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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