串聯(lián)式感應(yīng)加熱電源課程設(shè)計(jì)(word文檔良心出品)

1、武漢理工大學(xué)電力電子裝置及控制課程設(shè)計(jì)串聯(lián)式感應(yīng)加熱電源設(shè)計(jì)1緒論感應(yīng)加熱具有加熱效率高、速度快、可控性好及易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)， 廣 泛應(yīng)用于金屬熔煉、透熱、熱處理和焊接等工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，成為冶金、國(guó)防、 機(jī)械加工等部門及鑄、鍛和船舶、飛機(jī)、汽車制造業(yè)等不可缺少的技術(shù)手段。1.1感應(yīng)加熱的工作原理感應(yīng)加熱原理為產(chǎn)生交變的電流，從而產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)，在利用交變磁場(chǎng)來(lái) 產(chǎn)生渦流達(dá)到加熱的效果。如圖1.1:圖1.1感應(yīng)電流圖示當(dāng)交變電流通入感應(yīng)圈時(shí)，感應(yīng)圈內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生交變磁通,使感應(yīng)圈內(nèi)的工件受到電磁感應(yīng)電勢(shì)e。設(shè)工件的等效匝數(shù)為2N。則感應(yīng)電勢(shì)：e= -?2藍(lán)？公式（11）如果磁通是交變得，設(shè)？ =

2、 ?則e= -?2 ?= -?2?cos?公式（1-2）有效值為:公式（1-3）E= 4.44f?2?感應(yīng)電勢(shì)E在工件中產(chǎn)生感應(yīng)電流使工件內(nèi)部開始加熱，其焦耳熱為：一工公式（1-4）式中：I 2 感應(yīng)電流有效值（安），R工件電阻（歐），t時(shí) 間（秒）。這就是感應(yīng)加熱的原理。感應(yīng)加熱與其它的加熱方式，如燃?xì)饧訜?，電阻爐 加熱等不同，它把電能直接送工件內(nèi)部變成熱能，將工件加熱。而其他的加熱方 式是先加熱工件表面，然后把熱再傳導(dǎo)加熱內(nèi)部。金屬中產(chǎn)生的功率為：P = 7cos（D = 4.44 加工盯 cos感應(yīng)電勢(shì)和發(fā)熱功率不僅與頻率和磁場(chǎng)強(qiáng)弱有關(guān)，而且與工件的截面大小、截面形狀等有關(guān)，還與工件本身

3、的導(dǎo)電、導(dǎo)磁特性等有關(guān)。在感應(yīng)加熱設(shè)備中存在著三個(gè)效應(yīng)一一集膚效應(yīng)、近鄰效應(yīng)和圓環(huán)效應(yīng)。透入深度由下式確定： - G工3一叫Qd公式（1-6）式中：工件電阻率（Q?m ）, u真空磁導(dǎo)率47tx 10（H/m）.工件磁導(dǎo)率（H/m ）, 工件相對(duì)磁導(dǎo)率，角頻率（rad/s ） , f頻率（HZ）。將小。和冗的數(shù)值代入，即可得公式：公式（1-7）從上式可以看出，當(dāng)材料電阻率、相對(duì)磁導(dǎo)率給定后，透入深度僅與頻率f 平方根成反比，此工件的加熱厚度可以方便的通過(guò)調(diào)節(jié)頻率來(lái)加以控制。頻率越 高，工件的加熱厚度就越薄。這種性質(zhì)在工業(yè)金屬熱處理方面獲得了廣泛的應(yīng)用。1.2感應(yīng)加熱電源技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)感應(yīng)電

4、源按頻率范圍可分為以下等級(jí)：500Hz以下為低頻，1-10KHZ為中頻； 20KHZW上為超音頻和高頻。感應(yīng)加熱電源的水平與半導(dǎo)體功率器件的發(fā)展密切 相關(guān)，因此當(dāng)前功率器件在性能上的不斷完善， 使得感應(yīng)加熱電源的發(fā)展趨勢(shì)呈 現(xiàn)出高頻率、大容量化、負(fù)載匹配、智能化控制這幾個(gè)特點(diǎn)。2感應(yīng)加熱電源及其實(shí)現(xiàn)方案研究2.1 串并聯(lián)諧振電路的比較感應(yīng)加熱電源根據(jù)補(bǔ)償形式分為兩種，并聯(lián)諧振式（電流型）電源和串聯(lián)諧振 式（電壓型）電源。流 整用聯(lián)諧振式電源采用的逆變器是用聯(lián)諧振逆變器，其負(fù)載為串聯(lián)諧振負(fù)載。通常需電壓源供電，在感應(yīng)加熱中，電壓源通常由整流器加一個(gè)大電容構(gòu)成。 由 于電容值較大，可以近似認(rèn)為逆變

