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功率可调中频感应加热电源控制系统的设计
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  • 功率可调中频感应加热电源控制系统的设计摘 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10 Hz~10 kHz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 1
    1 绪论 2
    1.1 感应加热的工作原理 2
    1.2 感应加热电源技术发展现状与趋势 3
    2 感应加热电源实现方案研究 5
    2.1 串并联谐振电路的比较 5
    2.2 串联谐振电源工作原理 7
    2.3 电路的功率调节原理 8
    2.4 本课题设计思路及主要设计内容 8
    3 感应加热电源电路的主回路设计 9
    3.1 主电路的主要设计元器件参数 9
    3.2 感应加热电源电路的主回路结构 9
    3.2.1主回路的等效模型 10
    3.2.2整流部分电路分析 13
    3.2.3逆变部分电路分析 15
    3.3 系统主回路的元器件参数设定 16
    3.3.1整流二极管和滤波电路元件选择 16
    3.3.2IGBT和续流二极管的选择 17
    3.3.3槽路电容和电感的参数设定 18
    4 控制电路的设计 19
    4.1控制芯片SG3525A 19
    4.1.1内部逻辑电路结构分析 20
    4.1.2芯片管脚及其功能介绍 21
    4.2 电流互感器 23
    5 驱动电路的设计 24
    5.1 绝缘栅双极型晶体管(IGBT)对驱动电路的要求 24
    5.1.1门极电压对开关特性的影响及选择 24
    5.1.2门极串联电阻对开关特性的影响及选择 25
    5.2 IGBT过压的原因及抑制 25
    5.3 IGBT的过流保护 26
    5.3.1设计短路保护电路的几点要求 27
    5.4 集成光电隔离驱动模块HCPL-316J 27
    5.4.1器件特性 27
    5.4.2芯片管脚及其功能介绍 28
    5.4.3内部逻辑电路结构分析 28
    5.4.4器件功能分析 29
    5.4.5驱动电路的试验和注意问题 30
    6 辅助直流稳压电源 31
    6.1 三端固定稳压器 31
    6.2 本次设计用的的电源 32
    6.2.1 18伏,15伏稳压电压电源 32
    6.2.2 ±12伏,±5伏双路稳压电源 32
    6.2.3元器件选择及参数计算 33
    7 硬件调试 34
    8 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。
    ...
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