超音频串联感应加热电源方案之主电路设计

e = −N
dϕ dt
(1-1)
式中 N 是线圈匝数，假如 ϕ 是按正弦规律变化的，则有：
ϕ = φ m sin ωt
(1-2)
那么可得到感应电动势为：
e = − Nφ mω cos ωt
(1-3)
2
第 1 章 绪论
因此感应电动势的有效值为：
感应加热技术是 20 世纪初才开始应用于工业部门的，它是通过电磁感应原 理和利用涡流对工件进行加热，是制造业和材料加工中的一种重要手段[1]。 目前半导体固态感应加热电源的频率划分如下： 200Hz 以下为低频， 0.2～ 10kHz 为中频，10～100kHz 为超音频，100kHz 以上称为高频，它们具有不同的 应用范围[2]。本文所设计的超音频感应加热特别适合表面淬火和感应钎焊等。 上世纪八十年代以前，超音频感应加热电源十分缺乏，电子管振荡器电源和 晶闸管感应加热电源性能不好。电子管振荡器加热电源设备体积大、耗材多、电 压高、电磁污染和效率太低。晶闸管感应加热电源由于晶闸管本身开关特性等参 数的限制，频率很难提高。 上世纪八十年代以后，随着新型大功率半导体开关器件的相继出现，促进了 以 GTR 、 IGBT 、 SIT 、 SITH 、 MCT 构成的感应加热电源的发展，各国竞相研 制。目前主要以 IGBT 为主，并逐渐占据主导地位 。 其主要优点为： (1)体积小、重量轻、安装便捷； (2)IGBT 导通损耗小，通态压降为几伏，效率高，能耗小，冷却水流量小； (3)通过合理设计，工作频率自动跟踪负载特性的变化； (4)优良的控制性能，便于实现自动化操作。 国外串联超音频感应加热电源技术比较成熟[3]。从市场上看，国内小功率串 联感应加热电源开始大量出现，主要问题是产品缺乏应有的频率自动跟踪功能。 此外国内正在研究和生产超音频串联感应加热电源企业还没形成生产规模[3]。 因此为了改变上述局面，缩小与国外感应加热电源技术水平的差距，研制新 型 IGBT 超音频感应加热电源就显得十分必要。

基于IGBT的超音频感应加热系统设计洪武;陈迪峰;陆春【摘要】对串联谐振半桥感应加热电源进行了研究,使用SG3525芯片和EXB841芯片设计控制驱动电路,具有过流保护功能.在研究的基础上,设计并制作了20kHz 的串联谐振感应加热设备样机,它能在实验工况下安全可靠地运行.【期刊名称】《漯河职业技术学院学报》【年(卷),期】2015(014)002【总页数】3页(P39-41)【关键词】IGBT;感应加热;串联谐振【作者】洪武;陈迪峰;陆春【作者单位】台州职业技术学院电气信息学院,浙江台州318000;台州职业技术学院电气信息学院,浙江台州318000;台州职业技术学院电气信息学院,浙江台州318000【正文语种】中文【中图分类】TM924.70 引言感应加热技术具有效率高、容易控制、加热速度快、工作环境中烟尘和噪声少等优点，在工业加热中得到了广泛应用。

从早期的工频感应加热电源渐渐发展到使用晶闸管实现的中频感应加热电源，再到使用IGBT实现的超音频感应加热电源以及使用MOSFET实现的高频感应加热电源，感应加热电源在工业加热行业中起到了极其重要的作用。

MOSFET全控型半导体器件的研发生产，促进了电力电子技术的发展，使得感应加热技术也有了较大的进步。

如今，感应加热技术在企业中的应用意义重大，有助于提高企业的行业竞争力。

1 系统整体设计以一台2KW应用于吸塑机料筒的超音频感应加热电源为对象，讨论适用于频繁起动的超音频感应加热系统的设计。

首先，在输入直流电源的选择上，本文选择实现较为方便的电压源型逆变电路；为了使主电路简单化、工作电压更低，逆变电路选用半桥式逆变器，属于串联谐振逆变器；在选择负载谐振工作方式时，考虑到电流源型全桥并联谐振逆变器起振较为困难、容易逆变颠覆的缺点，本文选用串联谐振方式，以保证启动性能，方便电路的控制和实现，提高系统的抗干扰能力。

