Адаптивный алгоритм самовозбуждения транзисторного инвертора напряжения для установок индукционного нагрева

 

Васильев Александр Сергеевич,

доктор технических наук, профессор,

Патанов Дмитрий Александрович,

кандидат технических наук, старший научный сотрудник,

Тихомиров Илья Сергеевич,

соискатель.

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет.

 

Предложен алгоритм управления, обеспечивающий снижение коммутационных потерь в транзисторах инвертора напряжения, работающего на индукционную нагрузку. Рассмотренный алгоритм дает возможность повысить энергетические показатели источников питания установок индукционного нагрева и расширить их частотный диапазон.

 

С появлением новых, полностью управляемых, силовых приборов MOSFET и IGBT, транзисторные инверторы на их основе, стали успешно применяться в составе источников питания установок индукционного нагрева [3]. Одной из основных схем транзисторных инверторов является инвертор напряжения. При использовании в составе источника питания инвертора напряжения, как правило, применяется частотный способ регулирования выходной мощности и неуправляемый выпрямитель [3]. Основной недостаток такой структуры построения источника питания это ухудшение коммутационных процессов и загрузка реактивным током силовых транзисторов инверторного моста при отклонении от резонансного режима. Это приводит к увеличению потерь в транзисторах, что накладывает ограничение на частотный диапазон транзисторного инвертора.

Для транзисторного инвертора напряжения оптимальным режимом является работа на частоте немного большей собственной частоты нагрузочного резонансного контура [1, 2]. В этом режиме обеспечивается минимальный уровень потерь в силовых транзисторах. Наиболее выгодной структурой построения источника питания является структура с использованием управляемого выпрямителя для регулирования выходной мощности источника, при этом инвертор должен всегда работать с оптимальным рассогласованием. Основной проблемой для реализации такой структуры источника питания является определение оптимального рассогласования.

Индукционная нагрузка является нагрузкой с переменными параметрами. В процессе нагрева изменяется активное и реактивное сопротивления индукционной системы. Это приводит к изменению собственной частоты нагрузочного резонансного контура, образованного системой индуктор – деталь и конденсатором, компенсирующим реактивную мощность индукционной системы. Данная особенность индукционной нагрузки приводит к необходимости разрабатывать алгоритмы управления, которые обеспечивают оптимальную коммутацию транзисторов инверторного моста при изменяющихся параметрах индукционной системы.

Оптимальное индуктивное рассогласование транзисторного инвертора напряжения с самовозбуждением обеспечивается путем снятия импульса управления с силовых транзисторов проводящей диагонали в момент, когда ток этих транзисторов достигнет значения i_ref(opt), оптимального для коммутации. Величину этого тока можно определить следующим образом.

Рассмотрим рис. 1. Пусть площадь закрашенной фигуры (S_ABC) есть заряд, при оптимальной коммутации, обозначим его как Q_opt. При малой величине Dt, что характерно для небольшой индуктивной расстройки, можно допустить, что фигура ABC является треугольником, тогда

.                                        (1)

где i_ref(opt) – оптимальный ток коммутации силовых транзисторов. Решая выражение (1) относительно Dt, получим

.                                                                                  (2)

 

Рис. 1. Определение момента оптимальной коммутации.

 

Тангенс угла α можно определить следующими способами:

1.                  из треугольника ABC, как

;                                                                 (3)

2.                  как производную функции i = f (t) в точке C

т. е. .                                                                                      (4)

Приравнивая выражения (3) и (4) получим

.                                                                             (5)

Подставим вместо Dt выражение (2), тогда

.                                                                      (6)

Решая уравнение (6) относительно i_{ref (opt)} получим

.                                                                         (7)

Для упрощения системы управления приведем формулу 7 к виду

 где .                                                 (8)

Величина заряда Q_opt характеризует коммутационные способности силового транзистора. Данный параметр зависит от температуры полупроводниковой структуры, тока и напряжения транзистора и может изменяться в некотором диапазоне. Ориентировочное значение данного параметра можно определить следующим образом:

                                                                                               (9)

где С – проходная емкость силового транзистора, U – напряжение на инверторе.

