中頻感應(yīng)加熱設(shè)備的設(shè)計-

1、摘要感應(yīng)加熱電源具有加熱效率高，速度快，可控性好，易于實現(xiàn)高溫和局部加熱，易 于實現(xiàn)機械化和自動化等優(yōu)點，目前已在金屬熔煉、工件透熱、淬火、焊接、鑄造、彎 管、表面熱處理等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。本設(shè)計研究了中頻感應(yīng)加熱及其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展、現(xiàn)狀和趨勢，并在較全而的論述 基礎(chǔ)上，對2. 5khz/250kw可控硅中頻感應(yīng)加熱電源的整流電路以及控制電路進行了設(shè) 計。木文設(shè)計的電源電路可用于大型機械熱加工設(shè)備的感應(yīng)加熱電源。整流電路采用三 相橋式全控整流電路，其電路結(jié)構(gòu)簡單，使電源易于推廣；控制策略選用雙閉環(huán)反饋控 制系統(tǒng)，改善了信號遲滯的缺點，為以后研制大功率、超音頻的感應(yīng)加熱電源打下了基 礎(chǔ)。關(guān)鍵

2、詞：可控硅中頻電源；感應(yīng)加熱；逆變；保護電路design of induction heating power of mediumfrequencyabstractinduction heating power is equipped with lots of advantages such as high heating efficie ncy, fast speed ,good con trollability, which is prone to make heati ng of high and partial temperature , and realize mechanizati

3、on and automation. at present metal melting, work piece heat penetration, quenching, welding, casting, elbow piece, surface heating processing has been widely applied.in duction heati ng of medium frequency and developme nt, curre nt situation, and tendency related tech no logy has been studied, and

4、 have made quite comprehensive and in the profound elaboration foundation, this article has carried on the design to main circuit and the inversion control of the 2.5khz/250kw silicon-controlled rectifier intermediate frequency induction heating power. this design is used for big facility of mechani

5、cal heating processing. structure of rect訐ication circuit is easy, which makes power popularized easily. three-phase bridge rectification circuit is used in rectification circuit. rectification circuit uses feedback control of two closed loop, improving the disadvantages. the foundation for inven ti

6、ng in duction heati ng power of big power and super audio is made.key words： con trollable silic on medium power in ductio n heati ng in verter protect circuit1. 緒論21. 1感應(yīng)加熱電源的特點和應(yīng)用21. 2感應(yīng)加熱電源的發(fā)展階段31.3感應(yīng)加熱電源發(fā)展的主要因素41.4感應(yīng)加熱電源的發(fā)展趨勢42. 感應(yīng)力1熱電源62. 1基本工作原理62. 2基本結(jié)構(gòu)73. 整流電路設(shè)計83. 1整流電路的分類83.2整流電路的選擇93. 3三相

7、橋式全控整流電路93. 4整流電路的參數(shù)設(shè)計134. 控制電路設(shè)計144. 1控制電路系統(tǒng)的概述144.2控制電路的結(jié)構(gòu)與原理154.3控制電路的作用184.4控制策略194. 5 2. 5khz/250kw感應(yīng)加熱電源控制電路結(jié)構(gòu)234.6控制觸發(fā)回路頻率跟蹤調(diào)節(jié)244. 6. 1觸發(fā)要求244.6.2頻率跟蹤電路244. 7過流和過壓的保護電路255驅(qū)動電路的設(shè)計245.1絕緣柵雙極型晶體管(1gbt)對驅(qū)動電路的要求245.1. 1門極電壓對開關(guān)特性的彫響及選擇245.1.2門極串聯(lián)電阻rg對開關(guān)特性的彫響及選擇255.2 tgbt過壓的原因及抑制255.3 igbt的過流保護265.

