4000W超高频感应加热电源方案分享之系统设计

----------------------- Page 1-----------------------Athesis submitted toZhengzhouUniversityfor the degree ofMasterThe Design of the High-Frequency InductionHeating Power SupplyBy Zhendong ZhangSupervisor锛歅rof锛嶱ing LiuIntegrated Circuit Engineeringof InformationCollege EngineeringMay 2014----------------------- Page 2-----------------------銏2銏?40鍚?銏?6銏?瀛︿綅璁烘枃鍘熷垱鎬у０鏄?鏈汉閮戦噸澹版槑锛氭墍鍛堜氦鐨勫浣嶈鏂囷紝鏄湰浜哄湪瀵煎笀鐨勬寚瀵间笅锛岀嫭绔嬭繘琛岀爺绌舵墍鍙栧緱鐨勬垚鏋溿€傞櫎鏂囦腑宸茬粡娉ㄦ槑寮曠敤鐨勫唴瀹瑰锛屾湰璁烘枃涓嶅寘鍚换浣曞叾浠栦釜浜?鎴栭泦浣撳凡缁忓彂琛ㄦ垨鎾板啓杩囩殑绉戠爺鎴愭灉銆傚鏈枃鐨勭爺绌朵綔鍑洪噸瑕佽础鐚殑涓汉鍜岄泦浣擄紝鍧囧繁鍦ㄦ枃涓互鏄庣‘鏂瑰紡鏍囨槑銆傛湰澹版槑鐨勬硶寰嬭矗浠荤敱鏈汉鎵挎媴銆?瀛︿綅璁烘枃浣滆€咃細寮犳尟琚? 鏃ユ湡锛?0 c4,骞村瞾鏈坃z7鏃?瀛︿綅璁烘枃浣跨敤鎺堟潈澹版槑鏈汉鍦ㄥ甯堟寚瀵间笅瀹屾垚鐨勮鏂囧強鐩稿叧鐨勮亴鍔′綔鍝侊紝鐭ヨ瘑浜ф潈褰掑睘閮戝窞澶у銆?鏍规嵁閮戝窞澶у鏈夊叧淇濈暀銆佷娇鐢ㄥ浣嶈鏂囩殑瑙勫畾锛屽悓鎰忓鏍′繚鐣欐垨鍚戝浗瀹舵湁鍏抽儴闂ㄦ垨鏈烘瀯閫佷氦璁烘枃鐨勫鍗颁欢鍜岀數瀛愮増锛屽厑璁歌鏂囪鏌ラ槄鍜屽€熼槄锛涙湰浜烘巿鏉冮儜宸?澶у鍙互灏嗘湰瀛︿綅璁烘枃鐨勫叏閮ㄦ垨閮ㄥ垎缂栧叆鏈夊叧鏁版嵁搴撹繘琛屾绱紝鍙互閲囩敤褰卞嵃銆?缂╁嵃鎴栬€呭叾浠栧鍒舵墜娈典繚瀛樿鏂囧拰姹囩紪鏈浣嶈鏂囥€傛湰浜虹鏍″悗鍙戣〃銆佷娇鐢ㄥ浣嶈鏂囨垨涓庤瀛︿綅璁烘枃鐩存帴鐩稿叧鐨勫鏈鏂囨垨鎴愭灉鏃讹紝绗竴缃插悕鍗曚綅浠嶇劧涓洪儜宸炲ぇ瀛︺€備繚瀵嗚鏂囧湪瑙ｅ瘑鍚庡簲閬靛畧姝よ瀹氥€?瀛︿綅璁烘枃浣滆€咃細鎵媖鎼? 褰? 鏃ユ湡锛?0 14骞村瞾鏈?浜嗘棩----------------------- Page 3-----------------------鎽樿鎽樿鏈枃浠ラ珮棰戞劅搴斿姞鐑數婧愪负涓昏鐮旂┒瀵硅薄锛屼粙缁嶄簡鎰熷簲鍔犵儹鎶€鏈殑鑳屾櫙鐭?璇嗗拰鍩烘湰鍘熺悊锛岄槓杩颁簡鎰熷簲鍔犵儹鐢垫簮鐨勫彂灞曡繎鍐点€佹湭鏉ヨ秼鍔垮拰浼樺娍鐗圭偣銆傚垎鏋?瀵规瘮浜嗕覆銆佸苟鑱斾袱绉嶈皭鎸洖璺強鍏跺搴旂殑閫嗗彉鍣ㄦ嫇鎵戠粨鏋勶紝缁撳悎鏈枃鐨勮姹傦紝閫夋嫨涓茶仈璋愭尟閫嗗彉鍣ㄣ€傚垎鏋愪簡涓茶仈璋愭尟閫嗗彉鍣ㄧ殑涓夌宸ヤ綔鐘舵€侊紝纭畾寮辨劅鎬т负瀹為檯宸ヤ綔鐨勬渶浣崇姸鎬併€?鏈枃缁欏嚭浜嗘劅搴斿姞鐑數婧愮殑鏁存満璁捐锛岃绠椾簡涓荤數璺腑鏁存祦妗ャ€佹护娉㈢數瀹广€?鐢垫簮绾胯矾婊ゆ尝鍣ㄣ€佸紑鍏崇鍙婅皭鎸洖璺殑鍙傛暟锛屽苟涓旇璁′簡璐熻浇鍖归厤鍙樺帇鍣ㄣ€佺數娴侀噰鏍蜂簰鎰熷櫒鍜岃緟鍔╃數婧愩€備负浜嗘秷闄ゅ姞鐑繃绋嬩腑璐熻浇鍙傛暟鐨勫彉鍖栧璋愭尟棰戠巼鐨?褰卞搷锛岃璁′簡涓€绉嶅熀浜嶤C4098鐨勯鐜囪窡韪數璺紝閲囩敤妯℃嫙鎺у埗鐢佃矾閰嶅悎SG3525PWM闆嗘垚鐢佃矾锛屾瘮杈冨鏄撳湴瀹炵幇棰戠巼鑷姩璺熻釜銆傝璁′簡鍔熺巼璋冭妭鐢佃矾鎺у埗璐熻浇鍔熺巼銆傝璁′簡椹卞姩鐢佃矾锛屾帶鍒跺姛鐜囧紑鍏崇鐨勫紑閫氫笌鍏虫柇锛岄殧绂讳簡涓荤數璺拰鎺у埗鐢佃矾銆傝繕璁捐浜嗕繚鎶ょ數璺紝淇濊瘉浜嗙數婧愮殑姝ｅ父杩愯銆?鏈枃鏈€鍚庣粰鍑哄悇涓姛鑳芥ā鍧楃殑瀹為獙娉㈠舰鍥撅紝缁撴灉璇佹槑棰戠巼璺熻釜鐢佃矾鍏锋湁杈?绋冲畾鐨勯鐜囪窡韪€ц兘锛屼笖鍦ㄦ弧瓒崇數婧愪腑閫嗗彉閮ㄥ垎宸ヤ綔浜庡急鎰熸€х姸鎬佹柟闈㈣揪鍒扮悊鎯虫晥鏋溿€傛湰璁捐杈惧埌浜嗛鏈熺殑瑕佹眰銆?鍏抽敭璇嶏細鎰熷簲鍔犵儹涓茶仈璋愭尟棰戠巼璺熻釜鍔熺巼璋冭妭椹卞姩鐢佃矾----------------------- Page 4-----------------------AbstractAbstractThe main research object of this thesis is t11e 1ligh frequency induction heatingpower supply锛嶧irst of all introduce the background knowledge and thebasic principleof inductionheating technology and expound the development situation锛宖uture trendsand advantages锛嶢fter analysis and comparison of the two resonant circuit and theftinverter topology structure锛宎ccording to the requirements锛宻elect the series resonantinverter锛嶢nalyzing the three kinds of working states of the series resonant inverter,choose the weak sensibility for the best practical working state锛?Then present the whole machine design of induction heating power supply andfigure out the parameters ofbridge rectifiers锛宖ilter capacitor,power line filter,powerswitchingdevice and resonant circmt in themain circuit and design the loadmatchingtransformer,current transformer and auxiliary power supply锛嶵he load parameterchanges effect on the resonance frequency in the process of heating锛宨n order toeliminate the influence锛宒esign a frequency tracking circuit based on