本文提出的感应加热电源的主系统由不可控整流电路、电容滤波、稳压电路、半桥逆变电路、加热线圈负载电路以及相应的控制驱动和保护电路组成。

感应加热用IGBT超音频电源
1引言
感应加热是将工件直接加热，它具有效率高，作业条件好，温度容易控制，金属烧损小，无需预热等优点。

传统的感应加热设备应用的电力电子器件是电子管和快速晶闸管。

电子管电压高，稳定性差，幅射强，效率低，已经到了淘汰的边缘，但它频率高，功率大，所以在市场上仍有一席之地。

快速晶闸管是目前应用的主力军，它耐压高，电流大，抗过流、过压能力较强。

但它只能工作在10000Hz以下，这使其使用范围受到了限制。

IGBT是一种复合功率器件，它集双极型功率晶体管和功率MOSFET的优点于一体，具有电压型控制，输入阻抗大、驱动功率小，控制电路简单，开关损耗小，通断速度快，工作频率较高，元件容量大。

它不仅达到了晶闸管不能达到的频率（60kHz以上），而且正在逐步取代快速晶闸管。

国外1kHz～80kHz 的感应加热已广泛应用IGBT，这是感应加热电源的发展方向。

图1为国外各
种功率器件的应用。

2IGBT电源结构及工作原理
21主电路采用并联谐振式逆变器，主电路如图2所示。

图1各种功率器件的应用
图2主电路原理图
电流源并联谐振逆变器具有负载适应性强，抗负载短路能力强等优点，该设备的波形较好，有利于提高装置的效率和可靠性。

主电路为三相全波不控整流加滤波，再经斩波后输入给逆变器。

由于采用IGBT斩波频率较高（约为20kHz），输出波形较好，电抗器尺寸将可缩小为原来的1/3。

串联式感应加热电源设计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1.1 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e 。

设工件的等效匝数为2 N 。

则感应电势：e=−N2d∅公式（1-1）dt如果磁通是交变得，设∅=∅m ωt，则=−N2∅Mωcosωt公式（1-2）e=−N2d∅dt有效值为：E=4.44fN2∅M公式（1-3）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：公式（1-4）式中：I 2 ——感应电流有效值（安），R——工件电阻（欧），t——时间（秒）。

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：公式（1-5）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。

透入深度△由下式确定：公式（1-6）式中: ρ——工件电阻率（Ω•m ）, μ。

——真空磁导率4π×10(H/m). μ——工件磁导率(H/m ), μ——工件相对磁导率，ω——角频率(rad/s )，f ——频率(HZ)。

将μ。

和π的数值代入，即可得公式:公式（1-7）从上式可以看出,当材料电阻率、相对磁导率给定后,透入深度△仅与频率f 平方根成反比,此工件的加热厚度可以方便的通过调节频率来加以控制。

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。

个人资料整理仅限学习使用摘要..................................................................... 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： (22)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，对于高频和超高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。

超高频感应加热的突出特点为：利用IGBT功率器件设计的超高频逆变电源，可连续工作，可靠性高；重量轻，体积小，操作携带方便；效率高，功耗低，更加节能；可加热物体体积更小，可加热超小型器件；加热更加集中，加热均匀。

图2 吸收缓冲电路
24
六、逆变桥的基本工作原理
6.2 IGBT及驱动波形：IGBT为全控器件，可以通过门极控制关断或导通，从而将直流电流转 及驱动波形： 为全控器件， 及驱动波形 为全控器件 可以通过门极控制关断或导通， 换成交流电流，驱动波形如图。 换成交流电流，驱动波形如图。
25
六、逆变桥的基本工作原理
K3板
驱动板
ห้องสมุดไป่ตู้
YH4
YH5
UF板
XF板
28
六、逆变桥的基本工作原理
6.4 反压限制的相位跟踪技术
300V <100V
采用前
采用后
性能： 性能：二极管反压 300V 效果： 效果：反向恢复损耗
：100V
９：１
负载适应性比原来有大幅提高。 负载适应性比原来有大幅提高。 水平：国内领先（国内查新未见其他报道）。 水平：国内领先（国内查新未见其他报道）。
7
四、三相桥式全控整流电路工作原理
4.1三相桥式全控整流电路的主要元件和布局 三相桥式全控整流电路的主要元件和布局
8
四、三相桥式全控整流电路工作原理
4.1三相桥式全控整流电路的主要元件和布局 三相桥式全控整流电路的主要元件和布局
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四、三相桥式全控整流电路工作原理
4.1三相桥式全控整流电路的主要元件和布局 三相桥式全控整流电路的主要元件和布局
L1 La SCR1 SCR3 SCR5
D4 D2 D5 D3 D6 IGBT1 D9 IGBT4 L
Lb
Lc
D1
scr7 C IGBT2 R1 E1 + IGBT3 R
SCR4
SCR6
SCR2

