感应加热电源的研制.docx

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感应加热电源的研制

摘要

感应加热技术在加热技术的发展史中起着重要的作用，随着工业技术的发展，感应加热应用的领域也越来越广泛。

本论文介绍了一个简易的感应加热电源电路。

其思路是将电网交流电经整流和滤波电路后得到一个直流电，在将直流电输入到串联型谐振逆变电路中，逆变桥中的MOSFET功率开关管通断由SPWM波形来控制，这样逆变电路在负载侧就得到一个正弦变化的电流波形。

由于电磁感应的原理，同时负载的等效电路是一个谐振电路，正弦变化的电流便在负载上产生热量，即将电网电能转化为负载的热能。

设计的重难点是桥式MOSFET开关管驱动和逆变电路的SPWM控制。

本次设计的MOSFET驱动电路的方案是利用IR2103集成驱动芯片来构成MOSFET的驱动电路，其芯片内部具有“死区时间”的设定及保护电路，电路结构简单，工作性能稳定，能够是MOSFET在良好的状态下工作；对于SPWM控制的实现，有很多种方案，综合考虑性能与价格上的差别后，本设计选择了通过单片机的定时计数器来输出SPWM控制波形，通过对单片机的编程，改变每次定时计数器的计数值，控制给定的单片机I/O口输出一系列脉宽可变的脉冲方波，根据冲量等效原理，将可变脉宽的脉冲方波设计成一个正弦波，就可以实现SPWM控制波形的实现了。

本次设计的感应加热电源，主是运用的是全桥电路的逆变技术。

逆变技术是电力电子基本的技术之一，特别是SPWM正弦脉宽调制波形逆变控制技术，其效率与性能上明细的优势，给电力电子的发展带来强大的动力，拥有广阔的发展前景。

关键词：

谐振；SPWM控制；MOSFET驱动；单片机；

ABSTRACT

TheInductionheatingtechnologyplaysanimportantroleinthehistoryofheatingtechnology.Withthedevelopmentofindustrialtechnology,applicationsareasofinductionheatingtechnologyarebecomingwilderandwilder.

Thepaperintroducesasimplecircuitofinductionheatingpower.Themainideaisthat,byusingarectifierandafiltertotransitthealternatingcurrentfromthepowergridstodirectcurrent,theninputtingthedirectcurrentintoacircuitseriesresonantinverter.AstheMOSFETpowerswitchesiscontrolledbySPWMsingle,thecurrentoftheloadissinewave.Undertheprincipleofelectromagnetinductionheating,besidestheequivalentcircuitoftheloadisaresonancecircuit,thesinecurrentfromtheinverterwillheattheload,andtheheatingenergyisfrompowergrids.Thedifficultyandthekeypartisthat,thedesignofMOSFETpowerswitchesdriverandtheSPWMinvertercontrolsingle.Firstly,thedriverofMOSFETpowerswitchesisbaseontheICdriverchipIR2103.Astheinternalblockdiagramcontainsthefunctionof“deadtime”circuitandprotectscircuit,thestructureoftheMOSFETdriverissimpleandclear-cut,andtheperformanceisstable,whichinsuretheMOSFETisworkinginanall-rightstate.AsfortherealizationofSPWMcontrollingwave,themeasureistoomany.Consideringtheperformanceandthepriceofthesemeasures,thisdesignisusinga51SCM.Byprogrammingatimerofthe51SCM,changingthevalueofthetimeristocontroltheoutputofI/Oportsof51SCM,sotheoutputwaveisaseriesofimpulsewhosewidthisvariable.Basedontheprincipleof“impulseequivalent”,thisseriesofwidth-variableimpulseisequivalenttoasinewave,andtheSPWMcontrollingwaveisimplement.

Themainapplyingtechnologyofthedesignedinductionheatingpoweristheinvertertechnologyoffullbridgecircuit,whichisabasictechnologyofPowerElectronic,especiallyfortheSPWMinvertercontrollingtechnology,theadvantageattheefficiencyandperformanceofSPWMbringagreatpowerforthePowerElectronicdevelopment,andthefutureisbrilliant.

