功率可调中频感应加热电源控制系统的设计

毕业设计论文课题：功率可调中频感应加热电源控制系统的设计院（系）：专业：学生姓名：学号：摘要中频感应加热以其加热效率高、速度快，可控性好及易于实现机械化、自动化等优点，已在熔炼、铸造、弯管、热锻、焊接和表面热处理等行业得到广泛的应用。本设计根据设计任务进行了方案设计，设计了相应的硬件电路，研制了20KW中频感应加热电源。本设计中感应加热电源采用IGBT作为开关器件，可工作在10Hz～10kHz频段。它由整流器、滤波器、和逆变器组成。整流器采用不可控三相全桥式整流电路。滤波器采用两个电解电容和一个电感组成Ⅱ型滤波器滤波和无源功率因数校正。逆变器主要由PWM控制器SG3525A控制四个IGBT的开通和关断，实现DC-AC的转换。设计中采用的芯片主要是PWM控制器SG3525A和光耦合驱动电路HCPL-316J。设计过程中程充分利用了SG3525A的控制性能，具有宽的可调工作频率，死区时间可调，具有输入欠电压锁定功能和双路输出电流。由于HCPL-316J具有快的开关速度（500ns），光隔离，故障状态反馈，可配置自动复位、自动关闭等功能，所以选择其作为IGBT的驱动。对原理样机的调试结果表明，所完成的设计实现了设计任务规定的基本功能。此外，为了满足不同器件对功率需要的要求，设计了功率可调。这部分超出了设计任务书规定的任务。关键词：感应加热电源；串联谐振；逆变电路；IGBT目录引言......................................................................11绪论...................................................................21.1感应加热的工作原理....................................................21.2感应加热电源技术发展现状与趋势........................................32感应加热电源实现方案研究...............................................52.1串并联谐振电路的比较..................................................52.2串联谐振电源工作原理..................................................72.3电路的功率调节原理....................................................82.4本课题设计思路及主要设计内容..........................................83感应加热电源电路的主回路设计...........................................93.1主电路的主要设计元器件参数............................................93.2感应加热电源电路的主回路结构..........................................93.2.1主回路的等效模型...................................................103.2.2整流部分电路分析...................................................133.2.3逆变部分电路分析...................................................153.3系统主回路的元器件参数设定...........................................163.3.1整流二极管和滤波电路元件选择.......................................163.3.2IGBT和续流二极管的选择.............................................173.3.3槽路电容和电感的参数设定...........................................184控制电路的设计........................................................194.1控制芯片SG3525A......................................................194.1.1内部逻辑电路结构分析...............................................204.1.2芯片管脚及其功能介绍...............................................214.2电流互感器...........................................................235驱动电路的设计........................................................245.1绝缘栅双极型晶体管（IGBT）对驱动电路的要求...........................245.1.1门极电压对开关特性的影响及选择.....................................245.1.2门极串联电阻GR对开关特性的影响及选择..............................255.2IGBT过压的原因及抑制................................................255.3IGBT的过流保护......................................................265.3.1设计短路保护电路的几点要求.........................................275.4集成光电隔离驱动模块HCPL-316J.......................................275.4.1器件特性...........................................................275.4.2芯片管脚及其功能介绍...............................................285.4.3内部逻辑电路结构分析...............................................285.4.4器件功能分析.......................................................295.4.5驱动电路的试验和注意问题...........................................306辅助直流稳压电源......................................................316.1三端固定稳压器.......................................................316.2本次设计用的的电源...................................................326.2.118伏，15伏稳压电压电源............................................326.2.2±12伏，±5伏双路稳压电源.........................................326.2.3元器件选择及参数计算...............................................337硬件调试..............................................................348结论..................................................................35致谢.....................................................................37参考文献.................................................................38附录一整体电路原理图....................................................39附录二控制电路PCB.......................................................40引言随着功率器件的发展，感应加热电源的频率也逐步提高，经历了中频、超音频、高频几个阶段。在感应加热电源的应用中，淬火、焊管、焊接等工艺都要求高频率高功率的电源。功率MOSFET虽然可以实现高频工作，但其电压、电流容量等级低，大功率电源需采用串、并联技术，影响了电源运行的可靠性。绝缘栅双极晶体管(IGBT)比较容易实现电源高功率化，但在高频情况下，其开关损耗，尤其是IGBT关断时存在的尾部电流，会限制工作频率的进一步提高。本文论述的中频感应加热电源采用功率自关断功率器件IGBT，负载频率是开关管工作频率的二倍，间接拓宽了IGBT的使用频率；功率管工作于零电流开关状态，彻底消除了尾部电流引起的关断损耗，理论上可实现零开关损耗；同时采用死区控制策略后，可实现负载阻抗调节。以往一般采用晶闸管来实现逆变电路，但是晶闸管关断期反压太低，参数匹配麻烦，输出频率仍然偏低；而采用IGBT后，并让电路工作在电流断续状态下，这些问题都得到很好地解决。为满足中小工件加热的需要，研制了一种新型线效的中频感应加热电源。该电源具有输出电压低圈匝数少、不需要中频变压器降压、结构简单、效率高。1绪论感应加热具有加热效率高、速度快、可控性好及易于实现自动化等优点，广泛应用于金属熔炼、透热、热处理和焊接等工业生产过程中，成为冶金、国防、机械加工等部门及铸、锻和船舶、飞机、汽车制造业等不可缺少的技术手段。1.1感应加热的工作原理感应加热原理为产生交变的电流，从而产生交变的磁场，在利用交变磁场来产生涡流达到加热的效果。如图1.1：图1.1感应电流图示当交变电流通入感应圈时，感应圈内就会产生交变磁通，使感应圈内的工件受到电磁感应电势e。设工件的等效匝数为2N。则感应电势：dtdNe2（1-1）如果磁通是交变得，设tmsin，则有效值为：MfNE244.4（1-3）感应电势E在工件中产生感应电流使工件内部开始加热，其焦耳热为：RtIQ2224.0（1-4）式中：2I——感应电流有效值（安），R——工件电阻（欧），t——时间（秒）。这就是感应加热的原理。感应加热与其它的加热方式，如燃气加热，电阻炉加热等不同，它把电能直接送工件内部变成热能，将工件加热。而其他的加热方式是先加热工件表面，然后把热再传导加热内部。金属中产生的功率为：cos44.4cos2MfNEIP（1-5）感应电势和发热功率不仅与频率和磁场强弱有关，而且与工件的截面大小、截面形状等有关，还与工件本身的导电、导磁特性等有关。在感应加热设备中存在着三个效应——集肤效应、近邻效应和圆环效应。集肤效应：当交变电流通过导体时，沿导体截面上的电流分布式部均匀的，最大电流密度出现在导体的表面层，这种电流集聚的现象称为集肤效应。近邻效应——当两根通有交流电的导体靠得很近时，在互相影响下，两导体中的电流要重新分布。当两根导体流的电流是反方向时，最大电流密度出现在导体内侧；当两根导体流的电流是同方向时，最大电流