热电源，包括全桥逆变电路和负载匹配变压器以及分离谐振电容；其中，全桥逆变电路由逆导型IGBT开关管S1U、S1D、S2U、S2D构成，全桥逆变电路接电源电压Vd；其中S1U和S1D相连构成左桥臂(leg1)，S2U和S2D相连构成右桥臂(leg2)，S1U和S2U的集电极接电源电压Vd的正极，S1D和S2D的发射极接电源电压Vd的负极；S1U的发射极和S1D的集电极相连接构成左桥臂中点，S2U的发射极和S2D的集电极相连接构成右桥臂中点。
[0006] 变压器初级线圈包括2组，其匝数分别为Np1和Np2且Np1和Np2相等，Np1线圈的同名端接左桥臂的中点，Np2线圈的同名端接右桥臂的中点，Np1和Np2的异名端相连接，构成初次线圈中点。变压器的次级线圈从同名端开始依次串接等效电感和等效电阻到异名端。
[0007] 谐振电容C1和C2串联跨接在电源Vd两端，串联结点构成电容中点，电容中点与变压器的初级线圈中点连接。
[0008] 开关管S1U、S1D、S2U、S2D的驱动信号的周期相等均为2T，且均为高电平占空比为25％的方波信号；其中，在一个周期2T内，驱动信号上升沿的时序关系为：S1D上升沿滞后于S1U上升沿T/2，S2U上升沿滞后于S1D上升沿T/2，S2D上升沿滞后于S2U上升沿T/2。
[0009] 本方案在传统的全桥逆变基础上，修改了谐振电容和匹配变压器的组成；将一个谐振电容分为两个，组成了一只桥臂；而将变压器的初级线圈分成两个，次级线圈保持不变；驱动信号采用25％的分时扫描的方法。这样在不增加IGBT的情况下，解决了频率加倍的问题。传统的倍频是在每只IGBT上均并联IGBT，这样增加了驱动信号的个数和复杂程度。本发明可以方便地对传统拓扑进行直接改进，同时也很方便控制。
附图说明
[0010] 图1为本发明的基于全桥逆变电路的感应加热电源的电路结构图；
[0011] 图2为开关管驱动波形示意图；
[0012] 图3为仿真模式下负载R的电流波形和开关管的波形示意图；
具体实施方式
[0013] 下面结合附图，详细描述本发明的技术方案
[0014] 本发明的基于全桥逆变电路的感应加热电源，如图1所示为本发明的硬件单元，包括全桥逆变拓扑，谐振电容，负载和负载匹配变压器。全桥逆变拓扑由电源和逆导型IGBT开关管S1U、S1D、S2U、S2D及其驱动构成，全桥逆变电路接电源电压Vd；其中S1U和S1D相连构成左桥臂(leg1)，S2U和S2D相连构成右桥臂(leg2)。变压器初级线圈包括2组，其匝数分别为Np1和Np2且Np1和Np2相等，Np1和Np2的同名端分别接左桥臂中点和右桥臂中点，异名端相连接，次级线圈匝数为Ns，从同名端开始依次接谐振负载L和R。分离的谐振电容C1和C2串联接电源Vd，串联的结点接变压器初级线圈的异名端。
[0015] 由上述电路结构可得：被加热负载的固有谐振频率为 其中，等效谐振2
电感Lp＝(Np1/Ns)L，等效谐振电容C＝C1+C2。为使Np1和C1及C2谐振，开关管S1U和S1D需以相同占空比轮流导通，设S1U和S1D的导通时间之和为T，为保持谐振，T＝1/fr。由于Np1＝Np2，同理为使Np2和C1及C2谐振，开关管S2U和S2D也需以相同占空比轮流导通，且导通时间之和也为T，因此S1U、S1D、S2U、S2D的驱动信号轮流导通，且导通时间均为T/2，如图2所示，每个IGBT的开关周期为2T，占空比为25％，则其开关频率fS＝1/2T＝fr/2，故可得fr＝
2fS。
[0016] 由对所述电路的分析可得，在现有的IGBT能达到的开关频率fS下，本发明的加热电源可用于加热固有频率为2fS的负载，因此大大增加了感应加热电源的应用范围，也减小了单个IGBT的开关损耗，使得现有的低频率的IGBT及其配套驱动也能用于高频感应加热。
[0017] 仿真分析：
[0018] 本发明的理论、参数及实验结果在Matlab/Simulink里进行了仿真，仿真所需要的参数如下：
[0019] Vd＝540V；
[0020] Np1＝Np2＝12；
[0021] Ns＝2；
[0022] L＝18.1uH；
[0023] R＝0.8Ω；
[0024] fS＝29.5/2＝14.75KHz；
[0025] C1＝C2＝22.5nF；
[0026] 仿真的负载电阻R的电流波形和开关管S1U、S1D、S2U、S2D的驱动波形如附图3所示，由图可知负载电流的频率是开关管工作频率的两倍。
