目前，我國感應加熱電源的功率調(diào)節(jié)多是通過直流側(cè)調(diào)節(jié)實現(xiàn)，一種是利用晶閘管相控整流電路實現(xiàn)，此種電源在深度控制下功率因數(shù)很低，并且電網(wǎng)電流諧波較大使得整機效率不高；另一種是利用直流斬波電路實現(xiàn)，此類電源由于Buck電路中的功率器件工作在硬開關狀態(tài)下，開關損耗大，效率不夠高。現(xiàn)有的移相PWM調(diào)功方式也存在功率調(diào)節(jié)范圍窄的缺點。為了彌補上述的缺點，本文設計了一種新型的串聯(lián)諧振主電路拓撲結(jié)構(gòu)，采用逆變側(cè)功率調(diào)節(jié)方式。整流部分采用不控整流，逆變側(cè)為橋式結(jié)構(gòu)，分為超前臂與滯后臂，超前臂并聯(lián)緩沖電容，滯后臂不并聯(lián)電容，超前臂為活動臂進行PWM調(diào)節(jié)，滯后臂為固定臂不進行PWM調(diào)節(jié)，輸出功率的變化通過調(diào)節(jié)超前臂的脈寬來實現(xiàn)。

　　一、 感應加熱發(fā)展的歷史及其應用場合

　　1.感應加熱發(fā)展歷史

　　感應加熱多數(shù)用于工業(yè)金屬零件表面淬火、金屬熔煉、棒料透熱等多個領域，是使工件表面產(chǎn)生一定的感應電流，迅速加熱零件表面，達到表面迅速加熱，甚至透熱融化的效果。

　　感應加熱來源于法拉第發(fā)現(xiàn)的電磁感應現(xiàn)象，也就是交變的電流會在導體中產(chǎn)生感應電流，從而導致導體發(fā)熱。長期以來，技術人員都對這一現(xiàn)象有較好了解，并且在各種場合盡量抑止這種發(fā)熱現(xiàn)象，來減小損耗。比較常見的如開關電源中的變壓器設計，通常設計人員會用各種方法來減小渦流損耗，來提高效率。然而在19世紀末期，技術人員又發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象的有利面，就是可以將之利用到加熱場合。

　　感應加熱：工件放到感應器內(nèi)，感應器一般是輸入中頻或高頻交流電 （300-300000Hz或更高）的空心銅管。產(chǎn)生交變磁場在工件中產(chǎn)生出同頻率的感應電流，這種感應電流在工件的分布是不均勻的，在表面強，而在內(nèi)部很弱，到心部接近于0，利用這個集膚效應，可使工件表面迅速加熱，在幾秒鐘內(nèi)表面溫度上升到800-1000ºC，而心部溫度升高很小。來取代一些傳統(tǒng)的加熱方法，因為感應加熱有以下優(yōu)點：

　?。?） 非接觸式加熱，熱源和受熱物件可以不直接接觸

　?。?） 加熱效率高，速度快，可以減小表面氧化現(xiàn)象

　?。?） 容易控制溫度，提高加工

　　（4） 可實現(xiàn)局部加熱

　?。?） 可實現(xiàn)自動化控制

　?。?） 可減小占地，熱輻射，噪聲和灰塵

　　由于感應加熱具有以上的一些優(yōu)點，大量的工程技術人員對此進行了研究，1890年瑞典技術人員發(fā)明了臺感應熔煉爐――開槽式有芯爐，1916年美國人發(fā)明了閉槽有芯爐，從此感應加熱技術逐漸進入實用化階段。

　　1957年，美國研制出作為電力電子器件里程碑的晶閘管，同時，也引發(fā)了感應加熱技術的革命。1966年，瑞士和西德首先利用晶閘管研制感應加熱裝置，從此感應加熱技術開始飛速發(fā)展。

　　80年代后，電力電子器件再次飛速發(fā)展，GTO，MOSFET，IGBT，MCT，SIT等器件相繼出現(xiàn)。感應加熱裝置也逐漸摒棄晶閘管，開始采用這些新器件。MOSFET較合適高頻場合，通常在幾千瓦的中小功率場合，頻率可達到500K以上，甚至幾M。然而國外也有推出采用MOSFET的大功率的感應加熱裝置，比如美國研制的2000KW/400KHz的裝置。