Keywords:

resonance;SPWMcontrollingwave;MOSFETdriver;SCM

目录

引言1

1绪论2

1.1感应加热的背景2

1.2感应加热电源的结构2

2硬件电路方案的设计4

2.1整流电路的设计4

2.2逆变桥式电路的设计5

2.2.1负载谐振电路5

2.2.2调功方式的比较9

2.2.3逆变桥式电路的选择10

2.3MOSFET的驱动电路设计10

2.3.1MOSFET的开通过程波形分析10

2.3.2MOSFET驱动电路的选择11

2.4SPWM控制14

2.4.1SPWM原理14

2.4.2SWPM的类型15

2.4.3SWPM产生电路方案的选择16

3软件设计19

3.1开发语言与环境19

3.2软件设计流程图19

4调试22

4.1电路板的制作与检查22

4.2硬件调试23

4.2.1检测元器件23

4.2.2检测各个引脚信号23

4.3软件调试24

5结论25

谢辞26

参考文献27

附录28

附录A单片机最小系统28

附录B逆变桥式电路图29

附录CIR2103集成芯片驱动电路30

附录C单片机程序代码31

引言

感应加热作为加热的一种方式，与传统的非感应式加热方式相比，有着许多的优点。

工业技术的飞速发展，使得感应加热技术的应用越来越广泛，各种工业加热场合的要求也各不相同，同时要求也越来越高，而感应加热电源作为这一类加热设备的主要核心部件，对于感应加热技术的改善起到非常重要的作用。

同时，电力电子技术的发展，也促进了感应加热技术的不断革新。

首先，本文对感应加热电源的结构做了原理性研究，经过理论分析，分析了串联型谐振与并联型谐振感应加热电源的电路拓扑结构和电路参数的特点。

再通过比较这两种谐振逆变电路的负载特性和调功方式，并分析其各自的优缺点，而调功方式的灵活性是感应加热电源考虑的重点，故选择了串联型谐振电路。

对于感应加热电源电路的关键部分----逆变桥式电路，本文着重研究了SPWM逆变控制技术以及MOSFET的驱动电路，逆变桥的开关管使用的是功率MOSFET管，对于逆变桥的主要器件，MOSFET的正常工作直接影响到逆变桥式电路输出波形的品质，所以本文较为详细的介绍了MOSFET参数模型、两种类型的驱动电路的工作过程及特点，并重点分析了以IR2103集成芯片构成的驱动电路的电路参数与性能的分析，以此来说明，设计IR2103构成的MOSFEET驱动电路时，需要考虑的问题。

对于逆变电路的SPWM控制技术的实现有模拟电路控制方案和数字电路控制方案，考虑两种控制方案的性价比之后，本设计选择了利用单片机的定时器来产生SPWM波形的方案。

通过软件的设计，改变定时器的计数值，单片机的I/O口就能输出一系列脉宽可变的脉冲方波，根据冲量等效原理，将可变脉宽的脉冲方波设计成一个正弦波，就可以实现SPWM控制波形的实现了。

1绪论

1.1感应加热的背景

感应加热装置其实就是一种利用电感线圈的电磁感应现象，传递能量过程的一个装置，将需要加热的工件放置在电感线圈中，由于电磁的电感效应，工件内部就会产生涡流，从而达到对工件加热的效果。

与传统的加热方式不同的是，感应加热是一种非接触式的加热技术，并且可以将能量集中在工件需要加热的部分，因此其具有速度快、可控性高、加热均匀、易于实现工业自动化、加热产品质量稳定、工作环境良好、工作安全性高等优点。

感应加热电压发展至今，中、低频段已经比较成熟，近年来感应加热技术被得到广泛的应用，主要应用的场合有冶金、熔炼、焊接、表面热处理、锻造等传统的工业加热行业以及电子器件的精密焊接和航空航天工业中特殊材料的加热领域中。

1.2感应加热电源的结构

如图1.1所示为感应加热装置的原理图。

本次设计的主要内容是研制一个感应加热电源，感应加热电源的输入电压为220V、频率为50HZ的正弦交流电，输出一个频率为1KHZ、功率在1KW以下的正弦交流电。

图1.1感应加热的原理

本次设计选用单片机作为系统的控制核心，对逆变桥式电路进行控制，使逆变电路输出一个正弦波。

此次设计的感应加热电压的结构图如图1.2所示。

图1.2感应加热电源的结构图

设计的重心在于逆变电路的设计，包括逆变电路的控制电路、驱动电路和逆变全桥电路。

（1）逆变控制电路：

本次设计选用单片机作为系统的控制电路的核心，利用单片机的定时计数器来产生一系列脉宽可调的脉冲方波，也即SPWM波形，控制逆变全桥电路，使得其输出一个电压正弦变化的交流电。