5、器輸入端電壓固定不變。 交替開通和關(guān)斷逆變 器上的可控器件就可以在逆變器的輸出端獲得交變的方波電壓， 其電壓幅值取決 于逆變器的輸入端電壓值，頻率取決于器件的開關(guān)頻率。串聯(lián)諧振逆變器和并聯(lián)諧振逆變器的差別，源于它們所用的振蕩電路不同，前者是用L、R和C串聯(lián)，后者是L、R和C并聯(lián)； 最后，決定對(duì)串聯(lián)諧振式電源進(jìn)行研究。2.2 串聯(lián)諧振電源工作原理串聯(lián)諧振逆變器也稱電壓型逆變器， 其原理圖如圖2.2所示。用聯(lián)諧振型逆 變器的輸出電壓為近似方波，由于電路工作在諧振頻率附近，使振蕩電路對(duì)于基 波具有最小阻抗，所以負(fù)載電流i近似正弦波同時(shí)，為避免逆變器上、下橋臂間 的直通，換流必須遵循先關(guān)斷后導(dǎo)通的原則

6、， 在關(guān)斷與導(dǎo)通間必須留有足夠的死 區(qū)時(shí)間。7v y !v(a)容性負(fù)載 .(b)感性負(fù)載圖2.3負(fù)載輸出波形圖2.2串聯(lián)逆變器結(jié)構(gòu)當(dāng)串聯(lián)諧振逆變器在低端失諧時(shí)（容性負(fù)載），它的波形見(jiàn)圖2.3（a）。由圖可 見(jiàn)，工作在容性負(fù)載狀態(tài)時(shí)，輸出電流的相位超前于電壓相位， 因此在負(fù)載電壓 仍為正時(shí)，電流先過(guò)零，上、下橋臂間的換流則從上（下）橋臂的二極管換至下（上） 橋臂的MOSFET。由于MOSFET寄生的反并聯(lián)二極管具有慢的反向恢復(fù)特性， 使得在換流時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的反向恢復(fù)電流， 而使器件產(chǎn)生較大的開關(guān)損耗，而且 在二極管反向恢復(fù)電流迅速下降至零時(shí)，會(huì)在與 MOSFET串聯(lián)的寄生電感中產(chǎn) 生大的感生電

7、勢(shì)，而使 MOSFET受到很高電壓尖峰的沖擊當(dāng)串聯(lián)諧振型逆變器 在高端失諧狀態(tài)時(shí)（感性負(fù)載），它的工作波形見(jiàn)圖2.3（b）。由圖可見(jiàn)，工作在感 性負(fù)載狀態(tài)時(shí)，輸出電流的相位滯后于電壓相位， 具換流過(guò)程是這樣進(jìn)行的，當(dāng) 上（T）橋臂的MOSFET關(guān)斷后，負(fù)載電流換至下（上）橋臂的反并聯(lián)的二極管 中，在滯后一個(gè)死區(qū)時(shí)間后，下（上）橋臂的MOSFET加上開通脈沖等待電流自 然過(guò)零后從二極管換至同橋臂的 MOSFET.由與MOSFET中的電流是從零開始 上升的，因而基本實(shí)現(xiàn)了零電流開通，其開關(guān)損耗很小。另一方面，MOSFET關(guān) 斷時(shí)電流尚末過(guò)零，此時(shí)仍存在一定的關(guān)斷損耗，但是由于MOSFET關(guān)斷時(shí)間很

8、短，預(yù)留的死區(qū)不長(zhǎng)，并且因死區(qū)而必須的功率因數(shù)角并不大， 所以適當(dāng)?shù)乜?制逆變器的工作頻率，使之略高于負(fù)載電路的諧振頻率，就可以使上（T）橋臂的MOSFET向下（上）橋臂的反并聯(lián)的二極管換流其瞬間電流也是很小的, 即MOSFET 關(guān)斷和反并聯(lián)二極管開通是在小電流下發(fā)生的，這樣也限制了器件的關(guān)斷損耗。上述分析可知，串聯(lián)諧振型逆變器在適當(dāng)?shù)墓ぷ鞣绞较?，開關(guān)損耗很小因而， 可以工作在較高的工作頻率下這也是用聯(lián)諧振型逆變器在半導(dǎo)體高頻感應(yīng)加熱 電源中受到更多重視的主要原因之一。2.3 電路的功率調(diào)節(jié)原理電源工作在開關(guān)頻率大于諧振頻率狀態(tài)， 負(fù)載呈感性，負(fù)載電流滯后于輸出 電壓r角。所以在高頻條件下輸出

9、功率表達(dá)式為：乙二0 9七 X 介 cos r = 0.9匕U x IQ cos r式中的0. 9是因?yàn)榫匦尾ㄋ说牟ㄐ温省氖街锌梢钥闯霎?dāng)輸入電壓一定 時(shí)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)輸出電流滯后輸出電壓的滯后角 r來(lái)調(diào)節(jié)輸出功率。而滯后角 r是由諧振參數(shù)和開關(guān)管工作頻率共同決定的。從上式可以看出當(dāng)系統(tǒng)工作在諧振頻率時(shí) cos r =1,即r為0度，系統(tǒng)輸 出的功率最大。當(dāng)開關(guān)頻率提高時(shí)，滯后角r同時(shí)開始增大，輸出功率開始下降， 從而完成功率調(diào)節(jié)。2.4 本課題設(shè)計(jì)思路及主要設(shè)計(jì)內(nèi)容本課題研究的是一種感應(yīng)加熱電源。系統(tǒng)原理圖見(jiàn)圖2.4反饋校制電路圖2.4系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)本文主要設(shè)計(jì)內(nèi)容：(1)給出系統(tǒng)理論模型和