CC4098锛宼hecircuit adopting the analog control circuit with SG3525 PWM integrated circuit 锛宑anCKITy out the frequency automatic tracking easily锛嶥esign the power control circuit tocontrol the load power锛嶥esign the driving circuit which Can not only control thepower switching device on and off,but also insulate the main circuit and the controlcircuit锛嶢lso design the protection circuit锛宼o ensure the normal operation ofpower锛?Finally present the experimental waveforms of each function module锛嶵heresults show that the frequency tracking circuit has stable frequency trackingand can achieve the ideal effect when the inverter works in weakperformanceemotional state锛嶵herefore this design reaches the expected requirement锛?Key word锛歩nduction heating锛宻eries resonance锛宖requency tracking锛宲ower controldriving circuit----------------------- Page 5-----------------------鐩綍鐩綍鎽樿鈥︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€Abstract鈥︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︼紟鈥︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︼紟I][1 缁鈥︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︼紟锛?1锛? 鎰熷簲鍔犵儹鎶€鏈殑鑳屾櫙鐭ヨ瘑鍜屽熀鏈師鐞嗏€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︿竴li锛巌锛嶪鎰熷簲鍔犵儹鎶€鏈殑鑳屾櫙鐭ヨ瘑鈥︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︼紟11锛巌锛?鎰熷簲鍔犵儹鎶€鏈殑鍩烘湰鍘熺悊鈥︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︼紟21锛?鎰熷簲鍔犵儹鐢垫簮鐨勫彂灞曡繎鍐靛拰鏈潵瓒嬪娍鈥︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︺€?I锛?锛嶪鎰熷簲鍔犵儹鐢垫簮鐨勫彂灞曡繎鍐碘€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︼紟31锛?锛?鎰熷簲鍔犵儹鐢垫簮鐨勬湭鏉ヨ秼鍔库€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︼紟31锛?鎰熷簲鍔犵儹鐢垫簮鐨勪紭鍔库€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︿竴41锛?鏈枃鐨勪富瑕佸伐浣溾€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︿竴52鎰熷簲鍔犵儹鐢垫簮鏁存満缁撴瀯鍜屾嫇鎵戠粨鏋勫垎鏋愬姣斺€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︼紟锛?2锛? 鏁存満缁撴瀯鍙婂悇鍔熻兘鍗曞厓鍒嗘瀽鈥︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︿竴62锛?璋愭尟鍥炶矾鍒嗘瀽鈥︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€?2锛?锛巌涓茶仈璋愭尟鍥炶矾鈥︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︼紟72锛?锛?骞惰仈璋愭尟鍥炶矾鈥︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︼紟92锛?閫嗗彉鍣ㄦ嫇鎵戠粨鏋勫垎鏋愬強姣旇緝鈥︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€?12锛?锛巌涓茶仈璋愭尟閫嗗彉鍣ㄢ€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€?i2锛?锛?骞惰仈璋愭尟閫嗗彉鍣ㄢ€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€?22锛?锛? 涓层€佸苟鑱旇皭鎸€嗗彉鍣ㄥ姣斺€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€?32锛?涓茶仈璋愭尟璋冨姛鏂瑰紡瀵规瘮鈥︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︼紟152锛? 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SG3525鍚屾浠嬬粛鈥︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︼紟锛?14锛?锛?杩囬浂妫€娴嬧€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€︹€?24锛?锛? 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一款高功率因数感应加热电源的设计方案与实现
引言
 目前，感应加热电源已广泛用于金属熔炼、透热、焊接、弯管、表面淬火等热加工和热处理行业。