Для надежной работы инверторного моста с минимальными коммутационными потерями при изменяющихся параметрах нагрузки, характерных для технологий индукционного нагрева, необходимо корректировать величину параметра Q_opt в процессе работы инвертора и адаптировать ее к изменяющимся условиям работы транзисторных ключей, эту функцию должна выполнять адаптивная система управления.

Безинерционная система генерации импульсов управления с заданным фазовым сдвигом между выходным током и напряжением инвертора, обеспечивающим «мягкую» коммутацию силовых транзисторов при работе на переменную нагрузку может быть построена по принципу самовозбуждения. Для корректировки параметра Q_opt в систему самовозбуждения необходимо ввести блок адаптации.

 

Рис. 2. Функциональная схема транзисторного инвертора напряжения с самовозбуждением.

 

Функциональная схема транзисторного инвертора напряжения показана на рис. 2. Основными блоками системы управления являются:

1.             ФИАПЧ – формирователь импульсов с автоподстройкой частоты, построенный по принципу самовозбуждения, настраивает частоту работы инвертора на частоту нагрузочного контура, обеспечивая индуктивную расстройку с минимальным фазовым сдвигом для мягкой коммутации транзисторов.

2.             ДТ – датчик тока нагрузочной диагонали.

3.             ДН1, ДН2 – датчики напряжений силовых транзисторов.

4.             ДР1…ДР4 – драйверы.

5.             ВУ – вычислитель уставки, определяет уставку тока для оптимального момента выключения силовых транзисторов. Данный блок каждую половину периода определяет амплитуду и период тока протекающего в нагрузке и вычисляет по формуле (8) уставку для обеспечения оптимальной коммутации силовых транзисторов.

6.             БА – блок адаптации, оценивает, как прошла коммутация транзисторов и в соответствии с этим регулирует ширину импульсов увеличивающих и уменьшающих коэффициент К.

Структурная схема адаптивной системы самовозбуждения транзисторного инвертора напряжения представлена на рис. 3. Основными блоками этой системы являются:

1.             Блок выключения транзисторов (1 – для транзисторов X1, X4, 2 – для транзисторов X2, X3) – в нужные моменты времени подает импульсы для выключения силовых транзисторов.

2.             Блок включения транзисторов (1 – для транзисторов X1, X4, 2 – для транзисторов X2, X3) – в нужные моменты времени подает импульсы для включения силовых транзисторов.

3.             Управляющие триггеры 1, 2.

4.             Блоки измерения амплитуды (1 – положительная полуволна, 2 – отрицательная полуволна) – измеряют амплитудное значение тока, протекающего через транзисторы.

5.             Блоки измерения периода (1 – положительная полуволна, 2 – отрицательная полуволна) – измеряют период тока, протекающего через транзисторы.

6.             Блоки вычисления (1 – положительная полуволна, 2 – отрицательная полуволна) оптимального тока выключения силовых транзисторов.

7.             Блок оценки качества коммутации (1 – для транзисторов X1, X4, 2 – для транзисторов X2, X3) – оценивает, как прошла коммутация транзисторов и в соответствии с этим регулирует ширину импульсов увеличивающих и уменьшающих коэффициент К.

Для реализации адаптивного блока введен дополнительный блок включения силовых транзисторов, который выполняет следующую функцию, если после выключения одной пары транзисторов, например X1, X4 (момент времени t₁ рис.4) процесс перезаряда емкостей не завершится и напряжение на включаемых транзисторах X2, X3 не достигнет уставки u_{уст X2,X3} до перехода тока нагрузочной диагонали через ноль, то этот блок выдает импульс на включение управляющего триггера 2 в момент перехода тока нагрузки через ноль и тем самым включает транзисторы X2, X3.