10、主要設(shè)計(jì)內(nèi)容。(2)主回路部分，進(jìn)一步介紹了整個(gè)系統(tǒng)的總體工作過(guò)程，分析了主回路的 等效模型，通過(guò)計(jì)算選擇主回路元器件參數(shù)。(3)控制系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)論證，介紹了控制回路硬件原理和控制模塊SG3525A及其組成方案。(4)驅(qū)動(dòng)電路部分，給出了 IGBT驅(qū)動(dòng)電路的要求和驅(qū)動(dòng)模塊 HCPL316J,及 其在本系統(tǒng)的用途，并分析了其短路方法。(5)輔助直流穩(wěn)壓電源，對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程需要的直流供電穩(wěn)壓電源作了具體 分析。(6)硬件調(diào)試部分，分析了系統(tǒng)硬件調(diào)試需要注意的問(wèn)題及本系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程 中出現(xiàn)的問(wèn)題。(7)結(jié)論部分，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了綜合和總結(jié)，并提出了進(jìn)一步的工作設(shè)想, 還附帶了經(jīng)過(guò)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的心得體會(huì)。

11、3感應(yīng)加熱電源電路的主回路設(shè)計(jì)3.1主電路的主要設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)電網(wǎng)供電電壓：3相380V感應(yīng)加熱電源輸出功率：1kW輸出電流頻率：20KHz輸出電流值：2A3.2感應(yīng)加熱電源電路的主回路結(jié)構(gòu)主電路結(jié)構(gòu)框圖如圖3.1所示:圖3.1感應(yīng)加熱電源主結(jié)構(gòu)框圖感應(yīng)加熱電源主電路圖，如圖3.2所示:圖3.2感應(yīng)加熱電源的主電路圖如圖3.2所示，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。Cdi、L d和Cd(Ci、C2)構(gòu)成II型濾波器。兩個(gè)電解電容C1, C2串聯(lián)以減小單個(gè)電容的承受的電壓， R2 , R3起均壓作用。R1為限流電阻， 當(dāng)系統(tǒng)開始上電時(shí)，由于電容兩端電壓為零，故剛

12、開始對(duì)電容充電時(shí)，電流將很 大，加上限流電阻R1后則就電流不會(huì)很大了。當(dāng)電容兩端電壓達(dá)到一定數(shù)值時(shí)， 交流接觸器K1閉合，將限流電阻短接。系統(tǒng)即可正常工作。逆變器采用單相變逆變橋，經(jīng)變壓器和串聯(lián)諧振電路相接。利用輪流驅(qū)動(dòng)單 相對(duì)角的兩組IGBT工作，把恒定的直流電壓變成10 Hz10 kHz方波電壓輸 出給負(fù)載。3.2.1 主回路的等效模型(1)從圖3.2可知，開始工作時(shí)，首先給電容 C充電。電路等效為一個(gè)一 階RC零狀態(tài)響應(yīng)電路，把整流器理想化為一個(gè)直流電壓源。如右下圖所示，開 關(guān)S閉合前電路處于零初始狀態(tài)，即在k0時(shí)刻，開關(guān)s閉合, 電路接入直流電壓源US。根據(jù)基爾霍夫電壓定律(KVD,有

13、n m +=lxVJ八力替I f jJ? 7 - C 把R 一 八， 力 代入，得電路微分方程28求解微分方程得出：，rr = Us -Use r 17(1 e T)(2) U c以指數(shù)形式趨近于它的最終恒定值Us ,達(dá)到該值后，電壓和電流不再變化，電容相當(dāng)于開路，電流為零。當(dāng)電解電容C充滿電后，相當(dāng)一個(gè)直流電壓源。T1和T4導(dǎo)通時(shí)，整流后 的直流電開始給負(fù)載供電，電流的流向 T1 R L T4 T1 ,則主回路等 效于一個(gè)一階RL零狀態(tài)響應(yīng)電路。電路圖如右下圖開關(guān)S接通后，i (0+) =i (0-) =0,電路的微分方程為dt初始條件為i (0+) =0時(shí)，電流i的通解為：/ z + Ae

14、 r式中p= L/R為時(shí)間常數(shù)特解i=us/R,積分常數(shù)A二一/(。心) pRf二土(1 4所以， R(3) T1繼續(xù)導(dǎo)通，電壓源提供的電流為 0,此時(shí)，電感儲(chǔ)存的能量通過(guò) T1和續(xù)流二極管D o2形成回路，等效為一個(gè)一階 RL零輸入響應(yīng)電路。如右 下圖所示。電路在開關(guān)S動(dòng)作之前電壓和電流已恒定不變，電感中有電流I0=U0/R0= ( i。-)。具有初始電流I0的電感L和電阻R連接，構(gòu)成一個(gè)閉合回路。在t 0時(shí)，根據(jù)KVL ,有：中 + nr 0K LthUT L 而“五一代7 ,工一小，電路的微分方程為+田=0dt其特征根為r r故電流為當(dāng)i - Ae L電阻和電感上電壓分別為：n 片= R