（2）MOSFET管的驱动电路：

选用半桥驱动芯片IR2103构成的电路作为MOSFET管的驱动电路，其特点是集成芯片构成的驱动电路工作时，其自举电路能够使一枚芯片对两个MOSFET或IGBT的通断进行控制。

（3）逆变全桥电路：

此次选用MOSFET作为逆变桥式电路的开关管，考虑到负载的谐振作用，给每个MOSFET添加一个续流二极管，防止负载电感电流对开关管的影响。

同时为减小MOSFET管两端电压值的瞬间变化对其构成的危害，可以在MOSFET添加一个耐压值合适的电容。

感应加热电源的输出功率和频率是感应加热电源的两个非常重要的参数指标，所以选择串联型逆变谐振电路，因为其调功方式比并联型逆变电路更加的灵活。

本次设计的感应加热电源其实就是一个交流变直流，直流变交流的电力电子变换的装置。

通过整流电路把交流电转换成一个直流电，然后将其逆变成一个交流电。

2硬件电路方案的设计

感应加热电源一般由以下几个部分构成：

整流电路、滤波电路、逆变电路、谐振回路、MOSFET驱动电路及SPWM信号产生电路。

图1.2所示为本次设计的感应加热电源的结构图。

其各个环节的功能为：

（1）整流电路（AC-DC）：

将工频交流电（50Hz）通过整流器件编程一些脉动的直流电，在通过滤波器将这一脉动的直流滤波成平滑、稳定的直流。

（2）逆变桥式电路（DC-AC）：

逆变器把输入的直流逆变成交流电，输送给负载，利用感应加热的原理，将感应线圈将电能转变成负载的热能，使其完成能量的转换。

（3）驱动电路:

单片机与开关管之间连接的中介，数字电路产生的高低电平转换成用来控制功率开关管导通与关断的控制信号。

（4）控制电路：

对单片机的定时计数器编程，产生一定频率的SPWM信号来控制逆变桥电路中开关管的导通和关断。

在分析完各部分电路的功能之后，接下来就要对其具体的电路进行设计

2.1整流电路的设计

首先工频交流电先要经过变压器，将220V的电压幅值变换到所需要的电压幅值，然后经过整流电路将交流电变换到直流电，由于经整流电路输出的直流电纹波系数非常的大，还不能直接接到逆变桥式电路中，需要对其进行滤波，改善其纹波系数，使其符合逆变电路的直流输入电的要求。

整流电路通常分为不可控型、半控型和全控型，由于此次设计的感应加热电源电路的重点在于桥式逆变电路，所以，为了减小系统的复杂性，选择使用二极管构成的不控型整流电路，如图2.1所示。

图2.1三相不控整流电路图

整流电路中工频交流电U1经过变压器T，得到频率不变的一个交流电U2，正弦变化的交流电U2在其正半周，二极管VD1和VD4同时导通，VD2和VD3承受反向电压而截止。

此时输出的电压值Ud=U2；在U2工作的负半周内，U2的输入电压方向改变，二极管VD1和VD4便承受反向电源而截止，而VD2和VD3在正向电压的作用下开始导通，此时输出端的电压值Ud=﹣U2；输入电压U2与输出电压Ud的波形如图2.2所示。

不控直流电路中二极管的选择主要考虑的是额定电流和反向承受电压值。

二极管的额定电流值与整流电路工作时的负载大小有关，可以通过电路的输出功率P，即电压U2的有效值来计算二极管通过的电流的有效值，从而根据根据这个电流值的大小来确定选取二极管额定电流值的参数大小。

整流电路工作时，二极管在一定的时间段会承受一定的反向电压而截止，如图2.1中的二极管VD2或VD3在U2的正半周期内，承受的最大电压值是U2的峰值，依据这一点来选择二极管的反向电压参数值。

实际当中选取功率器件时，通常需要考虑一定的裕量，这个裕量的系数设定可以根据具体的电路和可选的器件类型来定。

不控整理电路的输出电压如图2.2所示，其纹波系数较大，需要加一个大电容加在整流电路电压的输出端，得到一个纹波系数较小的直流电压。

选取电容时，根据电压纹波系数和电压的频率，依据经验选取电容值，另外电容的耐压值也是一个不得不考虑的参数，根据输出电压Ud的波形情况，便可得到电容耐压值的大小，实际选用时，同样需要考虑一定的裕量。

