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1、0096 编号： 毕业设计论文课 题： 中频感应加热电源的设计中频感应加热电源的设计 院 （系）： 机电与交通工程系 专 业： 电气工程及其自动化 学生姓名： 学 号： 指导教师单位： 电气工程教研室 姓 名： 职 称： 高级实验师 题目类型：题目类型： 理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发20 年 06 月 03 日摘 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
2、 IGBT 作为开关器件，可工作在 10 Hz10 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
3、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；IGBTAbstractThe Intermediate Frequency Induction Heating has been widely applied in melting, casting, bend, hot forging, welding, Surface Heat Treatment due to i
4、ts advantages of high heating efficiency、high speed、easily controlled、easily being mechanized and automated. The scheme has made a plan of designs based on the task of design, designed corresponding hardware circuit and developed 20kW intermediate frequency induction heating power system. The thesis
5、 discusses the Choice of converter scheme in detail. Series Resonance Inverter has another name is Voltage Inverter. Its Output Voltage approaches square wave and load current approaches sine-wave. Inversion must follow the Principles of break before make and there is enough dead-time between turn-o
6、ff and turn on in order to avoiding direct through in upper and lower bridges.The thesis discussed the Choice of converter scheme in detail as well as introduced the control circuit of this power source and its design principle. Develop 20kW intermediate frequency induction heating power system with
7、 switch element IGBT. Make a research on Converter Circuit, control circuit, driver circuit etc. The CMOS chip that is applied in the design is mainly PWM Controller SG3525A and optical coupler Drive Circuit HCPL-316J. The controlled feature of PWM Controller SG3525A is fully utilized in the process
8、 of design, which has wide adjustable operating frequency and dead time, input under voltage lock function and twin channel output current. The optical coupler Drive Circuit HCPL-316J is chosen as the driven of IGBT due to its functions, such as fast switch speed (500ns), optical isolation, the feed
9、back of fault situation, wide operating voltage (15V30V), automatic reset and automatic close down etc. Key words：Induction heating power supply; series resonance；inverse circuit；IGBT目 录引言.11 绪论21.1 感应加热的工作原理21.2 感应加热电源技术发展现状与趋势32 感应加热电源实现方案研究52.1 串并联谐振电路的比较52.2 串联谐振电源工作原理72.3 电路的功率调节原理82.4 本课题设计思路及
10、主要设计内容83 感应加热电源电路的主回路设计93.1 主电路的主要设计元器件参数93.2 感应加热电源电路的主回路结构93.2.1 主回路的等效模型 .103.2.2 整流部分电路分析 .133.2.3 逆变部分电路分析 .153.3 系统主回路的元器件参数设定.163.3.1 整流二极管和滤波电路元件选择 .163.3.2IGBT 和续流二极管的选择 .173.3.3 槽路电容和电感的参数设定 .184 控制电路的设计.194.1 控制芯片 SG3525A194.1.1 内部逻辑电路结构分析 .204.1.2 芯片管脚及其功能介绍 .214.2 电流互感器.235 驱动电路的设计.245.
11、1 绝缘栅双极型晶体管（IGBT）对驱动电路的要求.245.1.1 门极电压对开关特性的影响及选择 .245.1.2 门极串联电阻对开关特性的影响及选择 25GR5.2 IGBT 过压的原因及抑制 255.3 IGBT 的过流保护 265.3.1 设计短路保护电路的几点要求 .275.4 集成光电隔离驱动模块 HCPL-316J .275.4.1 器件特性 .275.4.2 芯片管脚及其功能介绍 .285.4.3 内部逻辑电路结构分析 .285.4.4 器件功能分析 .295.4.5 驱动电路的试验和注意问题 .306 辅助直流稳压电源.316.1 三端固定稳压器.316.2 本次设计用的的电
12、源.326.2.1 18 伏，15 伏稳压电压电源326.2.2 12 伏，5 伏双路稳压电源.326.2.3 元器件选择及参数计算 .337 硬件调试348 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 PCB40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
13、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
14、要中频变压器降压、结构简单、效率高。1 绪论感应加热具有加热效率高、速度快、可控性好及易于实现自动化等优点，广泛应用于金属熔炼、透热、热处理和焊接等工业生产过程中，成为冶金、国防、机械加工等部门及铸、锻和船舶、飞机、汽车制造业等不可缺少的技术手段。1.1 感应加热的工作原理感应加热原理为产生交变的电流，从而产生交变的磁场，在利用交变磁场来产生涡流达到加热的效果。如图 1.1：图图 1.11.1 感应电流图示感应电流图示当交变电流通入感应圈时，感应圈内就会产生交变磁通，使感应圈内的工件受到电磁感应电势 。设工件的等效匝数为。则感应电势：e2N（1-11-1）dtdNe2如果磁通是交变得，设，则t
15、msin有效值为：（1-31-3）MfNE244. 4感应电势 E 在工件中产生感应电流使工件内部开始加热，其焦耳热为：（1-4）RtIQ2 224. 0式中： 感应电流有效值（安） ，R工件电阻（欧） ，t时间（秒） 。2I这就是感应加热的原理。感应加热与其它的加热方式，如燃气加热，电阻炉加热等不同，它把电能直接送工件内部变成热能，将工件加热。而其他的加热方式是先加热工件表面，然后把热再传导加热内部。金属中产生的功率为：（1-5）cos44. 4cos2MfNEIP感应电势和发热功率不仅与频率和磁场强弱有关，而且与工件的截面大小、截面形状等有关，还与工件本身的导电、导磁特性等有关。在感应加热设备中存在着三个效应集肤效应、近邻效应和圆环效应。集肤效应：当交变电流通过导体时，沿导体截面上的电流分布式部均匀的，最大电流密度出现在导体的表面层，这种电流集聚的现象称为集肤效应。近邻效应当两根通有交流电的导体靠得很近时，在互相影响下，两导体中的电流要重新分布。当两根导体流的电流是反方向时，最大电流密度出现在导体内侧；当两根导体流的电流是同方向时，最大电流密度出现在导体外侧，这种现象称为近邻效应。圆环效应：若将交流电通过圆环形线圈时，最大电流密度出现在线圈导体的内侧，这种现象称为圆环效应。感应加热电源就是综合利用这三种效应的设