15、I/ L式Udi二 L：二一RI。1dt十+ IUL 3 LUR 立圖32主回路等效電路 3圖3.2d主回路等效電路4(4)當(dāng)T1和T4關(guān)斷，T2和T3到通時(shí)，電感的自感電流比整流電流大， 通過(guò)二極管D2、D3續(xù)流，等效為一個(gè)RLC二階零輸入響應(yīng)電路。如下圖所示, 為RLC串聯(lián)電路，假設(shè)電容原已充電，其電壓為U0 ,電感中的初始電流為I0 則t =0時(shí)，開關(guān)S閉合，此電路的放電過(guò)程即是二階電路的零輸入響應(yīng)。在指定的電壓、電流參考方向下，根據(jù) KVL可得:T% +UR +M1C,電加心=Rf = RCdtdtdnr八1- ur 0dt c上式以Uc(令U c = A?以方便求解)為未知量的RLC

16、串聯(lián)電路放電過(guò)程的 微分方程。求解后，特征方程為L(zhǎng)Cp2 +RCp + lQ解出特征根為:根號(hào)前有正負(fù)兩個(gè)符號(hào)，所以p有兩個(gè)值。為了兼顧這兩個(gè)值，電壓u C可 以寫成:二以港型+A?ec 12其中:可見(jiàn)，特征根pi和P2僅與電路參數(shù)和結(jié)構(gòu)有關(guān)，而與激勵(lì)和初始儲(chǔ)能無(wú) 關(guān)。根據(jù)給定的兩個(gè)初始條件結(jié)合電壓 U c的表達(dá)式，可得:- C將解得的Ai和A2代入電壓c u的表達(dá)式以得到RLC串聯(lián)電路零輸入響應(yīng)的表達(dá)式:3.2.2整流部分電路分析（1）基本工作原理為了盡可能減小整流器直流輸出電壓中的紋波， 通常在整流器直流一側(cè)并聯(lián) 容量較大的濾波電容。本設(shè)計(jì)采用目前應(yīng)用最為廣泛的三相橋式全控整流電路，其原理

17、圖如圖 3.2所示，習(xí)慣將其中陰極連接在一起的 3個(gè)二極管（Dl、D3、D5）稱為共陰極組；陽(yáng)極連接在一起的3個(gè)二極管（D4、D6、D2）稱為共陽(yáng)極組。止匕外，習(xí)慣上希望二 極管按從1至6的順序?qū)ǎ瑸榇藢⒍O管按圖示的順序編號(hào)，即共陰極組中a、與a、b、c三相電源相接的3個(gè)二極管分別為D1, D3, D5,共陽(yáng)極組中與b、c三相電源相接的3個(gè)二極管分別為D4、D6、D2;從以下的分析可知，按 此編號(hào)圖3.3電容濾波的三相橋式不可控整流電路的波形對(duì)共陰極組的3個(gè)二極管，陽(yáng)極所接交流電壓值最高的一個(gè)導(dǎo)通。而對(duì)共 陽(yáng)極組的3個(gè)二極管，則是陰極所接交流電壓值最低（或者說(shuō)負(fù)得最多）的一個(gè)導(dǎo) 通。這樣，

18、任意時(shí)刻共陽(yáng)極組和共陰極組中各有1個(gè)晶閘管處于導(dǎo)通狀態(tài)，加于負(fù)載上的電壓為某一線電壓。此時(shí)電路工作波形如圖3.3所示。從相電壓波形看，以變壓器二次側(cè)的中點(diǎn)n為參考點(diǎn)，共陰極組二極管導(dǎo)通時(shí)，整流輸出電壓 Ud1為相電壓在正半周的包絡(luò)線；共陽(yáng)極組導(dǎo)通時(shí)，整流 輸出電壓Ud2為相電壓在負(fù)半周的包絡(luò)線，總的整流輸出電壓Ud=Udl-Ud2,是兩條包絡(luò)線間的差值，將其對(duì)應(yīng)到線電壓波形上，即為線電壓在正半周的包絡(luò)線。直接從線電壓波形看，由于共陰極組中處于通態(tài)的二極管對(duì)應(yīng)的是最大（正得最多）的相電壓，而共陽(yáng)極組中處于通態(tài)的二極管對(duì)應(yīng)的是最小 （負(fù)得最多）的相 電壓，輸出整流電壓Ud為這兩個(gè)相電壓相減，是線電