黑龙江科技学院硕士学位论文摘要感应加热电源具有加热效率高、速度快、可控性好及自动化程度高等优点，已经在熔炼、铸造、弯管、热锻、焊接和表面热处理等行业得到广泛的应用。

目前对于感应加热电源的控制技术已经发展到了一定的水平，但都是采用模拟电子电路设计，存在着电路复杂、稳定性差等缺点。

在数字信号处理技术迅速发展的今天，对感应加热电源采用DSP设计对于提高其控制系统的性能有一定的促进作用。

本文以10KW/20KHz串联谐振型感应加热电源为研究对象，通过分析其负载特性、不同的逆变器形式及在感应加热电源中常用的功率调节方式，选择了主电路采用不控整流和IGBT全桥逆变电路，功率调节采用移相PWM 控制方式；其中重点分析感性移相PWM调功方式，及其在串联谐振逆变器中的应用，确定了过零锁相移相PWM调功方式。

感应加热电源因其负载固有特性，在工作过程中需要实现逆变器工作频率与负载频率同步的频率跟踪功能，本文在分析阐述传统控制技术的基础上，提出了基于DSP的数字锁相环和数字移相PWM控制方式，由DSP对捕获得到的负载信号进行处理实现频率跟踪，这个频率信号作为数字移相PWM控制方式的载波时基，在DSP 内实现数字锁相环DPLL与移相PWM的有机结合，实现了控制系统主体部分的数字化。