　　國內(nèi)的電力電子技術起步比較完，所以感應加熱技術也落后于國外很多。但是由于市場前景廣闊，所以研制的感應加熱的技術人員逐漸增加。國內(nèi)在此領域處于地位的為浙江大學，但是離國外先進技術還有相當距離。

　　2. 感應加熱應用場合

　　感應加熱可以用于多種場合，主要有：

　　（1） 冶金：有色金屬的冶煉，金屬材料的熱處理，鍛造、擠壓、軋制等型材生產(chǎn)的偷熱；焊管生產(chǎn)的焊縫。

　?。?） 機械制造：各種機械零件的淬火，以及淬火后的回火、退火和正火等熱處理的加熱。壓力加工前的透熱。

　?。?） 輕工：罐頭以及其它包裝的封口，比如著名的利樂磚的封口包裝。

　?。?） 電子：電子管真空除氣的加熱

　　二 感應加熱基本原理

　　1.電磁感應原理

　　1831年，英國物理學家faraday發(fā)現(xiàn)了電磁感應現(xiàn)象，并且提出了相應的理論解釋。其內(nèi)容為，當電路圍繞的區(qū)域內(nèi)存在交變的磁場時，電路兩端就會感應出電動勢，如果閉合就會產(chǎn)生感應電流。

　　利用高頻電壓或電流來加熱通常有兩種方法：

　?。?） 電介質(zhì)加熱：利用高頻電壓（比如微波爐加熱）

　?。?） 感應加熱：利用高頻電流（比如密封包裝）

　　2.電介質(zhì)加熱（dielectric heating）

　　電介質(zhì)加熱通常用來加熱不導電材料，比如木材。同時微波爐也是利用這個原理。原理如圖1：

　　圖1 電介質(zhì)加熱示意圖

　　當高頻電壓加在兩極板層上，就會在兩極之間產(chǎn)生交變的電場。需要加熱的介質(zhì)處于交變的電場中，介質(zhì)中的極分子或者離子就會隨著電場做同頻的旋轉(zhuǎn)或振動，從而產(chǎn)生熱量，達到加熱效果。

　　3.感應加熱（induction heating）

　　感應加熱原理為產(chǎn)生交變的電流，從而產(chǎn)生交變的磁場，再利用交變磁場來產(chǎn)生渦流達到加熱的效果。如圖2：

　　圖2 感應加熱示意圖

　　基本電磁定律：

    法拉第定律：

    安培定律：

    其中： ，

　　如果采用MKS制，e的單位為V，？的單位為Wb，H的單位為A/m，B的單位為T。

　　以上定律基本闡述了電磁感應的基本性質(zhì)，

　　集膚效應：

　　當交流的電流流過導體的時候，會在導體中產(chǎn)生感應電流（如圖3），從而導致電流向?qū)w表面擴散。這也就無形中減少了導體的導電截面，從而增加了導體交流電阻，損耗增大。工程上規(guī)定從導體表面到電流密度為導體表面的1/e＝0.368的距離δ為集膚深度。

　　在常溫下可用以下公式來計算銅的集膚深度：

　　圖3 渦流產(chǎn)生示意圖

　　從以上可以看到，如果增大電流和提高頻率都可以增加發(fā)熱效果，是加熱對象快速升溫。所以感應電源通常需要輸出高頻大電流。

　　新一代感應加熱電源正朝著大功率，高頻化方向發(fā)展。這對現(xiàn)代電力電子器件來說是一個相當大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的方法是采用器件串并聯(lián)的方式，但這存在器件之間均流均壓閑難的問題，特別是當器件串并聯(lián)很多時，則需要保證的同步信號，以避免器件之間的環(huán)流損壞電力電子器件。但在很多情況下這很難保證。LC拓撲被提出，它的優(yōu)良特性可有效地減少逆變橋并聯(lián)之間的環(huán)流，通過參數(shù)設計可以均衡各橋的功率分配，降低器件的損耗，從而有效地解決了逆變橋并聯(lián)中出現(xiàn)的一些問題，有利于感應加熱電源多橋并聯(lián)，提高輸出功率和可靠性。