19、壓中最大的一個(gè)，因此輸 出整流電壓Ud波形為線電壓在正半周期的包絡(luò)線。由圖3.2知，第I階段，a相電位最高，共陰極組1 D導(dǎo)通，b相電位最低， 共陽(yáng)極組D6導(dǎo)通。電流流通路徑為 a- D1 R L D6 b,負(fù)載上的電壓Ud =U a U b =U ab ,變壓器在a、b兩相工作，共陰極組a相電流為正，共陽(yáng) 極組的b相電流為負(fù)。第R階段，a相電位仍為最高，D1繼續(xù)導(dǎo)通，但c相電位最低，D2導(dǎo)通，電流從b相換至c相。D2因承受反向電壓而關(guān)斷。這時(shí)電流流通路徑為： aD1 R1_ D2 c,負(fù)載上的電壓 U d= U a - U c = Uac第田階段，b相電位最高，D3導(dǎo)通，則共陰極組換相至 D

20、3,電流從a相 換至b相，D1因?yàn)槌惺芊聪螂妷憾P(guān)斷，D2因?yàn)閏相電位仍為最低，而繼 續(xù)導(dǎo)通，電流流通路徑為：b-D5-R-LD2G負(fù)載上電壓U d = U b - U c = U bc o 以下IV、V、VI段依次類推。在IV段，D3、D4#通，Ud = Uba 0以后重復(fù)上訴過(guò)程?？芍O管導(dǎo)通順序?yàn)?D、D6 D1、D2 D2、D3D3、D4 D4、 D5D5、D6 D1、D6。3.2.3逆變部分電路分析（1）全橋逆變電路基本工作原理電壓型全橋逆變電路的原理圖己在圖 3.2中給出，它共有4個(gè)橋臂，可以 看成由兩個(gè)半橋電路組合而成。把橋臂l和4作為一對(duì)，橋臂2和3作為另一 對(duì)，成對(duì)的兩個(gè)橋

21、臂同時(shí)導(dǎo)通，兩對(duì)交替各導(dǎo)通 180。每個(gè)橋臂由一個(gè)IGBT和一個(gè)反并聯(lián)二極管組成。在直流側(cè)接有一個(gè)足夠大的電解電容。負(fù)載接在兩對(duì)橋臀聯(lián)結(jié)點(diǎn)之間。設(shè)四個(gè)IGBT有兩組的柵極信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)各有半周正偏，半周反偏，且二者互補(bǔ)。當(dāng)負(fù)載為感性時(shí)，其工作波 形如圖3.4所示。輸出電壓U0為矩形波，其幅值為Um=Ud,輸出電流i0波形 隨負(fù)載情況而異。設(shè)t2時(shí)刻以前T1,T4通態(tài)，T2,T3為斷態(tài)。t2時(shí)刻給T1,T4關(guān) 斷信號(hào)，給T2,T3開通信號(hào)，則T1,T4關(guān)斷，但由于感性負(fù)載中的電流i0 ,不 能立即改變方向，于是VD2, VD3導(dǎo)通續(xù)流。當(dāng)t3時(shí)刻i0降為零時(shí)，VD2, VD3 截止，T2, T

22、3開通。i0開始反向。同樣，在t4時(shí)刻給T2,T3關(guān)斷信號(hào)，給Tl,T4 開通信號(hào)后，T2,T3關(guān)斷，D1,D4先導(dǎo)通續(xù)流，t5時(shí)刻T1,T4才開通。各段時(shí)間 內(nèi)導(dǎo)通器件的名稱標(biāo)于圖3.4。圖3.4單相全橋電壓型逆變電路工作波形當(dāng)T1、T4或T2、T3為通態(tài)時(shí)，負(fù)載電流和電壓同方向。直流側(cè)向負(fù)載提 供能量；而當(dāng)D1, D4或D2, D3為通態(tài)時(shí)，負(fù)載電流和電壓反向，負(fù)載電感中 貯藏的能量向直流側(cè)反饋，即負(fù)載電感將其吸收的無(wú)功能量反饋回直流側(cè)。反饋 回的能量暫時(shí)儲(chǔ)存在直流側(cè)電容器中，直流側(cè)電容器起著緩沖這種無(wú)功能量的作 用。因?yàn)槎O管Dl、D4、D2、D3是負(fù)載向直流側(cè)反饋能量的通道，故稱為反饋

23、 二極管；又因?yàn)镈l、D2、D3、D4起著使負(fù)載電流連續(xù)的作用，因此又稱續(xù)流二 極管。(2)無(wú)源功率因數(shù)校正所謂無(wú)源功率因數(shù)校正，就是通過(guò)在電路中加入無(wú)源電感L或加入無(wú)源電感L和無(wú)源電容而使整流器輸入端電流接近于正弦的方法，這是人們最早采用 的方法。無(wú)源功率因數(shù)校正由三種比較基本的方法：一種是在整流器與直流濾波電容 之間用入無(wú)源電感Ld;二是在整流器輸入端用入無(wú)源 LC串并聯(lián)槽路；三是利用電容和二極管網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成填谷方式。Ld的無(wú)源校正電路,本設(shè)計(jì)采用的是在整流器與直流濾波電容之間用入無(wú)源直流電感這種少量的改進(jìn)，主要是在整流器與直流電感dL之間并入一個(gè)數(shù)值較小的 電容di C ,使di C、d L

