基于IGBT的150kHz大功率感应加热电源的研究

论文摘要

本文以感应加热电源为研究对象,阐述了感应加热电源的基本原理及其发展趋势。对感应加热电源常用的两种拓扑结构——电流型逆变器和电压型逆变器做了比较分析,并分析了感应加热电源的各种调功方式。在对比几种功率调节方式的基础上,得出在整流侧调功有利于高频感应加热电源频率和功率的提高的结论,选择了不控整流加软斩波器调功的感应加热电源作为研究对象。针对传统硬斩波调功式感应加热电源功率损耗大的缺点,采用软斩波调功方式,设计了一种零电流开关准谐振变换器ZCS-QRCs（Zero-current-switching-Quasi-resonant）倍频式串联谐振高频感应加热电源。介绍了该软斩波调功器的组成结构及其工作原理,通过仿真和实验的方法研究了该软斩波器的性能,从而得出该软斩波器非常适合大功率高频感应加热电源应用场合的结论。同时设计了功率闭环控制系统和PI功率调节器,将感应加热电源的功率控制问题转化为Buck斩波器的电压控制问题。针对目前IGBT器件频率较低的实际情况,本文提出了一种新的逆变拓扑—通过IGBT的并联来实现倍频,从而在保证感应加热电源大功率的前提下提高了其工作频率,并在分析其工作原理的基础上进行了仿真,验证了理论分析的正确性,达到了预期的效果。另外,本文还设计了数字锁相环（DPLL）,使逆变器始终保持在功率因数近似为1的状态下工作,实现电源的高效运行。最后,分析并设计了IGBT的缓冲吸收电路。本文第五章设计了一台150kHz、10KW的倍频式感应加热电源实验样机,其中斩波器频率为20kHz,逆变器工作频率为150kHz（每个IGBT工作频率为75kHz）,控制核心采用TI公司的TMS320F2812 DSP控制芯片,简化了系统结构。实验结果表明,该倍频式感应加热电源实现了斩波器和逆变器功率器件的软开关,有效的减小了开关损耗,并实现了数字化,提高了整机效率。文章给出了整机的结构设计,直流斩波部分控制框图,逆变控制框图,驱动电路的设计和保护电路的设计。同时,给出了关键电路的仿真和实验波形。实验证明,以上分析和电路设计都是行之有效的,在实验中取得很好的效果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 概述
• 1.1 感应加热原理及其特点
• 1.2 感应加热电源的发展概况和趋势
• 1.2.1 国外感应加热电源现状
• 1.2.2 国内感应加热电源现状
• 1.2.3 感应加热电源的发展趋势
• 1.3 本课题研究的内容及意义
• 1.3.1 主要研究内容
• 1.3.2 课题研究的意义
• 1.4 本章小结
• 第二章 感应加热电源主电路方案分析与确定
• 2.1 感应加热电源拓扑结构的分析与选择
• 2.1.1 串联谐振逆变器
• 2.1.2 并联谐振逆变器
• 2.1.3 感应加热逆变器拓扑结构的选择
• 2.1.4 串联谐振逆变器的工作原理
• 2.2 串联谐振式感应加热电源常用功率调节方式
• 2.2.1 逆变调功
• 2.2.2 直流调功
• 2.2.3 调功方式比较
• 2.3 本章小结
• 第三章 倍频式感应加热电源主电路的分析及设计
• 3.1 倍频式高频电源主电路工作原理分析
• 3.2 功率调节电路的分析与设计
• 3.2.1 逆变器调功原理分析
• 3.2.2 软开关技术概述及其电路的选择
• 3.2.3 调功电路分析
• 3.3 功率控制策略及实现
• 3.3.1 Buck 变换器的PI 控制
• 3.3.2 PI 调节器设计
• 3.4 逆变器的分析与设计
• 3.4.1 逆变电路设计
• 3.4.2 IGBT 缓冲电路的选择
• 3.4.3 驱动器的选择
• 3.5 本章小结
• 第四章 基于DSP 的倍频式感应加热电源系统的设计
• 4.1 基于DSP 的系统设计
• 4.1.1 TMS320F2812 DSP 简介
• 4.1.2 基于DSP 的系统设计
• 4.1.3 系统软件总流程图
• 4.2 调功系统设计
• 4.2.1 数字化PID 调节器设计
• 4.2.2 基于DSP 的调功系统的软件设计
• 4.3 数字锁相环（DPLL）设计
• 4.3.1 数字锁相环的基本原理
• 4.3.2 基于DSP 的DPLL 程序设计
• 4.4 DSP 外围电路设计
• 4.4.1 辅助电源设计
• 4.4.2 信号检测电路
• 4.4.3 过电压过电流保护电路
• 4.4.4 基于2SD315A 的驱动电路的具体实现
• 4.5 电源参数选择与设计
• 4.5.1 整流部分计算
• 4.5.2 斩波器参数的计算
• 4.5.3 逆变部分参数设计
• 4.5.4 缓冲电路的设计
• 4.6 小结
• 第五章 仿真与实验结果及总结
• 5.1 仿真波形
• 5.1.1 调功器的仿真分析
• 5.1.2 逆变器的仿真分析
• 5.2 实验时所用的主要仪器及设备
• 5.3 试验波形
• 5.3.1 调功器的实验波形
• 5.3.2 逆变器的实验波形
• 5.4 总结
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 附录A DSP 主板原理图
• 附录B 保护电路
• 附录C 部分源程序
• 附录D 作者在攻读硕士学位期间发表的论文及参与的项目