一种电磁炉准谐振软开关高频变换器

摘要

本发明是一种电磁炉准谐振软开关高频变换器。包括有交流电源(AC)、滤波器电路、整流电路、第一电感(L1)、第一电容(C1)、第二电感(L2)、第一IGBT管开关元件(Q1)、第二IGBT管开关元件(Q2)、第三电感(L3)、第二电容(C2)、第三IGBT管开关元件(Q3)、第三电容(C3)、漏磁变压器(T)、全波电压倍增器整流电路(DU)。本发明能在很宽的输出功率范围内实现开关功率管的零电流开通或关断，从而使电路开关功率损耗降到最小，能够输出稳定的高压电源，并对输出功率进行很好的调节。此外，本发明变换器由于串联电容的补偿谐振作用，使得通过工作线圈的高频电流的直流分量为零；且零电流软开关的转化范围变得更宽，工作效率更高，并可以进行恒频操作。

说明书

技术领域：

本发明是一种电磁炉准谐振软开关高频变换器，属于电磁炉准谐振软开关高频变换器的改造技术。

背景技术：

开关电源具有电能转换效率高、体积小、重量轻、控制精度高和快速性好等优点，在小功率范围内基本上取代了线性调整电源，并迅速向中大功率范围推进，在很大程度上取代了晶闸管相控整流电源。对于开关电源中所用的变换器，以前所用的硬开关技术并不能满足日益增长的对电源性能的需求，在硬开关条件下，由于开关过程中在开关器件上高速变化的电流和电压带来了很大的损耗，效率不高，噪声也大，并且会有电磁干扰，且其所能承受的频率也不能很高，随着需求的发展，需要用软开关技术来提高开关电源工作的频率，从而克服上述的缺点。一直以来，在DC-DC软开关变换器应用技术当中，零电压转换因为其所用的被动元件较少而被广泛采用。但是，基于和开关管并联的电容准谐振零电压转换变换器，与输入电流有很大关系，这个特性对软开关的范围有很大限制，同时由于尾电流的存在，有些双极性开关管，比如IGBT管在零电压转换条件下有时会不稳定。

发明内容：

本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种使得开关管可以在零电流的时候进行开通和关断，扩大软开关的变换范围的电磁炉准谐振软开关高频变换器。

本发明的技术方案是：包括有交流电源、滤波器电路、整流电路、第一电感、第一电容、第二电感、第一IGBT管开关元件、第二IGBT管开关元件、第三电感、第二电容、第三IGBT管开关元件、第三电容、漏磁变压器、全波电压倍增器整流电路，其中交流电源通过滤波器电路及整流电路将整流后的电压加到由第一电感和第一电容串联构成的直流滤波器电路，直流滤波器电路输出的直流电压施加给包括第三电容和漏磁变压器T的第一线圈绕组的串联电路，第一IGBT管开关元件和第二IGBT管开关元件串联，第三IGBT管开关元件与第一IGBT管开关元件并联，第二电感和第一IBGT管开关元件串联，第三电感和第二IGBT管开关元件串联，第二电容和第三IGBT管开关元件串联，包括第三电容和漏磁变压器的第一线圈绕组组成的串联电路与第二IGBT管开关元件和第三电感组成的串联电路并联，全波电压倍增器整流电路的输入端与漏磁变压器的第二线圈绕组的输出端连接，全波电压倍增器整流电路的输出端分别与电磁炉磁控管M的阴极和阳极连接，漏磁变压器的第三线圈绕组的输出端与电磁炉磁控管的阴极连接。

上述第一IGBT管开关元件、第二IGBT管开关元件、第三IGBT管开关元件都并联一个续流二极管。

上述第一IGBT管开关元件、第二IGBT管开关元件、第三IGBT管开关元件与按预定频率产生方波、并通过驱动信号控制开关管通断的控制驱动电路连接。

上述滤波器电路为EMI滤波器电路。

本发明由于采用了零电流软开关PWM控制的技术方案，故其能在很宽的输出功率范围内实现开关功率管的零电流开通或关断，从而使电路开关功率损耗降到最小，能够输出稳定的高压电源，并对输出功率进行很好的调节。本发明变换器同其他同类型的变换器相比，还有如下几个显著的特点：一是由于串联电容的补偿谐振作用使得通过工作线圈的高频电流的直流分量为零；二是零电流软开关的转化范围变得更宽了；三是该变换器的工作效率比较高；四是可以进行恒频操作。本发明是一种设计巧妙，性能优良，方便实用的电磁炉准谐振软开关高频变换器。