然而传统感应加热电源整流变换一般采用晶闸管相控整流或二极管不控整流方式，为获得较为稳定的直流电压，整流后往往采用大电容储能兼滤波，导致电网输入侧功率因数非常低，电流畸变，对电网造成谐波污染;此外，还对周围及自身系统的信号产生严重的电磁干扰，系统效率降低。

为了减小谐波电流、提高功率因数，有必要采用功率因数校正技术(APFC)。

 传统感应加热电源及改进
 传统的感应加热电源的主电路结构如图1所示，包括四个部分：不控整流、大电容储能滤波、逆变电路和谐振负载。

图中通过不可控整流的方式将交流变为直流，再通过大电容滤波变成比较稳定的直流电作为逆变电路的供电电源，在逆变侧部分实现系统的逆变输出和功率调节。

 整个系统由DSP控制，电压电流检测装置通过检测直流母线的电压值和电流值并变送给DSP，以实现功率反馈。

负载检测包括温度检测和频率跟踪，通过将红外线传感器检测到的温度值变送给DSP，以实现温度反馈；通过检测负载的谐振电流和电压信号反馈给DSP以实现频率跟踪。

在DSP内部对电压、电流等反馈信号分别A/D变换、保持，通过数字乘法运算求出实际输出功率与数字给定功率比较，对偏差进行数字PID控制，可实现电源输出功率的闭环控制和DPLL频率跟踪，故障检测保护电路对缺水、过热、过压、过流等故障实时监控，由DSP故障处理子程序比较判断后，以中断方式处理。

4000W 超高频感应加热电源方案分享之驱动电路
在昨天的文章中，我们为大家分享了一种4000W 超高频感应加热电源的设计方案，并针对这一感应加热电源系统中的主电路设计情况，进行了简要分析和总结。

在今天的方案分享中，我们将会继续就这一方案中的驱动电路设计情况，进行详细分析和介绍，下面就让我们一起来看看吧。

桥臂推挽脉冲变压器驱动电路
在超高频感应加热电源的方案设计中，驱动电路是非常关键的设计部分，它将会保证感应加热设备的主电路与控制电路的高低压隔离，同时进行功率放大。

在1MHz 的高频条件下保证脉冲的上升沿与下降沿的陡度，是本方案中驱动电路的技术核心。

本方案中所设计的超高频感应加热设备的系统框图，如下图图1 所示。

图1 超高频感应加热设备系统框图
通常来看，在一些高频、超高频感应加热设备中，其驱动电路的常规隔离措施是使用快速光耦，但快速光耦无法满足本方案中高频脉冲前后沿的陡峭要求，因此我们特别采用了传输速度快的脉冲变压器驱动。