对提出的控制方式建立数学模型进行了理论分析，并在MATLAB/simulink中建立仿真模型，验证了理论的正确性。

关键词：感应加热电源；移相脉宽调制；数字锁相环；数字信号处理器黑龙江科技学院硕士学位论文AbstractInduction heating power supply has been used extensively in the industrial process such as melting, foundry, siphon, forging, welding and surface heat treating because of its advantage of high heating efficiency, good controllability, and easy to mechanize and automate, etc, The controlling technology of induction heating power supply has been developed into definite standard,, and most of them are designed of stimulant electric circuit, have the d demerit of complicated circuit, bad stability, etc. In these days of digital signal process technology is developing speedy, induction heating power supply is designed using DSP is stimulative for improving capability of its control system.10KW/20KHz Series resonant induction heating power supply is mostly discussed, by analyzing its load characteristics, different inverter forms and power regulation scheme mainly used, the main circuit structure with uncontrolled rectifier and IGBT full bridge inverter is selected, phase-shift PWM is used for power regulation; and the inductive phase-shift PWM fashion and its applying in series resonant inverter are analyzed mainly, power regulation scheme of phase locked crossings zero phase-shift PWM fashion is confirmed. Digital phase locked loop and digital PS-PWM modes based on DSP are put forwarding in basic of expatiating conditional controlling technology, DSP processes the signal which is captured in order to realize frequency tracking, the frequency signal is used for carrier wave time base of PS-PWM controlling fashion;. The DPLL and digital phase-shift PWM are united well by using DSP and digital mode is realized in the control system principal part. The mathematics model of the control fashion which is put forward has been analyzed theoretically, and the simulation model is established in MATLAB/simulink, the correctness of the theory is proved.Key words: Induction heating power supply；phase shift PWM；digital phase locked loop；DSP.黑龙江科技学院硕士学位论文目录摘要 (I)Abstract (II)第1章绪论 (1)1.1 感应加热原理 (1)1.2 感应加热技术的特点及应用 (3)1.3 电力电子器件的发展 (3)1.4 感应加热电源的发展现状及趋势 (5)1.4.1 感应加热电源的发展现状 (5)1.4.2 感应加热电源的发展趋势 (6)1.5 本文的主要任务 (7)第2章感应加热电源结构分析及其选择 (9)2.1 谐振负载分析 (10)2.1.1 串联谐振 (10)2.1.2 并联谐振 (13)2.2 逆变器结构分析 (15)2.2.1 串联谐振式电压型逆变器 (15)2.2.2 并联谐振式电流型逆变器 (16)2.2.3电压型逆变器和电流型逆变器的比较与选择 (18)2.3 感应加热电源的调功方式 (19)2.3.1 调压调功(PAM) (20)2.3.2 脉冲频率(PFM)调功 (20)2.3.3 脉冲密度(PDM)调功 (21)2.3.4 脉冲宽度(PWM)调功 (21)2.4 感性移相PWM调功控制技术 (23)2.4.1 感性移相PWM调功方式分析 (23)黑龙江科技学院硕士学位论文2.4.2 过零锁相感性移相PWM控制方式调功分析 (25)2.4.3 过零锁相感性移相PWM控制主电路分析 (28)2.4.4 移相式感应加热电源软开关分析 (29)2.5 小结 (31)第3章感应加热电源主电路设计 (32)3.1 电源结构框图 (32)3. 2 感应加热电源主电路 (33)3.2.1 直流侧主电路分析计算 (33)3.2.2 逆变侧主电路分析计算 (37)3.2.3 负载谐振槽路分析计算 (39)3.3 小节 (40)第4章感应加热电源控制系统的设计 (41)4.1 DSP TMS320LF2407简介 (41)4.2 数字锁相环的设计 (42)4.2.1 锁相环基本原理 (42)4.2.2 传统锁相控制方式 (43)4.2.3 基于DSP数字锁相环的实现 (45)4.3 数字移相PWM控制信号的产生 (47)4.3.1 PS-PWM原理 (47)4.3.2 数字移相PWM的实现方法 (49)4.3.3 可编程死区单元 (50)4.4 DSP外围电路设计 (51)4.4.1 脉宽调制外围电路 (51)4.4.2 负载信号采样电路 (52)4.4.3 DSP电源电路与复位电路 (53)4.5 启动方式的选择与设计 (54)4.5 驱动及保护电路 (55)4.5.1 驱动电路 (55)黑龙江科技学院硕士学位论文4.5.2 保护电路 (56)4.6 小节 (57)第5章控制系统软件设计 (58)5.1 DSP软件编程特点 (58)5.2 各模块程序设计 (59)5.2.1 主程序 (60)5.2.2 DPLL子程序 (60)5.2.3 功率闭环PI控制程序 (62)5.2.4 PS-PWM子程序 (63)5.3 小节 (64)第6章控制系统的系统仿真实验分析 (65)6.1 建立控制系统数学模型 (65)6.2 控制系统的仿真结果分析 (68)6.3 实验结果 (73)结论 (75)致谢 (76)参考文献 (77)作者简介 (80)黑龙江科技学院硕士学位论文第1章 绪论1.1 感应加热原理1831年Michael Faraday 发现的电磁感应现象是一切感应加热的基础。

辽宁工业大学电力电子技术课程设计（论文）院（系）：电气工程学院专业班级：电气133学号：130303087学生姓名：陈夹夹指导教师：____________起止时间：2015・12・24至2015・1・3课程设计（论文）任务及评语注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20%以百分制计算感应加热技术在金属冶炼、铸造、锻造透热、弯管、烧结、表面热处理、铜焊以及晶体生长等行业得到了广泛的应用。

本文针对感应加热装置的需要，对加热电源的主电路进行设计。

引入该电源使得加热电源的各方面性能都得到一定的改善。

可以跟踪负载的频率，提高装置的效率，从而达到节能和节时的双重目的。

本次课题主要对200KW感应加热电源主电路进行分析确定了整体方案，它包括整流电路、滤波电路、逆变电路的设计。

用三相桥式整流电路对三相工频交流电进行整流，输出通过滤波电路做滤波处理。

然后，通过对感应加热电源工作原理的分析，确定以IGBT作为功率开关器件的电压型逆变作为本次设计的逆变电路。

通过整体方案计算了系统的参数以及进行了器件的选择，并通过对设计的主电路的仿真分析验证了设计的可行性。

关键词：感应加热；IGBT：整流；逆变器第1章绪论 (1)1.1感应加热技术概况 (1)1.2本文设计内容 (1)第2章感应加热电源主电路设计 (3)2. 1感应加热电源主电路总体设计方案 (3)2.2具体电路设计 (3)2. 2. 1整流电路设计 (3)2.2.2滤波电路设计 (4)2.2.3逆变电路设计 (5)2. 3元器件型号选择 (8)2.3.1整流电路参数汁算与选择 (8)2.3.2滤波电路参数计算与选择 (9)2.3.3逆变电路参数计算与器件选择 (9)2.3.4谐振槽路参数设汁与选择 (9)2. 4系统仿真 (10)2. 4. 1 MATLAB仿真软件简介 (10)2.4.2感应加热电源主电路波形仿真 (11)第3章课程设计总结 (14)参考文献 (15)第1章绪论1.1感应加热技术概况感应加热来源于法拉第发现的电磁感应现象，也就是交变的电流会在导体中产生感应电流，从而导致导体发热。

