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高频感应加热电源的过流保护优化研究
温鹏侯晨伟谢云芳
（河北农业大学机电工程学院，河北保定071000)
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摘要：高频加热电源在工业热处理领域有着广证的应用，对国民经济发展有很大的推动作用。但目前高频感应加热电源依然存在着各种不足，比如当负载谱振频率特性的无法实现有效跟踪时，发生直通现象，或输出端超路造成过流烧毁设务等。本文从电源电路改进方面来探讨研究来实现过流保护的优化。
关键词：高频感应加热；直通；过流保护
从工业上开始应用感应加热技术以来已过去将近90年了，在这期
间，感应加热电源理论和感应加热电源装置都有很大发展，特别是在全控型器件出现后，感应电源高频化，其应用领域亦随之扩大，应用范围越来越广。而根据在工业现场应用中高频加热电源出现的一些故障，研究其优化方案就具有了较强的实际意义。
1常见的高频电源中短路电流问题
一般都有着很强的电磁干扰存在于感应加热电源的实际应用现
场，负载的情况也各种各样，所以高频加热电源容易发生器件过载情况，高频电源中器件承受过载的能力较弱，当它遇到过电流或过电压时，会在较短的时间内损坏。在传统的高频电源中，调整死区宽度大小是通过对可调电阻阻值的调节以改变电客充放电时间来实现的，死区时间一且调整好就固定不变。但在工业现场难免出现负载谐振颠率跟踪失败的情况，这时负载电流就会超前或滞后于负载电压某个角度，如果该角度大于等于固定的死区时间角度，则逆变器就会发生“直通"现象，造成短路，进而毁坏器件。因此在电力电子技术中，电路工作可靠性中很重要的一个间题就是开关器件的保护间题。
2传统高频电源中的过流保护措施及问题
传统的过流保护措施有两种：一是在电路中串接快速熔断器，当出现过电流时熔丝在焊点的作用下迅速发热，断开熔丝，从而保护电路中的器件；二是检测电路中的电流，当电流超过某个设定值时，封锁驱动脉冲。对于全控型开关器件常见的保护措施是在发生过电流的情况时封锁门极脉冲，从而切断直通或短路回路，避免电流过大。面对于半控型开关器件，由于其门极无法实现关断器件，所以只能采取其它措施适当限制短路电流并在选用器件时留出足够的裕量。
以上两种方法都有一共同的缺点：当电路发生过流时保护的响应过慢。第一种方法在选用快速熔断器的额定电流值时基本与开关器件的额定电流值相当，而熔丝的瞬时过载能力要比开关器件强很多。第二种方法的实现则要通过检测、比较、驱动等环节，而这些环节则会造成定保护上的延时，常见的MOSFET管过流能力一般为几百纳秒，而检测系统检测到负载侧电流，在全波整流后得到电流幅值，与电流阔值比较得到保护信号，这个过程约为2微秒左右，相对于比较大的/dt来说，这样的检测手段不能满足要求，难以保证系统的可靠性。
3改进方法及模型建立
高频感应加热电源的过流保护优化方案可采用电流控制阻抗的方法来降低短路发生时di/dt，使检测控制系统有足够的时间检测输出电流值，之后再封锁门极脉冲，从而实现可靠保护。因此可在直流侧申接-电感，从而降低了短路时线路的didt。由于直流侧电感的存在会影响了递变器输入端的电压，故可以使用一个二极管与电感反并联的保护方式。
当逆变器正常工作时，保护单元等效阻抗极低，递变器输入端电压不受影响，即负载侧保持电压源的供电特性。当输出端短路时，短路电流经过电感，电感会降低电流的电，从而为后续的检测电流、封锁服动脉冲等保护过程提供足够的时间。
逆变输入侧电感量的选取可根据所需的保护时间来进行计算，电感量越大则抑制电流d/dt的效果越明显。
因为保护时间的计算式为（-)-L
其中1为逆变器正常工作时的电流值，1为开关器件允许的最大电流值。则有
1.7
E
U I, N
h
图1逐变保护电路仿真模型图2正常工作时仿真波形图3负载短路时仿真波形
其中I为开关器件的额定电流值，N为短路时电流上升系数。
基于PSIM软件建立电路仿真模型如图1所示。 4仿真结果
递变频率为5kHz前提下，正常工作情况下对该模型进行伤真，波形如图2所示
VP1、I1为正常工作时负载的电压电流波形，I3为反并联二极管电流。输出电压VPI峰值为100V，等于逆变输人侧电源电压U.即保护电路对输出电压没有影响。
图3为负载端在5ms处发生短路时的波形，12为输入端电感电流。短路时VP1为零，二极管关断，此时电流流经电感，面电感可抑制线路电流的di/dt。
结束语
传统高频加热电源中的电压型串联谐振逆变器负载短路保护工作不可靠，所以在工业现场应用中受到各种限制，研究开关器件的保护电路具有现实意义。本文根据保护原理，设计了保护实现方案，并建立了仿真模型，对仿真模型进行了验证。仿真结果得出了一些短路状态下的波形变化，对一些特征变化量予以分析，验证了上述有关结论。
参考文献
[JDede E J, Jordan J, Esteve V, Espi J M, Behaviour of Series and Parallel Resonant Inverters for Induction heating In Short-circuit Conditions, Power Electronics and Motion Control Conference, 2000.
Proceedings. PIEMC2000. The Third Intermational, 2000, 645649.[2除晓亮固态高频感应加热技术研究ID杭州：浙江大学.1997
技术,2005.39(4):8485,114.D0I:10.3969/.issn.1000100X.2005.04.031.
保定市科学技术研究与发展计划项目，项目编号11ZG023、11ZG024、11ZG029。