由于主电路采用V2MOS 场效应管并联扩大容量，H 桥逆变器共用16 只管子，又要保证器件可靠开通、关断，因而采用了桥臂驱动方式，每一桥臂驱动电路如图2 所示。

图2 超高频感应加热电源桥臂驱动电路。

高频感应加热电源系统设计周美兰;李艳萍;王吉昌【摘要】针对感应加热电源在小型工件的热处理和焊接等工业加工技术方面,存在功率不集中、输出频率较低和工作状态不稳定等问题,设计了一台1 MHz/5 kW的高频感应加热电源.给出了整流滤波电路、全桥逆变电路、信号处理电路、隔离变压器等的设计过程和相应的硬件电路图.构建了感应加热电源闭环控制系统的仿真模型.通过仿真验证了所提出的基于模糊控制算法的移相调功(pulse skip modulation,PSM)和调频调功(pulse frequency modulation,PFM)双闭环控制的有效性.搭建实验平台,完成了信号处理电路检测及光耦实验,并对实验数据进行曲线拟合并分析得出误差百分比低于5％,从而验证了硬件电路设计的合理性.【期刊名称】《哈尔滨理工大学学报》【年(卷),期】2015(020)001【总页数】6页(P50-55)【关键词】感应加热;信号处理;闭环控制【作者】周美兰;李艳萍;王吉昌【作者单位】哈尔滨理工大学电气与电子工程学院,黑龙江哈尔滨150080;哈尔滨理工大学电气与电子工程学院,黑龙江哈尔滨150080;哈尔滨理工大学电气与电子工程学院,黑龙江哈尔滨150080【正文语种】中文【中图分类】TN86感应加热电源最早使用于金属表面热处理加工,在技术发展成熟之后被广泛引入到焊接领域和各种加热应用中[1-2]．目前,感应加热技术已广泛应用于多个领域,包括金属熔炼、焊接、热处理、食品及医药等多个行[3-4]其中对于小型工件的热处理和焊接等工业加工技术而言,就需要感应加热电源具有功率更加集中和输出频率更高的特点[5-6],针对这一问题本文采用了先进的数信号处理器TMS320F2812作为控制器,设计了频率f=1 MHz、功率P=5 kW的高频感应加热电源,搭建了实验平台,并测得了实验数据及波形,具有一定的实际参考价值．高频感应加热电源结构框图如图1所示．不控整流电路将输入的50 Hz/220 V交流电转化成直流电压,全桥逆变电路把直流电压逆变为适合感应加热的高频交流电,逆变负载连接二阶RLC串联谐振电路,并使用高频变压器进行阻抗匹配[7-8];信号采集处理电路将电压信号及电流信号的相位和幅值分别进行采集并处理;控制系统采用模糊控制算法的移相调功 (PSM)和调频调功(PFM)双闭环控制[9-10]．反馈闭环回路采用DSP (TMS320F2812)控制,通过CAP捕获模块和ADC模块分别采样负载电流电压相位信号和幅值信号,每个采样周期结束后,EV事件管理器PWM实时更新全桥逆变器的四路控制脉冲信号,经隔离驱动后控制MOSFET开关,实现高频感应加热电源智能化控制．2.1 整流滤波电路根据单相全桥不控整流的计算并考虑安全裕量和电网电压的波动后,选择了意法半导体STMicroelectronics的STTH6010H,该整流二极管的IFAV=60A(75 ℃);URRM=1 000 V．电容滤波的单相不可控整流电路设计电容时会根据负载的情况来确定,通常选择电容其中T为交流电源的周期,R为电路等效电阻,通常电网的波动为±20%,则母线电容所承受的峰值电压 V．对于2倍负载谐振频率的交流分量的处理,在一个高频周期内电容两端电压变化在±20%以内,得到电容,电容两端的峰值电压VCb=1.2×373≈450 V．由于不同材质的电容有不同的特点,所以需要多种材质的电容器同时并联工作在直流母线之间．2.2 逆变及驱动电路逆变器最大工作电流的峰值约为42 A,在选择开关器件时,为了保证工作安全一般选取系统中通态最大电流的1.5～2倍作为参考[11]．选取型号为IPW65R019C7的功率MOSFET.对于MOSFET的驱动可以理解为对于RC电路的充电过程,这样开通MOSFET所需的功率如下式(1)所示．其中,Vg为驱动电压; f为开关率．驱动芯片选择德州仪器Texas Instrument公司的UCC27322DGN,它具有±9 A 的驱动能力,平均30 ns的驱动信号延迟,足够胜任驱动MOSFET工作在1 MHz的开关频率．由于本文中感应电源工作频率较高,信号的隔离传送并不适合使用中低速的的光电隔离技术[12],因此选用的ISO722xM系列隔离芯片,该系列芯片采用的是电容隔离技术,具有高可靠性、低电流消耗、高带宽和长使用寿命等优异性能．2.3 负载谐振参数及隔离变压器串联谐振和隔离变压器共同组成了感应加热电源的负载,它们之间的参数相互影响[13-14],首先确定RLC串联谐振等效参数,假设RLC串联谐振品质因数Q=8,根据下面的公式可计算谐振电容Cr=1.5 nF;谐振电感Lr≈16.9 μH．所需参数均取极限值,则 700 V,因此选择49个1.5 nF/1 kV的陶瓷电容7串7并组成谐振电容组．在主电路中隔离变压器的功能一方面是能量的传递、另一方面是起阻抗匹配的作用．