24、和d C構(gòu)成II型濾波器，以對(duì)輸出直流電壓有更好的濾波作用，使輸出電壓的紋波更小。由于 di C d C ,所以其上的電壓還是可以隨著輸入電壓而波動(dòng)，冉則1 di .R C的值也很小，因此對(duì)輸入電流的畸變沒(méi)有什么影響，整流二極管的導(dǎo)通角也不會(huì)因此而減小。3.3系統(tǒng)主回路的元器件參數(shù)設(shè)定3.3.1 整流二極管和濾波電路元件選擇(i)整流二極管的選擇整流輸出的電壓平均值為:也 L-2 34U電流平均值： 輸出電流平均值IR為與單相電路情況一樣，電容電流平均值 C i為零、因此Id =Ir在一個(gè)電源周期中，d i有6個(gè)波頭，流過(guò)每一個(gè)二極管的是其中的兩個(gè) 波頭，因此二極管電流平均值為 d I的l/3

25、,即1 = d I /3= I R/3二極管D可能承受的最大正向電壓為線電壓峰值的1/2,即(，6 U )/2,即 J6x 220V/2=269.5V。二極管D可能承受的最大反向電壓為線電壓峰值 V6U= V6 X220V- 539V根據(jù)工程設(shè)計(jì)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)和工藝要求，整流二極管采用4個(gè)IN4007。IN4007反 向耐壓為1000V,封裝形式DO-41。(2)濾波電容的選擇濾波電容器dC主要起濾波和穩(wěn)定電壓的作用。由于采用三相橋式整流電路， 其電壓紋波脈動(dòng)為300Hz,為保證給逆變電路提供穩(wěn)定的直流電壓，濾波電路的 時(shí)間常數(shù)，也即濾波電容器 Ca與直流電源的等效負(fù)載電阻 Rd的乘積，必須為 紋波

26、中基波的周期時(shí)間的6倍以上，這里取8,即此(二=8/300 fl (7則:g =27x1()t二 27x10t xl/Ua= 27X10-3 X2/ 311.08= 0.311= 173.58 F電容電壓必須高于V2U d = 440 (V)。可以選用220UF/400V的電解 電容2只串聯(lián)。3.3.2 IGBT和續(xù)流二極管的選擇當(dāng)三相交流電380V整流變成直流電時(shí)，其有效值大約在 311.8V左右，當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)，續(xù)流二極管導(dǎo)通，穩(wěn)壓電源的全部輸入電壓都加在IGBT集-射極的兩端。因此，開關(guān)管的集 浦寸額定電壓UCE必須大于穩(wěn)壓電源的輸入電壓。IGBT受到的最大正向電壓為逆變器輸入端電壓源

27、的電壓U d，考慮到開關(guān)時(shí)的浪涌電壓，取額定電壓：U =1.5 X U d =1.5 X 311.08=466.62 (V)額定電流：Im=v2x2=2.283(A)另外，考慮與專用驅(qū)動(dòng)芯片 HCPL316J的兼容性，故選用型號(hào)為 G80N60,其有關(guān)參數(shù)如下：表3.4 G80N系列 的性能參數(shù)開啟電壓5V 1V柵極擊穿電壓20V集射電壓600V集電極電流6A集射峰值電流Icm20A耗散功率20W集射截止電流IGES0.5mA飽和壓降UCe2.7V正向跨導(dǎo)Gs36輸入電容GSS220 F下降時(shí)間t f43ns根據(jù)續(xù)流二極管的正向額定電流必須等于開關(guān)管的最大集電極電流，以及當(dāng)開關(guān)管截止時(shí)，輸入電

28、壓加在續(xù)流二極管的兩端， 因此，續(xù)流二極管的耐壓值必 須大于輸入電壓。再者，因?yàn)殚_關(guān)管的工作頻率很高，續(xù)流二極管也只是在IGBT 管關(guān)斷的很短一段時(shí)間內(nèi)工作，因此這種二極管的恢復(fù)時(shí)間還必須遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于開關(guān) 管的工作周期，這樣也只有200ns以下的快速恢復(fù)二極管能滿足要求。3.3.3 槽路電容和電感的參數(shù)設(shè)定(1)槽路電容設(shè)計(jì)由于此感應(yīng)加熱電源不采用阻抗匹配變壓器，因此在設(shè)計(jì)槽路電容時(shí)，主要考慮它與諧振電感的無(wú)功能量交換平衡。感應(yīng)加熱電源直流側(cè)電壓為 U d ,逆變時(shí)在負(fù)載上產(chǎn)生正負(fù)交變的方波士U d ,經(jīng)付氏級(jí)數(shù)展開基波電壓有效值為 2v2 U d /冗。取Q=3,因此諧振時(shí)槽路電容兩端的電壓為：

29、2v2Uc= QU= 3 Xx?= 420.4?其阻抗為：Xc=Uc/Ic=420.4/2=210.2Q所以C= 1/3 X c=13.37(nF)所以可按420.4V、14nF選配槽路電容(2)諧振電感和電阻的設(shè)計(jì)諧振時(shí)有XL = Xc= 210.2 Q所以L = XL = 1681.6 以 f453Q=所以槽路線圈和負(fù)載等效電阻可按 420.4V、2A、1182”設(shè)計(jì)加熱線圈，負(fù)載和線圈等效電阻為0.2Q4控制電路的設(shè)計(jì)在中小容量變頻電源的設(shè)計(jì)中，采用自關(guān)斷器件的脈寬調(diào)制系統(tǒng)比非自關(guān)斷 器件的相控系統(tǒng)具有更多的優(yōu)越性。第一代脈寬調(diào)制器SG3525A應(yīng)用于交流電機(jī)調(diào)速、UPS電源以及其他需要