Временные диаграммы, поясняющие работу системы самовозбуждения, показаны на рис. 4. Пусть проводят транзисторы X1 и X4. Сигнал с датчика тока i_ДТ поступает на блок выключения транзисторов и на формирователь уставки. Блок измерения амплитуды 1 измеряет и фиксирует максимальную величину тока I_m1, протекающего через транзисторы X1, X4, а блок измерения периода 1 фиксирует период T₁. Значения I_m1 и T₁ передаются на блок вычисления уставки 1. С момента перехода тока транзисторов через амплитудное значение на блок выключения транзисторов подается уставка i_{уст X1,X4}, вычисленная по формуле 8. При достижении током транзисторов значения i_{уст X1,X4} (точка А на рис. 4) блок выключения транзисторов выдает импульс и отключает управляющий триггер 1, тем самым отключая силовые транзисторы X1, X4. С этого момента начинаются процессы закрытия полупроводниковой структуры силовых транзисторов и перезаряда их внутренних емкостей. Как только напряжение на транзисторах другой диагонали X2, X3 достигнет некоторого значения u_{уст X2,X3} (точка B на рис. 4) блок включения транзисторов включает управляющий триггер 2, тем самым включая силовые транзисторы X2, X3. Амплитуда I_m2 и период T₂ тока, протекающего через транзисторы X2, X3 фиксируются блоком измерения амплитуды 2 и блоком измерения периода 2 соответственно.

 

Рис. 3. Структурная схема адаптивной системы самовозбуждения транзисторного инвертора напряжения.

 

Рис. 4. Самовозбуждение транзисторного инвертора напряжения.

 

Значения I_m2 и T₂ передаются на блок вычисления уставки 2. С момента перехода тока транзисторов через амплитудное значение на блок выключения транзисторов подается уставка i_{уст X2,X3}, вычисленная по формуле 8. При достижении током транзисторов значения i_{уст X2,X3} (точка C на рис. 4), блок выключения транзисторов отключает управляющий триггер 2, тем самым, отключая силовые транзисторы X2, X3. С этого момента начинаются процессы закрытия полупроводниковой структуры силовых транзисторов и перезаряда их внутренних емкостей. Как только напряжение на транзисторах другой диагонали X1, X4 достигает некоторого значения u_{уст X1,X4} (точка D на рис. 5) блок включения транзисторов включает управляющий триггер 1, тем самым включая силовые транзисторы X1, X4 эти процессы повторяются каждый последующий период.

Если процесс перезаряда внутренних емкостей силовых транзисторов не завершился до перехода тока нагрузочной диагонали через ноль, то включение другой пары транзисторов осуществляется по импульсу 1´(2´), при переходе тока нагрузки через ноль.

Блок оценки качества коммутации определяет, как прошло включение транзисторов, по импульсу 1(2) или по импульсу 1´(2´). Если включение осуществилось по импульсу 1(2), то значит, процесс перезаряда емкостей полностью завершился до перехода тока нагрузки через ноль и, следовательно, можно еще приблизиться к резонансу, чтобы снизить потери выключения транзисторов.

Для этого блок оценки качества коммутации увеличивает ширину импульса снижающего коэффициента К, что приведет к уменьшению уставки тока выключения и обеспечит следующее выключение этих транзисторов с меньшими потерями. Если же включение транзисторов осуществилось по импульсу 1´(2´), значит, процесс перезаряда емкостей не завершился до перехода тока нагрузки через ноль, следовательно, необходимо отойти от резонанса, чтобы снизить потери включения транзисторов. При этом блок оценки качества коммутации выдает только сигнал на увеличение коэффициента К, что приведет к увеличению уставки тока отключения и обеспечит снижение потерь включения этих транзисторов при следующей коммутации.

Предложенный адаптивный алгоритм управления транзисторным инвертором напряжения поддерживает оптимальную коммутацию силовых транзисторов и обеспечивает устойчивую работу транзисторного инвертора напряжения в различных динамических режимах, характерных для источников питания установок индукционного нагрева. Данный алгоритм управления позволит разрабатывать надежные, высокоэффективные, универсальные источники питания для различных индукционных технологий.

 

Литература.

 

1.                  Коммутационные процессы в транзисторных инверторах для индукционного нагрева/ Бондаренко Д.Н., Дзлиев С.В., Патанов Д.А.// Изв. ГЭТУ. - 1996. - Вып. 497. - С.98-110.

2.                  Общие проблемы снижения коммутационных потерь в инверторах напряжения / Д.А. Патанов // Журнал «Схемотехника» №7, 2001 г.

3.                  Современные энергосберегающие электротехнологии: Учеб. Пособие для вузов / Ю.И. Блинов, А.С. Васильев, А.Н. Никаноров и др. – СПб: Изд-во СПБГЭТУ «ЛЭТИ», 2000.-564 с.: ил.

 

Поступила в редакцию 21.07.2008 г.