[发明专利]一种感应加热电源短路穿越控制方法及控制系统

说明书

本发明公开了一种感应加热电源短路穿越控制方法及控制系统，该方法包括：采用锁相环电路获取感应加热电源中的逆变器输出电压和逆变器输出电流；对逆变器输出电压和逆变器输出电流进行判断；若逆变器输出电流超前逆变器输出电压，则表明逆变器中的负载感应器发生短路；控制第一脉冲和第三脉冲导通，或控制第二脉冲和第四脉冲导通，使逆变器持续输出电流。通过该方法可以在串联型谐振逆变器中的负载感应器发生短路后，且逆变器的锁相控制电路无法相位跟踪时，确保逆变器的负载输出连续电流。

技术领域

本发明属于电源短路穿越控制技术领域，特别是一种感应加热电源短路穿越控制方法及控制系统。

背景技术

串联型高频感应加热电源，也被称为电压型串联谐振逆变器，是一种高频电力电子变流器，是一种可以对导电型负载进行非接触式加热的电气装置。串联型高频感应加热电源主电路结构如附图1所示；其中，整流器采用三相桥式晶闸管全控整流电路，用于调节电源的输出功率；整流器输出侧采用电容滤波，为串联谐振逆变器(电压型逆变器)提供平滑的直流电压源；逆变部分采用大功率单相H桥串联谐振逆变器；谐振槽路为电感L、电容C和电阻R组成的串联谐振电路。

串联型高频感应加热电源谐振逆变器部分的电路拓扑结构如附图2所示；其中，S1、S2、S3、S4为多只并联的开关功率器件(常见为MOSFET，以下简称MOS管)，D1～D4为与功率开关器件反并联的快恢复二极管(以下简称二极管)；由于槽路负载为电感L和电容C的串联，所以在开关频率会略大于谐振频率时，逆变器工作在输出电压u₀超前于输出电流i₀的小感性工作状态，此时MOS管导通属于自然换流，开通损耗理论上基本为零；MOS管关断根据电压电流角度差，属于小电流强迫换流，有一定的关断损耗。

图2所示的电路拓扑结构所对应的输出波形图如附图3所示；其中，P1～P4为S1～S4的控制脉冲，一般正常情况下，P1与P4同时触发，P2与P3同时触发。该输出波形共4种工作模式，分别为：[0～t1]阶段：电流未换向，二极管D1和D4导通，MOS管S1和S4零电压开通；[t1～t2]阶段：电流已换向，MOS管S1和S4导通，并在t2时刻小电流关断；[t2～t3]阶段：电流未换向，二极管D2和D3导通，MOS管S2和S3零电压开通；[t3～t4]阶段：电流已换向，MOS管S2和S3导通，并在t4时刻小电流关断。

串联型高频谐振逆变器开关频率高，功率器件开关损耗大，为了保证功率器件不超过安全工作区，必须采用零电压开关ZVS和零电流开关ZCS的软开关控制策略。在上述的换流过程中提到，逆变器工作在输出电压u₀超前于输出电流i₀的小感性工作状态，可以保证逆变功率器件零电压开通，开通损耗基本为零，同时保证器件小电流关断，有一定的关断损耗。

在实际工作中，由于负载受到温度和磁性状态等因素影响，逆变槽路谐振频率会不断变化，此时需要逆变控制系统实现负载谐振频率跟踪功能；现有技术中通常会通过对逆变器输出电流进行相位检测，使用锁相环电路做闭环控制，实现实时跟踪负载在工作过程中的频率变化，保证功率器件始终工作在ZVS和ZCS状态。

但是锁相环电路具有工作频率上限和工作频率下限，当锁相环电路的输入信号频率(即谐振逆变器的输出信号频率)超出其工作频率上限或工作频率下限时，锁相环电路无法继续对谐振逆变器的输出信号进行锁定。也就是说，当串联型谐振逆变器发生感应器短路后，负载谐振频率会发生变化，如果超出了锁相环电路的锁相范围，逆变器就无法工作在小感性状态，功率器件会产生巨大的损耗，可能导致发热损坏。为了避免逆变器失去谐振状态，此时现有技术中一般会通过控制系统封锁逆变脉冲，使谐振槽路停止震荡，此时感应加热电源会立刻被动停止工作。但是对于连续作业的场合来讲，感应加热电源会被动停机会造成原材料报废，严重的情况会造成生产线损坏。

因此，在串联型谐振逆变器中的负载感应器发生短路后，且逆变器的锁相控制电路无法相位跟踪时，如何确保逆变器的负载输出连续电流；以及在负载感应器的短路行为不能恢复的情况下，如何使感应加热电源自动停机；这些问题已经成为当前研究的关键问题。