30、PWM脈沖的領(lǐng)域。其外圍電路可對(duì)串聯(lián)諧振 式逆變電源進(jìn)行多功能控制，實(shí)現(xiàn) H橋式IGBT脈寬調(diào)制PWM信號(hào)的生成和 逆變電源的保護(hù)功能，以及變頻電源工作過(guò)程中諧振頻率的跟蹤控制?？刂齐娐罚▓D4.1）的核心為PWM 控制器SG3525A,用SG3525A發(fā)出的 PWM脈沖，來(lái)控制逆變器 VT1、VT4和VT2、VT3輪流導(dǎo)通，從而控制逆變 電壓和逆變頻率。圖4.1中SG3525A的6腳連接電阻R,改變R的大小，這 樣就可調(diào)控SG3525輸出的PWM脈沖頻率。同時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié) SG3525的9腳電 壓來(lái)改變輸出脈寬。3 G3 您A .J-210awaOUTAOUTB%圖4.1控制電路原理圖反饋電路如上

31、圖4.1所示，當(dāng)電流互感器從負(fù)載端感應(yīng)出交流電流，通過(guò)橋式整流器把他轉(zhuǎn)化為直流電，在滑動(dòng)變阻器PR2上產(chǎn)生電壓。由滑動(dòng)端輸出的信號(hào)接到SG3525A的10腳上，當(dāng)腳10電壓大于0. 7V時(shí)，芯片將進(jìn)行限流 操作，當(dāng)腳10電壓超過(guò)1.4V時(shí)，將使PWM鎖存器關(guān)斷，直至下一個(gè)時(shí)鐘周 期才能夠恢復(fù)。以下分別獨(dú)立介紹感應(yīng)加熱電源控制電路各個(gè)組成部分的基本原理、功能及參數(shù)計(jì)算。4.1 控制芯片SG3525A設(shè)計(jì)電路的控制電路是整個(gè)電路的主要部分。 如何保證系統(tǒng)穩(wěn)定且可靠工作 又使系統(tǒng)的開發(fā)周期短，性價(jià)比高，是一個(gè)需要綜合考慮的問(wèn)題。目前實(shí)際產(chǎn)品應(yīng) 用中有各種典型的控制電路，鑒于對(duì)電源和驅(qū)動(dòng)的要求，結(jié)合本

32、次畢業(yè)設(shè)計(jì)選擇了 SG3525A.4.1.1 芯片管腳及其功能介紹SG3525脈寬調(diào)制型控制器是美國(guó)通用電氣公司的產(chǎn)品，作為SG3524的改進(jìn)型，更適合于運(yùn)用 MOS管作為開關(guān)器件的DC/DC變換器，它是采用雙級(jí)型 工藝制作的新型模擬數(shù)字混合集成電路，性能優(yōu)異，所需外圍器件較少。它的主要特點(diǎn)是：輸出級(jí)采用推挽輸出，雙通道輸出，占空比0-50%可調(diào)，每一通道的驅(qū)動(dòng)電流最大值可達(dá)200mA,灌拉電流峰值可達(dá)500mA工NV. INPUTl-JL. INPUTSYBCOSC.OUPUTCTRTDISCHARGESOFT-START圖4.3 SG3525A的引腳圖VREF+VINOUTPUT BGRO

33、UNDOUTPUT ATDOWNCOMPENSATIONINV.INPUT（反相輸入端1）：誤差放大器的反相輸入端，該誤差放大器的增 益標(biāo)稱值為80db,其大小由反饋或輸出負(fù)載來(lái)決定，輸出負(fù)載可以是純電阻，也可以是電阻性元件和電容元件的組合。該誤差放大器共模輸入電壓范圍是1.5V-5. 2V。此端通常接到與電源輸出電壓相連接的電阻分壓器上。負(fù)反饋控制時(shí)， 將電源輸出電壓分壓后與基準(zhǔn)電壓相比較。NI.NPUT（同相/&入端2）:此端通常接到基準(zhǔn)電壓16腳的分壓電阻上，取 得2. 5V的基準(zhǔn)比較電壓與INV. INPUT端的取樣電壓相比較。SYNC（同步端3）:為外同步用。需要多個(gè)芯片同步工作時(shí)，