由于电源工作频率为1 MHz,所以对磁芯材料要求比较高,磁芯选择Ferroxcube公司3F4材料的环形磁芯,该材料能够在损耗较低的情况下工作在2MHz,并且环形磁芯漏感小制作高频功率变压器十分合适．表1给出了磁芯的部分参数,结合这些参数,计算高频变压器的详细参数．为磁芯体积为13 000 mm3;等效磁路长度为259 mm.利用式(4)计算变压器磁芯使用磁环,并且选择磁通密度Bw为0.05T时,初级线圈所需的匝数Np．将数据代入式(4)计算得出Np≈24．导线截面积其中导线电流密度J为5 A/mm2,将数据代入计算得5.94 mm2,考虑到集肤效应的影响,选用多股线绕制变压器,并使多股导线的截面积不小于计算值．为了保证变压器的安全工作,在导线外侧套用多层绝缘管．2.4 信号处理电路设计由于细小工件尺寸的影响,低频率的感应加热电源不能胜任．传统感应加热电源采用信号传感器组成的锁相电路,而广泛使用的信号传感器的响应时间都很高,并不适合使用在1 MHz的高频电源中[15]．所以本文设计以下电路来采集电压及电流的相位信号,改善了传统感应加热电源功率较低的缺点．图2(a)为电流幅值处理电路,负载内的电流信号经过滤波器处理之后,输入到运放B 和C所构成的精密整流电路,将正弦波处理成低失真的全波正弦信号,再经无源低通滤波器后转换为波动较小的平直电压,被处理后的直流电压的大小与输入正弦电流的幅值正比例相关．利用低速光耦的线性区将得到的直流电压隔离传送给主控芯片的AD0．图2(b)为电流相位处理电路,电流信号滤波处理电路的输入端接功率采样电阻,将负载中的电流量转化为电压信号后,通过滤波电路和过零比较器生成电流相位信号．经隔离芯片后相位信号最后传送到处理器的捕获单元CAP1．图3(a)为电压幅值处理电路,利用光耦的线性区将母线电压的大小隔离传送给主控芯片的AD1．图3(b)为电压相位处理电路,负载两端的电压经过电阻分压后连接比较器正端,比较器负端连接分压电阻来取得一个已知的电压,目的是提高一定的抗干扰能力[16]．经过分压后的负载电压与接近地电位的电压进行比较,比较器输出的方波就是负载两端电压的相位信号．相位信号经隔离芯片后最后传送到处理器的捕获单元CAP2．3.1 仿真建模图4给出了感应加热电源的闭环控制仿真模型．其中,相位信号处理模块“Phase Detection”将从逆变器采集回来的电压信号和电流信号利用边沿触发模块来进行相位信号检测,获得电压信号和电流信号上升沿的时间差;功率信号处理模块“Adjusting Power”用于检测并保存负载内电流峰值的大小．这两个模块的输出量分别作为模糊控制算法“Fuzzy Frequency” 和“Fuzzy Power” 的输入变量．模糊控制器的运算结果输出到PWM生成模块,在MATLAB Function功能模块中编写函数完成PSM和PFM信号的处理和合成,最后输出2路数据,通过非门将数据处理为4路开关信号用来驱动逆变桥．模糊控制规则是模糊控制器设计的核心内容[17-19]]．本文中的模糊控制规则统一采用if A and B then C模糊关系词连接,表2给出了“Fuzzy Power”的规则表,表3给出了“Fuzzy Frequency”的规则表．3.2 仿真结果设置系统仿真时间55 μs,仿真后得到负载两端电压和负载内电流的波形如图5所示．在系统启动初期负载中储能原件LC中并无能量,而且调功设定为中等功率,并且系统启动时MOSFET开关频率设定较高使负载初始工作在感性状态,这就造成了PSM和PFM双闭环模糊控制算法输出量峰值的叠加,图5仿真结果中系统初始阶段的过冲就是上述原因造成的[20]．在30 μs时调功输入“Command”阶跃信号由中等功率越变为大功率,从仿真结果中可以看出负载内电流迅速增大,并且达到稳定值．图6(a) 、(b)分别为为系统工作在中等功率和大功率稳态时,负载电压和电流的仿真结果图．从图中可以看出,电压的过“零”点与电流的过零点相差极小,表明提出的控制策略完成了相位的跟踪并且实现了功率的快速调节．感应加热电源的实验平台如图7所示．在此实验平台上进行实验,测取了信号处理电路的波形和光耦的实验数据．4.1 信号处理电路实验图8给出了电流信号处理电路实验示波器波形图,横坐标200 ns/div,其中CH1通道为输入信号50 mV/div;CH2通道为滤波器输出信号500 mV/div;CH3通道为电流相位信号5 V/div;CH4通道为精密整流电路输出信号500 mV/div．从示波器的波形结果来看,输入的信号有较大的干扰尤其是在过零点附近,但是输入信号经过滤波器处理之后,波动信号的能量大幅衰减,同时可以看出精密整流电路的输出波形能够比较完整准确的对输入信号进行整流处理,但是由于信号检波二极管存在的反向恢复时间使得输出的结果与理论理想波形存在一定的差距,尽管如此这对于数据的影响在允许范围之内．4.2 光耦实验表4给出了光耦线性实验数据,其中记录了多次测量的结果数据,对同一组输入测量所得数据结果做平均值处理做为该组实验结果数据．