兆赫级超高频感应加热电源电路的分析与研究

　　兆赫级超高频感应加热在金属表面热处理与加热工艺中具有独特的优点和良好的应用前景，但目前该频段的加热电源仍以电子管振荡器为主。众所周知，电子管感应加热设备效率很低（50%左右），器件使用寿命短，需要预热启动［1］ 。采用MOSFET等快速电力电子器件研制全固态超高频感应加热已经成为该领域的发展趋势，并在 1MHz左右的小功率应用领域已经取得了一些成果［2-13］。相对于较低频率（如几十kHz、几百kHz），兆赫级超高频电源由于开关频率高，在电路设计和生产工艺上增加了很多问题，特别是需要解决电路中杂散分布参数引起的电压电流过冲和器件开关损耗大这两大问题。因为在兆级频率下，线路中的杂散电感和器件寄生电容的等效阻抗已经不能忽略，所引起的寄生振荡和电压、电流过冲将危及电路的正常工作；另一方面，随着工作频率的上升，器件的开关损耗也随之增大。因此，设计超高频电源的电路首先需要能够吸收（或工艺上减小）电路中的杂散分布参数、减低开关损耗。目前超高频小功率加热电源的拓扑多为单管或双管结构：Class-D电路在射频电源中有较长的应用历史，也适合于高频加热工作［4，8-9］。文献［4］研究了 D类谐振逆变器并研制了 1MHz加热电源。但是D类谐振逆变器属于电压型逆变器，上下开关必须设置导通死区，该死区需要占用每个周期内的一段时间，这不利于频率的进一步提高，且电压型电路短路保护较困难。Class-E电路［10］通过在功率器件两端并联电容来吸收器件寄生电容，目前已有采用E类双管拓扑研制成功 2MHz小功率感应加热电源的报导 ［11］。虽然Class-E电路的开关损耗小，适合应用于超高频、甚至射频领域，但由于其负载适应能力差，在负载参数变化范围较大的感应加热中应用有很大的局限性。借鉴DC/DC变换中的软开关技术应用于超高频感应加热［13-17］，需要注意吸收开关回路的分布参数和谐振槽路负载匹配问题。本文针对兆赫级超高频工作状况，提出了一种能够吸收线路杂散分布参数，且电路中开关器件工作于零电压软开关的新型双管超高频感应加热电源电路。该结构另一个突出的优点是：在输入端增加了高频平波电抗器，所以该拓扑又具有电流型逆变器的优点：两只开关的导通没有死区时间的限制。本文介绍了电路的工作原理，分析了谐振槽路的电压电流波形，并给出了仿真与实验结果。