34、每個(gè)芯片有各自 的震蕩頻率，可以分別他們的4腳和3腳相連，這時(shí)所有芯片的工作頻率以最 快的芯片工作頻率同步。也可以使單個(gè)芯片以外部時(shí)鐘頻率工作。OSC.OUTPUT（同步輸出端4）:同步脈沖輸出。作為多個(gè)芯片同步工作時(shí)使 用。但幾個(gè)芯片的工作頻率不能相差太大，同步脈沖頻率應(yīng)比震蕩頻率低一些。 如不需多個(gè)芯片同步工作時(shí)，3腳和4腳懸空。4腳輸出頻率為輸出脈沖頻率 的2倍。輸出鋸齒波電壓范圍為 0. 6V到3. 5V。Cr（震蕩電容端5）:震蕩電容接至5腳，另一端直接接至地端。其取值范圍 為0.001uF到0. 1 u F。正常工作時(shí)，在Cr兩端可以得到一個(gè)從0.6V到3. 5V變 化的鋸齒波。R

35、 （震蕩電阻端6）:震蕩電阻一端接至6腳，另一端直接接至地端。R的阻 值決定了內(nèi)部恒流值對(duì) Cr充電。其取值范圍為2K歐到150K歐R和Cr越 大充電時(shí)間越長(zhǎng)，反之則充電時(shí)間短。DISCHATGE RD（放電端7）: Cr的放電由5、7兩端的死區(qū)電阻決定。把充 電和放電回路分開，有利于通過(guò)死區(qū)電阻來(lái)調(diào)節(jié)死區(qū)時(shí)間， 使死區(qū)時(shí)間調(diào)節(jié)范圍 更寬。其取值范圍為0歐到500歐。放電電阻Rd和Ct越大放電時(shí)間越長(zhǎng)，反 之則放電時(shí)間短。這樣，SG3525A的振蕩頻率可由下面的公式進(jìn)行計(jì)算：九區(qū)二%（0.7K丁+3夫口）SOFTSTATR儆啟動(dòng)8）:比較器的反相端即軟啟動(dòng)器控制端 8,端8可外接 軟啟動(dòng)電容，

36、該電容由內(nèi)部 Vf的50uA恒流源充電。COMPENSATION（償端9）:在誤差放大器輸出端 9腳與誤差放大器反相輸 入端1腳間接電阻與電容，構(gòu)成PI調(diào)節(jié)器，補(bǔ)償系統(tǒng)的幅頻、相頻響應(yīng)特性。 補(bǔ)償端工作電壓范圍為1.5V到5. 2V。SHUTDOWN（關(guān)斷端10）: 10端為PWM鎖存器的一個(gè)輸入端，一般在 10 端接入過(guò)流檢測(cè)信號(hào)。過(guò)流檢測(cè)信號(hào)維持時(shí)間長(zhǎng)時(shí)，軟起動(dòng)端8接的電容C被放電。一般用法是將過(guò)流脈沖信號(hào)送至關(guān)閉控制端 10腳，當(dāng)腳10電壓大于0. 7V 時(shí)，芯片將進(jìn)行限流操作，當(dāng)腳10電壓超過(guò)1.4V時(shí)，將使PWM鎖存器關(guān)斷， 直至下一個(gè)時(shí)鐘周期才能夠恢復(fù)。OUTPUTA, OUTPU

37、T B（脈沖輸出端11、14）:輸出末級(jí)采用推挽輸出電路， 驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)功率管時(shí)關(guān)斷速度更快。11腳和14腳相位相差180 ,拉電流和灌 電流峰值達(dá)200mA。由于存在開閉滯后，使輸出和吸收間出現(xiàn)重迭導(dǎo)通。在重 迭處有一個(gè)電流尖脈沖，起持續(xù)時(shí)間約為100ns。可以在V c處接一個(gè)約0. hxf的 電容濾去電壓尖峰。GROUN吸地端12）:該芯片上的所有電壓都是相對(duì)于 GROUND而言，即是 功率地也是信號(hào)地。在實(shí)驗(yàn)電路中，由于接入誤差放大器反向輸入端的反饋電壓 也是相對(duì)與12腳而言，所以主回路和控制回路的接地端應(yīng)相連。VC（推挽輸出電路電壓輸入端 13）:作為推挽輸出級(jí)的電壓源，提高輸出級(jí) 輸出

38、功率?？梢院?5腳共用一個(gè)電源，也可用更高電壓的電源。電壓范圍是 4.5V-35V 。+VIN（芯片電源端15）:直流電源從15腳引入分為兩路：一路作為內(nèi)部邏輯 和模擬電路的工作電壓；另一路送到基準(zhǔn)電壓穩(wěn)壓器的輸入端， 產(chǎn)生5.1 1%V 的內(nèi)部基準(zhǔn)電壓。如果該腳電壓低于門限電壓（Turn-off=8V），該芯片內(nèi)部電路鎖 定，停止工作（基準(zhǔn)源及必要電路除外）使之消耗的電流降至很?。s2mA）0另 外，該腳電壓最大不能超過(guò)35V,使用中應(yīng)該用電容直接旁路到 GROUND端。VREF（基準(zhǔn)電壓端16）:基準(zhǔn)電壓端16腳的電壓由內(nèi)部控制在5. 1 V 1%。 可以分壓后作為誤差放大器的參考電壓。由于本設(shè)計(jì)中的輸出電流頻率為 20KHz;所以由頻率公式，Ct可取1nf, RT 可用100K的滑