图9(a)对实验数据进行曲线拟合的结果,其中实线为实验数据、虚线为一次多项式拟合曲线,因为低电压时光耦没有工作,所以实验数据并没有从起始状态记录．图9(b)为误差百分比的分析结果图,从图中可以看出,最大误差发生在较低的电压水平,当输入电压升高时,误差没有超出±5%,这足以满足系统的需求．本文设计了一台1MHz/5kW的高频感应加热电源．首先给出了感应加热电源相应的硬件电路设计,然后使用SIMULINK对提出的感应加热电源的控制系统进行了建模,仿真结果表明控制策略可靠有效,能够完成相位控制功能和调功功能．最后在搭建的实验平台上测得相应实验波形和数据,分析结果表明本文所设计的高频感应加热电源功率集中、输出频率可达1MHz并且工作状态可靠稳定．【相关文献】[1] 沈庆通. 感应加热技术发展与思考[J]. 热处理,2010,25(5):1-6.[2] 蔡惠,赵荣祥,陈辉明. 倍频式IGBT感应加热电源的研究[J]. 中国电机工程学报,2006 (2):154-155.[3] 姚建红,张艳红,刘继承. 一种新型全桥移相 PWM 零电压零电流变换器[J]. 电力自动化设备,2010,30(1):66-69.[4] 王正仕,楼珍丽,陈辉明. 兆赫级高频感应加热电源电路的分析与研究[J]. 中国电机工程学报,2007,26(19):80-85.[5] 李建文,刘教民,王震州,等. 1MHz并联型谐振逆变器锁相环设计与性能分析[J]. 电力电子技术,2010,44(02):72-74.[6] Meilan Zhou, Zeqing Xu, Yanping Li. High frequency induction heating power supply phase tracking system Based on TMS320F2812[C]//In 2013 2nd International Conference on Measurement,Information and Control(ICMIC 2013),Harbin,China,2013:1000-1003. [7] Sarnago H, Lucía O, Mediano A, etal. Class-D/DE dual-mode operation resonant converter for improved efficiency domestic induction heating system[J]. Power Electronics, IEEE Transactions on, 2013,28(3):1274-1285.[8] 刘教民,李建文,王震洲,等. 电流型谐振逆变器负载调频调功方案[J]. 电力电子技术,2010,44(10):81-83.[9] Ahmed N A. High-frequency soft-switching ac conversion circuit with dual-mode PWM/PDM control strategy for high-power IH applications [J]. 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一种新颖的超高频感应加热电源
刘磊;陈辉明;王正仕;陈振伟
【期刊名称】《机电工程》
【年(卷),期】2007(024)010
【摘要】通过对软开关技术的研究,提出了一种全新的双管LLC谐振负载电路拓扑,解决了传统感应加热过程中高频条件下开关损耗的问题.采用电感电流反馈控制,并加入电路保护环节进行保护,提高了电源的可靠性.该方案简单新颖,易于实现.实验结果有效地验证了理论分析,该电路可以实现零电压开通,提高电源的工作频率.
【总页数】3页(P7-9)
【作者】刘磊;陈辉明;王正仕;陈振伟
【作者单位】浙江大学,电力电子学系,浙江,杭州,310027;浙江大学,电力电子学系,浙江,杭州,310027;浙江大学,电力电子学系,浙江,杭州,310027;浙江大学,电力电子学系,浙江,杭州,310027
【正文语种】中文
【中图分类】TP216
【相关文献】
1.超高频感应加热电源逆变器负载拓扑的研究 [J], 岳金伟;陈辉明;王正仕
2.超高频感应加热电源的新型谐振变换器研究 [J], 周克冬;沈锦飞;邱正伟;沈冬辉
3.基于SiC器件的固态超高频感应加热电源 [J], 石新春;马莽原;付超;柴艳鹏
4.全数字锁相环SiC超高频感应加热电源分时控制探讨 [J], 孙俊彦; 廖作瑞; 邢少雄; 陈辉明
5.基于单向脉冲电路和SiC器件的超高频感应加热电源 [J], 石新春;马莽原;柴艳鹏;李亚斌;付超
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超高频谐振感应加热电源设计之原理简析
就目前国内的感应加热电源研发情况来看，大部分的高频感应加热电源设备都已经采用了桥式串联谐振电路结构，能够有效的减少导通和关断损耗。