附图说明：

图1是本发明的电路原理图；

图2是本发明PWM门极驱动脉冲电压的波形图；

图3是本发明当频率固定时输入功率和IGBT管开关元件的控制通断的占空比之间的关系示意图；

图4是本发明的工作效率示意图。

具体实施方式：

实施例：

本发明的电路原理图如图1所示，包括有交流电源AC、滤波器电路1、整流电路2、第一电感L1、第一电容C1、第二电感L2、第一IGBT管开关元件Q1、第二IGBT管开关元件Q2、第三电感L3、第二电容C2、第三IGBT管开关元件Q3、第三电容C3、漏磁变压器T、全波电压倍增器整流电路DU，其中交流电源AC通过滤波器电路及整流电路将整流后的电压加到由第一电感L1和第一电容C1串联构成的直流滤波器电路，直流滤波器电路输出的直流电压施加给包括第三电容C3和漏磁变压器T的第一线圈绕组N1的串联电路，第一IGBT管开关元件Q1和第二IGBT管开关元件Q2串联，第三IGBT管开关元件Q3与第一IGBT管开关元件Q1并联，第二电感L2和第一IBGT管开关元件Q1串联，第三电感L3和第二IGBT管开关元件Q2串联，第二电容C2和第三IGBT管开关元件Q3串联，包括第三电容C3和漏磁变压器T的第一线圈绕组N1组成的串联电路与第二IGBT管开关元件Q2和第三电感L3组成的串联电路并联，全波电压倍增器整流电路DU的输入端与漏磁变压器T的第二线圈绕组N2的输出端连接，全波电压倍增器整流电路DU的输出端分别与电磁炉磁控管M的阴极和阳极连接，漏磁变压器T的第三线圈绕组N3的输出端与电磁炉磁控管M的阴极连接。上述第一IGBT管开关元件Q1、第二IGBT管开关元件Q2、第三IGBT管开关元件Q3与按预定频率产生方波、并通过驱动信号控制开关管通断的控制驱动电路连接。

本实施例中，上述第一IGBT管开关元件Q1、第二IGBT管开关元件Q2、第三IGBT管开关元件Q3都并联一个续流二极管。上述滤波器电路为EMI滤波器电路。

本发明的工作原理如下：有效值为220V、频率为50HZ的AC交流电源通过EMI滤波器电路，再经过整流电路，整流后的电压加到由第一电感L1和第一电容C1串联构成的直流滤波器电路，这个时候AC交流电压被整成DC直流电压。DC直流电压施加给包括第三电容C3和漏磁变压器T的第一线圈绕组N1的串联电路。在全波电压倍增器整流电路DU中，将漏磁变压器T的第二线圈绕组N2中所产生的高AC电压输出变换为高DC电压，然后将其加在磁控管M的阴极和阳极之间。漏磁变压器T的第三线圈绕组N3将电流提供给磁控管M的阴极。三个IGBT管开关元件由外部的控制驱动电路进行控制。驱动电路以预定频率产生方波，并将驱动信号传送到第一IGBT管开关元件Q1和第二IGBT管开关元件Q2和第三IGBT管开关元件Q3，来控制开关管的通断。

在AC交流电源后加一个EMI滤波器电路，其作用有两个：一是滤去电网传来的污染。二是防止变换器产生的高频脉冲电压串入电网，干扰其他电器设备。

本发明多谐振高频率变换器采用了零电流软开关PWM控制技，本发明的主控管为第一IGBT管开关元件Q1和第二IGBT管开关元件Q2，附控管为第三IGBT管开关元件Q3。第二电容C2为辅助的谐振电容，第二电感L2和第三电感L3为为了使两个主控开关管实现零电流通断的缓冲电感。第三电容C3起到功率因数补偿的作用。

本发明多谐振高频率变换器通过一个恒定频率的PWM控制策略，在零电流软开关的方式下，可以对交流输入功率进行连续的调节控制。图3示出了PWM门极驱动脉冲电压的波形图。恒频的PWM控制是基于一个周期内第一IGBT管开关元件Q1和第三IGBT管开关元件Q3的导通时间，从而使该变换器对输出功率进行连续的调节。第一IGBT管开关元件Q1的导通时间是可以改变的，但第三IGBT管开关元件Q3的导通时间被设定为常数，因此这两个开关管同时导通的时间就由第一IGBT管开关元件的整个导通时间来确定。进而在恒定频率下，通过改变驱动信号的占空比，可以实现输出功率的连续调节。

图3示出了当频率固定时输入功率和IGBT管开关元件的控制通断的占空比之间的关系。在本发明高频率转换器中，在零电流软开关的方式下转换器的输入功率能够进行连续调节，大约为从0.5KW到2.4KW。这种转换器的软开关的操作范围也是比较大的，占空比从0.15到0.35。

图4示出了本发明变换器的工作效率。在额定的输出条件下，本发明变换器的实际效率大约在96％。由于本发明高频率软开关转换器工作时，一个软开关的操作可以在最小输出功率，占空比为0.16的条件下完成，所以功率转化的实际效率可以充分的保持在84％。