Ｓ ＵＮ Ｈａ ｎ－ ｑ ｉ ｎ ｇ
（ Ｈ ｅ ｎ ａ ｎ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ａ ｎ ｉ ｍ ａ ｌ Ｈ ｕ ｓ ｂ ａ ｎ ｄ ｒ ｙ ａ ｎ ｄ Ｅ ｃ ｏ ｎ ｏ ｍ ｙ ， Ｚ ｈ ｅ ｎ ｇ ｚ ｈ ｏ ｕ ， Ｈ ｅ ｎ ａ ｎ ４ ５ ０ ０ ４ ４ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
５ ０ ｋ Ｈ ｚ ， 单 机 容量 在 ３ ～ ５ ０ ０ ｋ Ｗ 的Ｉ Ｇ Ｂ Ｔ 电 源 已经 完 全 商 品
逆 变 电路 ， 其 中， Ｉ Ｇ Ｂ Ｔ １ 和Ｉ Ｇ Ｂ Ｔ ４ 组成 １ 组， Ｉ Ｇ Ｂ Ｔ ２ 和Ｉ Ｇ Ｂ Ｔ ３
组成 １ 组。 串联谐 振 电路 由Ｃ 和负载等效电阻Ｒ 和等效 电 抗Ｌ 组成 。 其 中， Ｔ ｌ 是 匹配变压器 ， ｃ ｇ 为隔直 电容器 ， 作用
第３ ２卷第 １ ９期
Ｖｏｌ ＿ ３２ Ｎｏ ． １ ９
企 业 技 术 开 发
ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩ ＣＡＬ ＤＥＶＥＬ０ＰＭＥＮＴ ＯＦ ＥＮＴＥＲＰＲＩ Ｓ Ｅ
２ ０ １ ３ 年 ７月
Ｊ ｕ １ ． ２ ０ １ ３
基于 Ｉ ＧＢ Ｔ的超 音频感应加热电源的研制
孙汉卿
（ 河 南牧业经济学 院 ， 河南 郑州 ４ ５ ０ ０ ４ ４ ）
摘 要： 文章在 分 析 串联 谐 振 逆 变 器原 理 的基 础 上 ， 设计 并 实现 一种 采 用 绝缘 栅 双极 晶 体 管（ Ｉ Ｇ Ｂ Ｔ ） 的５ ｋ Ｗ／ ６ ０ ｋ Ｈ ｚ 超 音 频 串联 谐 振 感应 加 热整 体 系统 ， 通 过 实际 样机 的 工作 结 果表 明 该机 工作 性 能稳 定 ， 加 热效 率 高。
’ ’
电流仍为反向 ， 此时二极管Ｖ Ｄ １ 和Ｖ Ｄ ４ ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ通 ， 由于负载 电 路是Ｌ ｃ 串联谐振 电路 ， 品质因数Ｑ ＞ Ｉ ， 所 以， 电流ｉ 。 按谐振

基于DSP的50KW200KHZ高频感应加热电源的硬件设计摘要：高频电源及感应加热技术目前对金属材料加热效率最高、速度最快，且低耗环保。

它已经广泛应用于各行各业对金属材料的热加工、热处理、热装配及焊接、熔炼等工艺中。

它不但可以对工件整体加热，还能对工件局部的针对性加热；可实现工件的深层透热，也可只对其表面、表层集中加热；不但可对金属材料直接加热，也可对非金属材料进行间接式加热。