图2.2整流电路的输入输出电压波形

2.2逆变桥式电路的设计

2.2.1负载谐振电路

感应加热电源逆变器电路中，输出部分所连接的负载可以看出是一个“变压器”，其原边为感应线圈，副边便是被加热的工件负载。

对于这一个副边短路的特殊的变压器，一般而言，可以将这个特殊的“变压器”在逆变输出电路中等效为一个电抗L和一个电阻R构成的串联电路。

其等效图为如图2.3所示。

图2.3加热工件负载等效电路图

其等效电路的阻抗为：

Z=R+jωL（2-1）

所以负载的功率因数为：

（2-2）

负载感应线圈的有功功率为：

PL=І2R（2-3）

无功功率为：

Q=QL/PL=ωL/R（2-4）

所以由以上的公式可以得到品质因数Q和功率因数

之间的关系为：

（2-5）

由这一关系式可以分析可得，在感应加热电源的负载中，如果

，即Q越大，这功率因数

就越小。

所以，为了能够提高功率因数

，需要对感应加热的负载电路做无功功率的补偿，从而这个负载电路就变成了由补偿电容和逆变等效负载构成的谐振回路。

根据补偿电路与负载等效电路的链接方式，感应加热逆变电路可以分为串联型谐振逆变电路和并联型谐振逆变电路。

图2.4串联谐振逆变电路结构

图2.5并联谐振逆变电路结构

串联谐振的分析

图2.6串联谐振等效电路

图2.4所示为串联谐振电路，从图2.5所示的串联型谐振逆变电路可以得知，逆变电路的输入端并联了一个大电容，起到了稳压的作用，所以可以将逆变电路的输入端看成是一个恒压源，因此，串联型谐振逆变电路也可以称为电压型逆变电路。

在如图2.6所示的等效电路图中，假设电源的电源值为：

E=Emsinωt（2-6）

则电路的电流值I为：

І=E/Z=E/（R+jX）（2-7）

谐振电路的谐振角频率为：

（2-8）

故得到电路的固有谐振频率为:

（2-9）

电路发生谐振时，即电源的频率等于电路的固有谐振频率时，此时电路的电流达到最大值：

Іmax=E/R（2-10）

谐振电路的品质因数为：

Q=ω0L/R=1/ω0CR（2-11）

电路中个元件的电压分别为：

ER=IR（2-12）

EC=І/jω0C=E/jω0CR=−jQE（2-13）

EL=Іjω0L=Ejω0LR=jQE（2-14）

从以上公式可以得知，电路发生谐振时（电源的频率等于电路的固有谐振频率时），电阻两端承担的电压最大，电路的电流达到最大值的同时，电感L和电容C两端的电压值相等，方向相反，并且电压值的大小是电源电压大小的Q倍。

谐振时，电源两端相当于连接了一个电阻，流过电路的电流和电源电压是同相的，所以此时的功率因素为1，即：

（2-15）

电路中的电感、电容和电阻参数一般情况下都是确定的，当电源的频率发生变化时，谐振电路的参数会发生变化，从而会引起电路中电流以及各元件的参数发生相应的变化。

当电源的频率从0变化到∞时，电路中的电压、阻抗的变化情况就会如图2.7中所示。

也就是电路的谐振曲线。

当ω=0时，相当于电源为直流电流，此时电容的容抗为无穷大，相当于电路处于开路状态，电路的电流为零；当ω逐渐增大时，容抗XC便逐渐的减小，而感抗XL却逐渐的增大。

在达到谐振频率以前，依然保持有ω<ω0的关系，相应的XC>XL，电路依然还显现出容性阻抗。

在角频率ω达到谐振的临界频率的过程中，电路的电流І始终随着角频率ω的增大而增大。

当电路角频率ω达到谐振角频率时，电流І便达到其最大值，在此时有XC=XL，EC=EL，

，电子呈现纯阻性。

若角频率ω继续增大，则谐振电路便呈现出感性阻抗，且XL>XC，电路的电流І便开始慢慢的下降。

图2.7串联电路参数随角频率的变化情况

由串联型谐振电路的结构特点，在逆变电路的输入端接有一个大电容，保持了逆变桥的输入侧电压的恒定，负载两端的电压便可以忽略一些谐波成分，可以近似看出是一个矩形波，而负载因电路的谐振作用，因而其电流近似为一个正弦波。

