【经验】LSIC1MO120E0160在感应加热应用中的逆变器电路设计和参数计算

时间： 2019-08-17 来源：世强

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感应加热原理

根据电磁感应原理可知，将被加热物质置于高频交变磁场内，通过被磁力线切割而产生感应电动势，从而产生涡流，感生涡流在导电物质呈现的交流阻抗中根据焦耳热效应产生热能对工件进行加热，其原理如下图所示：

图1 感应加热原理图

感应加热便是通过电磁感应来传递能量，是指当工件放在线圈周围所形成的交变磁场中时，在工件表面由涡流产生热能的现象。

感应加热电路结构

对于感应加热电源的电路设计，需要考虑整流器、滤波器、逆变器、负载槽路以及控制与保护电路几个部分，并形成整个系统的完整框图，如下所示：

图2 感应加热电源的电路设计框图

整流器的作用主要是将三相交流电（工频）整流成为直流电，滤波器则主要滤除整流器中产生的杂波，然后逆变器再将经滤波器送来的直流电逆变得到加热负载所需的交流电（高频）；控制电路又主要分为整流控制和逆变控制两部分，各自通过触发脉冲控制相应的整流器和逆变器；保护电路的作用主要是确保感应加热电源的安全、稳定运行。本文主要分析逆变电流的设计和SiC MOSFET LSIC1MO120E0160的使用。

逆变电路设计

逆变器的作用是将整流得到的直流电压转换成高频交流电压（或电流），即：实现 DC/AC 的转换。对输出功率要求不大的民用感应加热电源多采用单管或半桥结构，而对输出功率要求在几百千瓦至上千千瓦的工业领域，如金属热处理、熔炼等，感应加热电源逆变器电路大都采用全桥（H 桥）结构电路。

谐振电路作为感应加热电源的重要组成部分，根据谐振无功补偿电容与电感绕组连接方式的不同，分为串联谐振电路和并联谐振电路。与之对应的，感应加热逆变电源则可以分为串联谐振逆变器（也称电压型逆变器）和并联谐振逆变器（也称电流型逆变器）。本文选用的是串联型（电压型）谐振逆变器拓扑结构，与之对应的谐振槽路选择串联谐振槽路。电路设计原理图如下所示：

图3 逆变电路原理图

SiC MOSFET 作为近几年兴起的第三代半导体器件，具有宽禁带、高载流子漂移率、低介电常数等独特优点，逐渐开始在高频应用场合展现出巨大的优势，对 SiC MOSFET 在高频逆变器中的应用越来越广泛。本文选用LITTELFUSE公司生产的SiC MOSFET

LSIC1MO120E0160具有1200V的阻断电压，非常适合在上述逆变电路的设计使用。

逆变电路参数计算

本设计单逆变桥功率设为 10KW，逆变效率 η 取 90%，滤波器输出的直流电压U_D为500V。考虑到按电流平均值来选取功率器件可能会造成过载而损坏器件，因此，本设计依照电流有效值来计算，则流过负载的最大电流Imax:

如下表所示，流过MOSFET的电流为15.6A<22A,并且留有很高的裕量，满足设计要求。并且，LSIC1MO120E0160型MOS管的耐压值高达1200V,在感应加热的逆变电路环节中，输入的直流电压UD（即滤波电路的输出直流电压）一般在500V左右，远远小于MOS管的耐压值，因此可以保证MOS管的可靠工作，而不会出现击穿的问题。

另外，设计方案要求的频率为800kHZ，对应的周期T=1.25us，LSIC1MO120E0160型MOSFET的开通和关断时间如下表所示，开通关断时间和仅为53ns，完全满足高频的设计要求。而且，该MOSFET还具有耐高温，导通电阻小，损耗小的优势。

对于负载谐振电路，等效电阻：

其中，本设计逆变电路工作频率 f=800KHz，根据工程经验，谐振槽路的品质因数 Q 取 6。则有：

求得等效电感：L=550mH, C=18uF。

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