- 頭條華電學者提出采用單向脈沖電路和SiC器件的超高頻感應加熱電源2022-06-19 作者：石新春、馬莽原 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語針對超高頻感應加熱電源中存在的輸出功率小、寄生參數引起的電壓電流沖擊嚴重、開關損耗大等問題，華北電力大學電氣與電子工程學院、保定四方三伊電氣有限公司的研究人員石新春、馬莽原、柴艷鵬、李亞斌、付超，在2021年《電工技術學報》增刊2上撰文，提出基于單向脈沖電路和SiC器件的超高頻感應加熱電源。 該電路采用RLC負載并聯諧振和單向脈沖供電的工作方式，增大輸出功率。開關器件采用新型SiC MOSFET，開關時間短，可以提升工作頻率。此外，直流母線串接大電感，可以吸收母線的雜散電感，通過的直流電流不會對開關器件產生電壓沖擊，同時，連接線路采用簡單的平行母排結構，減小了線路的雜散電感，減弱了對開關器件的電壓沖擊。開關器件工作在軟開關狀態，可以降低開關損耗。研究分析電路的工作原理和特性，并通過仿真和1MHz/1kW的樣機進行驗證。
超高頻感應加熱電源在金屬零件表面熱處理、半導體材料加工、光纖生產、焊接技術、等離子體發生等方面有著廣泛的應用。目前，電子管振蕩器是此類電源的主要產品，但是該產品存在啟動慢、效率低、壽命短的問題，因此采用功率半導體器件研制固態超高頻感應加熱電源已經成為發展趨勢。到目前為止，國內外在該領域已經取得一系列研究成果。
國外學者采用E類放大電路和硅基MOSFET實現3.3MHz/500W和7MHz/150W的小功率超高頻感應加熱電源；國外學者采用電壓源串聯型拓撲、不同形式的負載和不同封裝的硅基MOSFET實現2MHz/2kW、2MHz/6kW的超高頻感應加熱電源，半橋逆變拓撲和硅基MOSFET實現1.5MHz/7kW的超高頻感應加熱電源，電源功率得以提升，但是工作頻率降低、工藝復雜程度有所增加。
國內學者提出新型拓撲電路，并以硅基MOSFET作為開關器件，通過吸收寄生參數和采用軟開關工作模式的方法實現1MHz/1kW超高頻感應加熱電源，但是換流過程較復雜。超高頻感應加熱電源研究工作中存在的關鍵問題是：在MHz開關頻率下，由于硅基開關器件寄生電容、二極管反向恢復電流、線路雜散電感等參數的影響，電路中會出現電壓電流過沖和高頻振蕩以及較大的器件損耗，導致采用傳統的電壓源串聯型和電流源并聯型拓撲時，電源的工作頻率和輸出功率受到限制。
為了解決存在的問題，需要在電路拓撲、開關器件、線路布局和工作模式方面加以考慮。華北電力大學電氣與電子工程學院、保定四方三伊電氣有限公司的研究人員采用一種單向脈沖供電的電路拓撲和SiC器件來研究固態超高頻感應加熱電源。此電路拓撲具有形成單向高頻電流脈沖向并聯諧振負載輸出大功率和減弱線路雜散電感影響的特點，再結合SiC開關器件的優良特性和軟開關工作模式，可以在很大程度上減小電壓沖擊和開關器件損耗，使電源的工作頻率和輸出功率得以提升。
研究人員通過理論分析和仿真過程，研究了它的工作原理和特點。
- 該電路拓撲不同于E類電路和Boost電路，RLC負載工作于并聯諧振狀態，開關器件上電流波形為梯形脈沖，開關器件端電壓波形為正弦半波，開通和關斷瞬間電壓近似為零，開關器件工作于近似軟開關模式，可以減小開關損耗，理想狀態開關損耗為零；
- 在直流電壓、開關頻率和負載相同的條件下，該電路拓撲輸出的有功功率約為全橋并聯諧振逆變器的4倍，實現了低直流電壓的大功率輸出；
- 在直流母線上串接大電感，吸收了線路的雜散電感，母線上通過連續穩定的直流電流，不會對開關器件產生電壓沖擊，同時，連接線路采用工藝簡單、成本低的平行母排結構，減小了線路的雜散電感，進一步抑制了電壓沖擊；
- 在開關器件上采用新型的SiC器件，與硅基功率開關器件相比，開關時間減小，提升了電源工作頻率。
研究人員最后搭建一臺1MHz/1kW實驗樣機驗證了理論分析的正確性。
本文編自2021年《電工技術學報》增刊2，論文標題為“基于單向脈沖電路和SiC器件的超高頻感應加熱電源”，作者為石新春、馬莽原 等。