因此，感应加热技术必将在各行各业中应用越来越广泛。

本文采用先进的数字信号处理器TMS320LF2407A作为控制器，设计一套基于DSP的全数字控制的感应加热电源的硬件设计及实验数据。

关键词：感应加热；整流；斩波；逆变一、系统总体结构本文设计的高频感应加热电源系统框图，以TMS320LF2407A作为主控制芯片对系统进行设计。

整流电路采用三相全桥不控整流电路，利用Buck变换器设计直流斩波调压电路，逆变电路为单相全桥逆变电路，感应装置包括逆变高频变压器、谐振电容和感应线圈。

直流电压电流采样调理电路将直流母线电压和电流转换后送入DSP的AD模块进行功率闭环控制；负载电压电流采样调理电路将负载电压电流转换后送入DSP的捕获模块进行频率跟踪控制；驱动电路将DSP的控制脉冲隔离放大后，控制逆变电路的功率开关器件；故障检测为系统提供保护措施，故障综合将所有的系统故障综合后向DSP系统发出故障中断请求，并封锁触发脉冲；键盘和液晶显示屏通过DSP的I/O实现人机交互界面；DSP通过串口与上位PC实现通讯，进行信息的相互传输。

图1 基于 DSP 的感应加热电源控制电路系统框图二、主电路参数设计与器件选择主电路的拓扑结构如图二所示，其中L为谐振电感，C为谐振电容，Cf为直流滤波电容，VB为三相整流桥，VT0为IGBT,VT1、VT2,、VT3、和VT4为MOSEFT。

感应加热电源的主要设计参数：额定输出功率：PN＝50kW；斩波器工作频率：ƒs＝10kHz；逆变工作频率：ƒ＝200kHz；输入电源：三相交流380V/50Hz;变压器变比为10 :1。

摘要感应加热电源在金属熔炼、铸造、锻造、透热、淬火、弯管、烧结、表面热处理、铜焊以及晶体生长等行业得到了广泛的应用。

同时，由于感应加热电源的加热特点，超音频、大功率是感应加热电源领域研究的重点之一。

本文详细介绍了所设计的感应加热电源，它主要包括不控整流，滤波缓冲电路，降压斩波，逆变电路，数字锁相环电路，保护电路和单片机采样显示电路。

而且本文高频感应加热电源的斩波电路和控制电路进行设计中，采用的是专门电压控制型芯片控制和IGBT器件取代原有的模拟控制和晶闸管器件，实现对老装备的更新改造；推出主电路的参数计算公式，建立了系统的等效电路，负载的等效模型并分析了控制电路的结构和原理。

关键词：感应加热；串联谐振；数字锁相环AbstractInduction heating power in metal smelting, casting, forging, heated, quenching, bend, sintering and surface treatment, brazing and crystal growth industries has been widely used。

At the same time, due to the characteristics of inductive heating power, super audio, heating power inductive heating power field study is one of the key。

This paper introduces the design of induction heating power, it mainly includes not controlled rectifier circuit, step-down, filtering buffer chopper, inverter circuits, digital circuit, protect circuit chip and sampling display circuit。

数字型感应加热电源方案分享之主电路设计
中频感应加热电源在目前的工业制造领域应用十分广泛，也是很多工程师和厂家的重点关注方向之一。

在今明两天的方案分享中，我们将会通过一个系列分享的形式，为大家分享一种全新的中频感应加热电源设计方案。

今天要为大家分享的是这种新型感应加热电源的主电路设计方案，大家一起来看看吧。

 在本文所设计的这种全新的数字型150kW/10kHz中频感应加热电源中，其系统主要采用了IGBT桥式逆变器的串联谐振式工作模式。

在本方案中，我们在主系统中利用了数字锁相环DPLL技术，不但提高了系统频率跟踪的稳定性和可靠性，解决了模拟控制中参数随温度漂移的问题，而且还具备控制灵活，电路简单，高效节能。

 主电路系统
 依据目前的市场需求和中频感应加热电源的基础设计需要，在本方案中，我们所设计的感应加热设备主电路系统中，额定输出功率P=150kW，输出频率10kHz，输入电压为三相AC380V。

依据逆变原理和传统模拟系统存在的缺欠，我们设计了一种10kHz/150kW串联谐振感应加热电源设备的主电路，这一系统采用电流调节和功率调节组成双闭环功率控制电路，具有调压范围宽、输出稳定性好等优点。

 图1 10kHz/150kW的感应加热电源主电路
 在上述要求和设计思路下，我们所完成的数字式中频感应加热系统的主电路结构，如上图1所示。

从图1中我们可以看到，在这一主电路系统中，三。

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。

超高频感应加热的突出特点为：利用IGBT功率器件设计的超高频逆变电源，可连续工作，可靠性高；重量轻，体积小，操作携带方便；效率高，功耗低，更加节能；可加热物体体积更小，可加热超小型器件；加热更加集中，加热均匀。