特别要注意的一点是，逆变桥式电路的上下桥臂绝对不能出现同时导通的情形，否则就非发生短路而将电力半导体器件烧坏。

因此，常常在设计半导体驱动信号电路时，需要考虑加入死区时间的限制，保证逆变桥上下桥臂的半导体开关管保持“先关断，后导通”的原则。

并联谐振电路的逆变电路，在拓扑结构上与串联型谐振电路属于对偶的关系，在一些电路的参数分析过程中，可以发现，并联型电路有一些不同的特点，在分析其电路的特点时，可以利用这两种谐振逆变电路的结构特点及在电路参数上的差异，使得设计逆变电路的工作人员可以以此为参考，合理的选择和设计桥式逆变电路的类型和结构，使设计出来的电路符合具体的应用场合。

上面已经分析了串联型（或电压型）谐振逆变电路的参数的特点，以下就并联型谐振逆变电路的结构特点做一个简要的分析。

图2.8并联型谐振等效电路

并联型逆变电路，首先在逆变桥的输入端接入了一个大电感，如图2.5所示。

根据电感的电路特性，电路中流经电感的电流不易发生突变，当电感的参数非常的大时，可以认为流过电感的电流为恒定不变的，所以，在逆变桥电路输入端串联一个大电感，可以认为逆变桥电路的输入是一个恒流源。

所以可以将并联型谐振电路等效为如图2.8所示。

同时并联型谐振电路也因此而可以称为电流型谐振电路。

负载的导纳为：

（2-16）

当电路发生谐振时，即电源的频率等于电路的谐振频率时，

此时负载的导纳为：

（2-17）

通过谐振时，满足关系式

，便可以计算出谐振的角频率来。

所以：

若电路中满足

，便可得到：

（2-18）

所以电路的品质因数为：

（2-19）

可以看出，对于对于并联型逆变电路而言，当电源的频率等于电路谐振频率时，也就是电路发生谐振时，负载呈现出高阻抗，所以这时需要在电路的输入部分用一个大电感来限制电路的输入电流的大小，减小电流的波动。

对于这样一个接有大电感的恒流源输入逆变电路，其负载端的电流波形近似为一个矩形波，而电压则近似于一个正弦波。

这正好跟串联型谐振逆变电路的负载端电路特性相反。

通过这两种电路在电路的输入部分和负载侧的输出部分的电路参数特性，我们可以在设计具体的逆变电路时，根据具体的电源和负载两端的要求，提出切实可行又合理优秀的逆变电路的设计方案出来。

同样需要注意一点的是，对于并联型谐振逆变电路而言，负载侧不允许出现开路的情形，具体对于逆变桥式电路而言，也就是说，逆变桥电路中上下桥臂的电力半导体开关器件不能同时断开，这是因为串联在桥式逆变电路的输入端的滤波大电感中，存储了较大的能量，电感有保持其两端电流恒定的特性，当电感两端出现开路时，大电感就会在其两端感应出一个巨大的感应电压来，在逆变桥式电路中就会产生一个高压尖峰，很有肯能将半导体功率开关器件直接击穿，将其损坏。

因此在设计并联型逆变桥式电路的半导体开关管的驱动电路时，同样要设定一个开关管的死区时间，与串联型逆变电路中提到的死区时间不同的是，并联型谐振逆变电路的死区时间设定的原则是“先导通，后关断”，为的就是避免电感两端出现开路而引起电压尖峰损坏开关器件的后果。

更进一步分析，并联型谐振逆变电路由于大电感的存在，使得即使电路中出现短路现象，电路中的电流也不可能发生突变，因此短路电流便被大电感限制在一定的范围内，短路电流对电路及半导体器件的危害就减小了很多，这样只要在选择功率半导体器件的时候，将其电流的裕量选择比短路电路要大些，就可以避免因电路发生短路现象而对电路造成危害了。

2.2.2调功方式的比较

加热工件在感应加热电源的加热过程中，工件作为逆变电路中的负载，其电路参数会随着工件加热后温度的变化而发生变化，这样电路的品质因数和功率因数都会有一定的变化，为了更好的提高感应加热电源的加热效率，以及感应加热对加工产品的加热质量，常常需要感应加热加热电源在加热过程中，能够随着负载电路参数的变化，而对加热电源的输出频率进行相应的跟踪调节，感应加热电源输出频率的变化，输出功率也会相应的得到调节。

本次设计选用的调功方式为PWM脉冲宽度调制方式，其思路为逆