在今明两天的方案分享中，我们将会为大家分享一种利用超高频谐振式变换器而设计的感应加热电源方案，这一方案具有2MHz/1kW的超高频特点。

今天我们将会重点对这一方案的设计原理进行介绍。

 E类双管谐振式逆变器工作原理
 在本文所设计的超高频谐振感应加热电源方案中，全桥式谐振变换器由4只功率开关管组成，半桥式谐振变换器也要用两只功率开关管，而E类
DC/AC变换器则是单管工作。

它的最大特点是选取适当的负载谐振网络参数，使开关管处于最佳工作状态，即当开关管导通或断开时，只有当器件的电压或电流降为零后，才能导通或断开，这样就避免了开关器件内同时产生大的电压或电流，减小了开关转换时的器件功耗。

为了提高逆变器的功率，减小单管容量，E类DC/AC变换器可采用两管并联交替工作。

 在本方案中，我们所选用的E类双管DC/AC谐振式变换器的电路拓扑，如下图图1所示。

从图中可以看到，在这一电路系统中，开关器件VQ1、VQ2采用MOSFET功率场效应管，L0为高频变压器和感应器折算后的等效电感，C0为谐振电容，L0和C0构成的谐振回路产生的高频电压经变压器输出供给感应器。

C1为外加电容，其作用是VQ1、VQ2工作在理想的状态。

 
 图1 E类双管交替工作DC/AC谐振式变换器电路拓扑
 下图图2是我们所采用的这种新型E类双管交替工作式DC/AC谐振式变。

超高频感应加热电源主电路元件选择和设计方案摘要........................................Abstract ...................................................................................... I 1绪论 ............................. 错误！未定义书签。

1.1感应加热的发展及应用01.2感应加热技术国内外现状及其发展趋势11.2.1国外现状11.2.2国内现状21.2.3现代感应加热技术发展趋势22感应加热原理及其主要拓扑结构分析与应用 (4)2.1基本原理42.1.1感应加热原理42.1.2基于感应加热的效应52.2感应加热系统组成及分析72.3逆变电源拓扑基本结构及其特性83主电路元件的选择和设计 (11)3.1功率开关器件的选择及参数设定113.2 EMI滤波环节的设计133.3共模抑制电路的设计143.4整流器设计163.4.1电路结构163.4.2工作原理163.5电容桥臂的选择183.6缓冲电路的设计193.6.1缓冲电路的设计193.6.2负载谐振电路参数的分析计算21参考文献：....................................摘要近几十年以来，随着科学技术的提高以及更先进器件的发展与应用，对感应加热逆变电源的发展产生了巨大影响，体积更小、重量更轻、电路简单、高效节能、携带方便、负载适应范围大成为感应加热装置发展的方向。

感应加热技术在国外发展比较迅猛，尤其是欧美和同本等国家，在资金和技术等方面更具有优势，所以他们在感应加热领域，对于咼频和超咼频产品的开发方面基本上代表了感应加热技术上的最高水平?但是对小工件的热处理，需要感应加热装置功率更加集中，输出频率更高，频率的提高对感应加热效率的提高具有显著意义。

所以，提高感应加热的功率和频率，一直是感应加热领域研究的重点与需要解决的难点。

工作原理电加热器的安全运行和使用寿命与电加热器运行温度的高低有着直接的关系，因此对加热器运行温度的控制和实时监控十分重要。

本系统由温度传感器对加热元件、加热板以及蓄热块上的温度进行采样，所测温度信号经放大和A/D转换后送PLC,利用软件进行数据处理，处理后的数据实时显示，并驱动三相晶闸管调压器以调节加热器温度。

电加热器电源及温控系统技术路线见图1。

1.3技术性能1.3.1电源功能（1）长时运行工作制，电源系统能在各种试验状态下，把负载加热到要求的温度值，并进行恒温控制，同时电源系统供电主回路方案合理，可靠性高，可操作性、可维护性强，操作上的透明度高，安全性要高。

（2）电源系统能给加热器提供一个平滑的连续动态可调的输出电参数，实现带载动态调温功能，避免对加热器造成电动力冲击与温度过冲，实现温度平稳控制。

（3）电源系统具有输出参数控制模式调节功能，能根据实际工况进行最佳运行控制。

即工况良好时，当温度未达到其设定值时，电源应以高功率输出，工况不好时，比如天气潮湿、绝缘值低或长时间未做试验时，能够选择先低电压低功率加热，然后慢慢提高电参数，达到保护加热器与安全运行的目的。

