功率可調中頻感應加熱電源控制系統(tǒng)的設計
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- 功率可調中頻感應加熱電源控制系統(tǒng)的設計摘 要
中頻感應加熱以其加熱效率高、速度快，可控性好及易于實現(xiàn)機械化、自動化等優(yōu)點，已在熔煉、鑄造、彎管、熱鍛、焊接和表面熱處理等行業(yè)得到廣泛的應用。
本設計根據(jù)設計任務進行了方案設計，設計了相應的硬件電路，研制了20KW中頻感應加熱電源。
本設計中感應加熱電源采用IGBT作為開關器件，可工作在10 Hz～10 kHz頻段。它由整流器、濾波器、和逆變器組成。整流器采用不可控三相全橋式整流電路。濾波器采用兩個電解電容和一個電感組成Ⅱ型濾波器濾波和無源功率因數(shù)校正。逆變器主要由PWM控制器SG3525A控制四個IGBT的開通和關斷，實現(xiàn)DC-AC的轉換。
設計中采用的芯片主要是PWM控制器SG3525A和光耦合驅動電路HCPL-316J。設計過程中程充分利用了SG3525A的控制性能，具有寬的可調工作頻率，死區(qū)時間可調，具有輸入欠電壓鎖定功能和雙路輸出電流。由于HCPL-316J具有快的開關速度（500ns），光隔離，故障狀態(tài)反饋，可配置自動復位、自動關閉等功能，所以選擇其作為IGBT的驅動。
對原理樣機的調試結果表明，所完成的設計實現(xiàn)了設計任務規(guī)定的基本功能。此外，為了滿足不同器件對功率需要的要求，設計了功率可調。這部分超出了設計任務書規(guī)定的任務。
關鍵詞：感應加熱電源；串聯(lián)諧振；逆變電路；IGBT
目 錄
引言 1
1 緒論 2
1.1 感應加熱的工作原理 2
1.2 感應加熱電源技術發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢 3
2 感應加熱電源實現(xiàn)方案研究 5
2.1 串并聯(lián)諧振電路的比較 5
2.2 串聯(lián)諧振電源工作原理 7
2.3 電路的功率調節(jié)原理 8
2.4 本課題設計思路及主要設計內容 8
3 感應加熱電源電路的主回路設計 9
3.1 主電路的主要設計元器件參數(shù) 9
3.2 感應加熱電源電路的主回路結構 9
3.2.1主回路的等效模型 10
3.2.2整流部分電路分析 13
3.2.3逆變部分電路分析 15
3.3 系統(tǒng)主回路的元器件參數(shù)設定 16
3.3.1整流二極管和濾波電路元件選擇 16
3.3.2IGBT和續(xù)流二極管的選擇 17
3.3.3槽路電容和電感的參數(shù)設定 18
4 控制電路的設計 19
4.1控制芯片SG3525A 19
4.1.1內部邏輯電路結構分析 20
4.1.2芯片管腳及其功能介紹 21
4.2 電流互感器 23
5 驅動電路的設計 24
5.1 絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）對驅動電路的要求 24
5.1.1門極電壓對開關特性的影響及選擇 24
5.1.2門極串聯(lián)電阻對開關特性的影響及選擇 25
5.2 IGBT過壓的原因及抑制 25
5.3 IGBT的過流保護 26
5.3.1設計短路保護電路的幾點要求 27
5.4 集成光電隔離驅動模塊HCPL-316J 27
5.4.1器件特性 27
5.4.2芯片管腳及其功能介紹 28
5.4.3內部邏輯電路結構分析 28
5.4.4器件功能分析 29
5.4.5驅動電路的試驗和注意問題 30
6 輔助直流穩(wěn)壓電源 31
6.1 三端固定穩(wěn)壓器 31
6.2 本次設計用的的電源 32
6.2.1 18伏，15伏穩(wěn)壓電壓電源 32
6.2.2 ±12伏，±5伏雙路穩(wěn)壓電源 32
6.2.3元器件選擇及參數(shù)計算 33
7 硬件調試 34
8 結論 35
致謝 37
參考文獻 38
附錄一 整體電路原理圖 39
附錄二控制電路PCB 40
引言
隨著功率器件的發(fā)展，感應加熱電源的頻率也逐步提高，經歷了中頻、超音頻、高頻幾個階段。在感應加熱電源的應用中，淬火、焊管、焊接等工藝都要求高頻率高功率的電源。功率MOSFET雖然可以實現(xiàn)高頻工作，但其電壓、電流容量等級低，大功率電源需采用串、并聯(lián)技術，影響了電源運行的可靠性。絕緣柵雙極晶體管(IGBT)比較容易實現(xiàn)電源高功率化，但在高頻情況下，其開關損耗，尤其是IGBT關斷時存在的尾部電流，會限制工作頻率的進一步提高。
本文論述的中頻感應加熱電源采用功率自關斷功率器件IGBT，負載頻率是開關管工作頻率的二倍，間接拓寬了IGBT的使用頻率；功率管工作于零電流開關狀態(tài)，徹底消除了尾部電流引起的關斷損耗，理論上可實現(xiàn)零開關損耗；同時采用死區(qū)控制策略后，可實現(xiàn)負載阻抗調節(jié)。以往一般采用晶閘管來實現(xiàn)逆變電路，但是晶閘管關斷期反壓太低，參數(shù)匹配麻煩，輸出頻率仍然偏低；而采用IGBT后，并讓電路工作在電流斷續(xù)狀態(tài)下，這些問題都得到很好地解決。
為滿足中小工件加熱的需要，研制了一種新型線效的中頻感應加熱電源。該電源具有輸出電壓低圈匝數(shù)少、不需要中頻變壓器降壓、結構簡單、效率高。
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