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功率可調中頻感應加熱電源控制系統的設計
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  • 功率可調中頻感應加熱電源控制系統的設計摘 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機械化、自動化等優點,已在熔煉、鑄造、彎管、熱鍛、焊接和表面熱處理等行業得到廣泛的應用。
    本設計根據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,所完成的設計實現了設計任務規定的基本功能。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定的任務。

    關鍵詞:感應加熱電源;串聯諧振;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展現狀與趨勢 3
    2 感應加熱電源實現方案研究 5
    2.1 串并聯諧振電路的比較 5
    2.2 串聯諧振電源工作原理 7
    2.3 電路的功率調節原理 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 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 系統主回路的元器件參數設定 16
    3.3.1整流二極管和濾波電路元件選擇 16
    3.3.2IGBT和續流二極管的選擇 17
    3.3.3槽路電容和電感的參數設定 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 輔助直流穩壓電源 31
    6.1 三端固定穩壓器 31
    6.2 本次設計用的的電源 32
    6.2.1 18伏,15伏穩壓電壓電源 32
    6.2.2 ±12伏,±5伏雙路穩壓電源 32
    6.2.3元器件選擇及參數計算 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,徹底消除了尾部電流引起的關斷損耗,理論上可實現零開關損耗;同時采用死區控制策略后,可實現負載阻抗調節。以往一般采用晶閘管來實現逆變電路,但是晶閘管關斷期反壓太低,參數匹配麻煩,輸出頻率仍然偏低;而采用IGBT后,并讓電路工作在電流斷續狀態下,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少、不需要中頻變壓器降壓、結構簡單、效率高。
    ...
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