(4)当负载温度达到预设温度时，电源应调节功率输出以维持电热元件恒定在设定温度，同时，在恒温过程中，电热元件避免不断受到交变力的作用，充分保证高温条件下负载的安全运行与使用寿命。

1.3.2电力电子装置(调功器)技术参数电力电子装置采用调压控制模式，试验中根据温度控制要求，调节控制值，达到控制脉冲的调制，从而实现输出电压调节，加热器电功率与负载温度可控的目的。

(1)额定输出功率：第1〜12组，每组功率288kW,12组单独运行, 电阻性负载；(2)调压范围：主回路输入电压的0〜98%；(3)工作制式：具备软启动、软停车功能，避免过大的电流冲击。

1.3.3系统保护功能(1)电源系统主回路具备一次侧雷击过电压保护，浪涌过电压保护，电源侧操作过电压保护，电源侧过电流保护，负载侧过电流保护，电力电子器件关断过电压保护，电力电子器件过热保护以及系统漏电保护。

超高频谐振感应加热电源设计之主电路简析
在昨天的文章中，我们为大家介绍了一种超高频谐振感应加热电源的设计方案，并对其设计原理进行了详细分析。

这种感应加热电源采用的是谐振逆变模式，尤其采用E类双管交替工作式DC/AC超高频谐振逆变器来进行设计，能够有效提升其工作效率。

在今天技术分享中，我们将会进一步就这一感应加热电源方案的主电路设计，进行详细分析。

 主电路设计
 下图中，图1所展示的是本文所设计的超高频感应加热电源主电路系统图纸。

从图1所展示的主电路系统中可以看到，在这一系统中，我们主要通过控制开关管IGBT驱动脉冲的宽度来控制斩波电路的输出电压。

逆变电路部分特别采用E类双管交替工作式DC/AC超高频谐振逆变器。

 为了进一步提高感应加热电源系统中的逆变器输出功率，并同时减小单个功率MOSFET的容量，在本方案的逆变电路设计中，我们采用两个功率MOSFET并联进行交替工作，这样在不增加单只功率MOSFET容量的情况下，用两只相同容量的功率MOSFET，逆变器的输出功率可提高近一倍。

另外，两个功率MOSFET并联交替工作的方式，在逆变器相同输出频率的条件下可使驱动电路的频率降到单管工作时的一半，即当逆变器的输出频率为
2MHz时，驱动电路的频率只要1MHz，减小了对驱动电路的快速性要求。

 
 图1 超高频感应加热电源主电路
 直流斩波调压控制电路设计
 在本方案中，我们所设计的超高频感应加热电源的直流斩波调压控制电。

高频加热电源课程设计一、教学目标本课程的教学目标是使学生掌握高频加热电源的基本原理、结构及应用，培养学生的高频加热电源的设计、调试和维护能力。

具体目标如下：1.知识目标：（1）理解高频加热电源的工作原理；（2）熟悉高频加热电源的主要组成部分及其功能；（3）掌握高频加热电源的调试与维护方法。

2.技能目标：（1）能够分析高频加热电源的性能指标；（2）具备高频加热电源系统的设计能力；（3）能够进行高频加热电源的故障诊断与维修。

3.情感态度价值观目标：（1）培养学生对新技术的敏感度和好奇心；（2）使学生认识到高频加热电源在现代工业中的重要性；（3）培养学生严谨的科学态度和良好的团队合作精神。

二、教学内容本课程的教学内容主要包括以下几个部分：1.高频加热电源的基本原理；2.高频加热电源的组成部分及其功能；3.高频加热电源的性能指标及其分析方法；4.高频加热电源系统的设计与调试；5.高频加热电源的维护与故障诊断。

三、教学方法为了实现本课程的教学目标，我们将采用以下教学方法：1.讲授法：通过教师的讲解，使学生掌握高频加热电源的基本原理和知识；2.讨论法：引导学生进行思考和讨论，提高学生对高频加热电源的理解；3.案例分析法：分析实际案例，使学生了解高频加热电源在工程中的应用；4.实验法：通过实验操作，培养学生的高频加热电源调试和维护能力。

四、教学资源为了支持本课程的教学，我们将准备以下教学资源：1.教材：选用权威、实用的教材，为学生提供系统的理论知识；2.参考书：提供相关的参考书籍，丰富学生的知识体系；3.多媒体资料：制作课件、视频等多媒体资料，提高教学的直观性；4.实验设备：准备充足的高频加热电源实验设备，确保学生能够进行充分的实践操作。

五、教学评估为了全面、客观地评估学生的学习成果，我们将采用以下评估方式：1.平时表现：通过学生在课堂上的发言、提问、讨论等环节的表现，评估其参与度和积极性；2.作业：布置适量的作业，评估学生的理论知识掌握程度和实践能力；3.实验报告：对学生进行的实验操作和结果进行分析，评估其实践能力；4.考试：设置期中、期末考试，全面评估学生的知识掌握程度和应用能力。