超高频谐振感应加热电源设计之原理简析

就目前国内的感应加热电源研发情况来看，大部分的高频感应加热电源设备都已经采用了桥式串联谐振电路结构，能够有效的减少导通和关断损耗。在今明两天的方案分享中，我们将会为大家分享一种利用超高频谐振式变换器而设计的感应加热电源方案，这一方案具有2MHz/1kW的超高频特点。今天我们将会重点对这一方案的设计原理进行介绍。

E类双管谐振式逆变器工作原理

在本文所设计的超高频谐振感应加热电源方案中，全桥式谐振变换器由4只功率开关管组成，半桥式谐振变换器也要用两只功率开关管，而E类DC/AC变换器则是单管工作。它的最大特点是选取适当的负载谐振网络参数，使开关管处于最佳工作状态，即当开关管导通或断开时，只有当器件的电压或电流降为零后，才能导通或断开，这样就避免了开关器件内同时产生大的电压或电流，减小了开关转换时的器件功耗。为了提高逆变器的功率，减小单管容量，E类DC/AC变换器可采用两管并联交替工作。

在本方案中，我们所选用的E类双管DC/AC谐振式变换器的电路拓扑，如下图图1所示。从图中可以看到，在这一电路系统中，开关器件VQ1、VQ2采用MOSFET功率场效应管，L0为高频变压器和感应器折算后的等效电感，C0为谐振电容，L0和C0构成的谐振回路产生的高频电压经变压器输出供给感应器。C1为外加电容，其作用是VQ1、VQ2工作在理想的状态。

图1 E类双管交替工作DC/AC谐振式变换器电路拓扑

下图图2是我们所采用的这种新型E类双管交替工作式DC/AC谐振式变换器的工作波形。在图2中，参数Ug1、Ug2分别是VQ1、VQ2的驱动波形，其占空比为25%，这也就意味着每个开关管只有1/4导通时间，3/4处于关断时间，减小了单个开关管的容量，而且降低了对功率MOSFET开关时间的要求。

图2 E类双管交替工作DC/AC变换器工作波形

从理论上说，依据上文中图1所提供的电路拓扑结构来看，在E类双管交替工作式DC/AC谐振式变换器的工作过程中，只要功率MOSFET开关时间小于其工作周期的3/4，那么这种变换器就能正常工作。这里我们假设功率MOSFET的开关时间ton+toff=100ns，那么功率MOSFET的工作周期就可以计算为133ns，而功率MOSFET的导通时间为33ns。由于两管交替工作，变换器的工作周期为66ns，其频率为15MHz。由于目前驱动电路还做不到这样高的驱动频率，因此实际E类双管DC/AC谐振式变换器也达不到这样高的频率。

在图2所提供的工作波形图中，I1、I2为两个开关管导通时流过的电流。在应用这一E类双管交替工作式DC/AC谐振式变换器进行高频感应加热电源的设计过程中，当其中任何一个关断时，使流过开关管的电流尽可能降得比较小，可使MOSFET接近实现ZCS关断。UC1为C1上的电压波形，当两个开关管任何参数一个导通时，保证Uc1放电到零，可使MOSFET实现ZVS开通。Uc0为谐振电容C0上的电压波形，适当选择C0和L0的参数，使电路工作在谐振点。

以上就是本文针对一种超高频谐振式感应加热电源设计方案中的设计原理，所进行的简要分析和介绍，在明天的技术分享中，我们将会继续就这一方案中的驱动电路设计进行详细分析，欢迎各位工程师继续关注。