中频炉电源的拓扑结构设计

中频炉电源的拓扑结构是其性能和效率的关键。

主要的拓扑结构包括串联谐振、并联谐振以及配套的半桥和全桥逆变器。

一、 基本谐振拓扑

感应加热的负载（感应线圈和炉料）通常是感性和电阻性的。为了实现高效的电能传输和软开关，电源通常采用谐振电路与负载配合。

串联谐振 (Series Resonant, SR)

• 电路结构: 谐振电容C与感应线圈L和等效负载电阻 Req 串联。负载 Req + jwL 串联了一个谐振电容 C。
• 特性:
  • 在谐振频率附近，电路的阻抗最小，电流最大。
  • 逆变器输出的电流是正弦波。
  • 负载特性: 呈现电压源特性，输出电压与负载电流成正比。
  • 控制: 主要通过调节频率（频率大于或略小于谐振频率）或占空比来控制输出功率。
• 对加热性能和效率的影响:
  • 优势: 结构简单，功率器件易于实现零电流开关（ZCS），损耗较低，效率高。
  • 应用:中功率、高频率应用较多，适合对加热电流平滑性要求较高的场合。
  • 缺点: 负载变化（如炉料熔化过程中）会导致谐振频率偏移，需要宽范围的变频控制，控制相对复杂。

并联谐振 (Parallel Resonant, PR)

• 电路结构: 谐振电容 $C$ 与感应线圈 $L$ 和等效负载电阻 $R_{eq}$ 并联。
• 特性:
  • 在谐振频率附近，电路的阻抗最大，电流最小（流入谐振回路的电流）。
  • 逆变器输出的电压是方波或准方波。
  • 负载特性: 呈现电流源特性，输出电流与负载电压成正比。
  • 控制: 主要通过调节频率（频率小于或略小于谐振频率）或占空比来控制输出功率。
• 对加热性能和效率的影响:
  • 优势: 并联谐振的等效阻抗较高，对输入直流母线电压的要求相对较低，适合高电压、大功率的场合。易于实现宽范围的负载适应性。
  • 应用:大功率、中频（如传统的中频熔炼炉）应用较多。
  • 缺点: 谐振电流在并联电容和感应线圈中循环，电流较大，可能对器件的耐流能力要求较高。逆变器功率器件通常实现零电压开关（ZVS），但实现难度和控制复杂度略高于串联谐振的ZCS。

二、 逆变器拓扑（功率级）

谐振电路需要由逆变器驱动，将直流电（通常由整流器提供）转换为高频交流电。主要的逆变器拓扑是半桥和全桥。

半桥逆变器 (Half-Bridge Inverter)

• 电路结构: 由两个功率开关管（如IGBT或MOSFET）和一个分压电容组组成。
• 优势:
  • 元件数量少，成本较低。
  • 控制简单，易于驱动。
  • 适用于中、低功率场合。
• 劣势:
  • 输出电压为直流母线电压的一半 ($\frac{V_{dc}}{2}$)，输出功率受限。
  • 需要使用大容量的分压电容，体积和成本增加。

全桥逆变器 (Full-Bridge Inverter)

• 电路结构: 由四个功率开关管组成H桥结构。
• 优势:
  • 输出电压为直流母线电压 Vdc，功率容量大。
  • 不需要大容量的分压电容，效率更高。
  • 开关管电流应力相对较小，适用于大功率场合。
• 劣势:
  • 元件数量加倍，成本较高。
  • 控制和驱动电路相对复杂。

三、 拓扑组合及应用比较

在实际中，感应加热电源的拓扑结构是逆变器拓扑和谐振拓扑的组合。

总结

• 功率等级：全桥优于半桥，适用于大功率中频炉。
• 效率和软开关：
  • 串联谐振 (SR) 易于实现零电流开关 (ZCS)，在低频损耗大、高频损耗小的场合效率很高。
  • 并联谐振 (PR) 易于实现零电压开关 (ZVS)，在大功率、高电压场合效率表现优秀。
• 加热性能：
  • 串联谐振提供类正弦电流，波形质量高，适用于对加热均匀性和波形要求较高的场合。
  • 并联谐振具有电流源特性，负载适应性好，适合于负载变化大的熔炼、保温等场合。

选择哪种拓扑结构，需要综合考虑加热功率、工作频率、负载变化范围、成本以及对加热工艺（如加热速度、温度均匀性）的要求。