8、3. 1設(shè)計短路保護電路的幾點要求275.4集成光電隔離驅(qū)動模塊hcpl-316j275. 4.1器件特性275. 4. 2芯片管腳及其功能介紹285. 4.3內(nèi)部邏輯電路結(jié)構(gòu)分析285. 4. 4器件功能分析295. 4. 5驅(qū)動電路的試驗和注意問題306輔助直流穩(wěn)壓電源316. 1三端固定穩(wěn)壓器316.2本次設(shè)計用的的電源326. 2. 1 18伏，15伏穩(wěn)壓電壓電源326.2.2 ±12伏，±5伏雙路穩(wěn)壓電源326. 2. 3元器件選擇及參數(shù)計算337硬件調(diào)試348 結(jié)論35致謝37參考文獻38附錄一整體電路原理圖39附錄二控制電路pcb40緒論1.1感應(yīng)加熱電源的特

9、點和應(yīng)用感應(yīng)加熱是根據(jù)電磁感應(yīng)原理，利用工件中渦流產(chǎn)牛的熱量對工件進行加熱的。由 于感應(yīng)加熱效率高，速度快，可控性好，易于實現(xiàn)高溫和局部加熱，易于實現(xiàn)機械化和 自動化等優(yōu)點，已在熔煉，鑄造，彎管，熱鍛，焊接和表而熱處理等行業(yè)得到廣泛的應(yīng) 用。在國外，感應(yīng)加熱技術(shù)已日趨成熟。在鑄造方面，正在迅速發(fā)展雙聯(lián)熔煉工藝，即 利用中頻爐保溫改性，進行球墨鐵或合金鋼的精密澆鑄；在鍛造方面，利用感應(yīng)加熱實 現(xiàn)快速透熱熱鍛，其材料利用率可達85%,鍛件表面光潔度可小于50 um；在焊接，淬 火方面，國外一方面致力于開發(fā)大功率全固態(tài)高頻電源，一方面致力于開發(fā)高度自動化 的熱處理成套處理系統(tǒng)。我國鑄件用量大，而鑄造

10、行業(yè)仍以沖天爐熔煉為主，溫度及成 分波動大，廢品率高。目前，我國較好的鑄造業(yè)廢品率也在6%15%間，而一般鑄造廠 的廢品率高達30%。隨著我國電力供應(yīng)的改善，環(huán)保要求的提高，發(fā)展和擴大感應(yīng)加熱 的規(guī)模，在大型企業(yè)推廣雙聯(lián)熔煉工藝，改造我國鑄造行業(yè)是符合我國煤炭資源豐富特 點的一條有效途徑。這項改造工程不但涉及到保溫爐的設(shè)計制造，雙聯(lián)熔煉工藝的最佳 化控制系統(tǒng)設(shè)計，還涉及到大功率中頻感應(yīng)加熱電源等。同樣地，在鍛造，焊接，淬火 熱處理方面全面推廣國外先進技術(shù)，改造我國傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)是必然趨勢。近年來在某些高新技術(shù)的研究開發(fā)中也使用了感應(yīng)加熱。上述這些先進技術(shù)的推廣 和發(fā)展均與感應(yīng)加熱電源技術(shù)的研究和發(fā)展

11、密切相關(guān)。1.2感應(yīng)加熱電源的發(fā)展階段1）在50年代前，感應(yīng)加熱電源主要有:工頻感應(yīng)熔煉爐，電磁倍頻器，中頻發(fā)電機組 和電子管振蕩器式高頻電源。50年代末可控硅的岀現(xiàn)則標志著|古|態(tài)半導(dǎo)體器件為核心的 現(xiàn)代電力電子學的開始。硅晶閘管的出現(xiàn)推動了感應(yīng)加熱電源及應(yīng)用的飛速發(fā)展。至今, 在中頻（500hz10kh刃范圍內(nèi)，晶閘管中頻感應(yīng)加熱裝置已完全取代了傳統(tǒng)的中頻發(fā) 電機組和電磁倍頻器。在高頻范圍內(nèi)，由于晶閘管木身開關(guān)特性等參數(shù)的限制，給研制 該頻段的電源帶來了很大的技術(shù)難度，它必須通過改變電路拓撲結(jié)構(gòu)才有可能實現(xiàn)。2）70年代末到80年代初，現(xiàn)代半導(dǎo)體微機集成加工技術(shù)與功率半導(dǎo)體技術(shù)的結(jié)合，為

12、開發(fā)新型功率半導(dǎo)體器件提供了條件，相繼出現(xiàn)了一大批全控型電力電子半導(dǎo)體器件, 極大地推動了電力電子學發(fā)展，為固態(tài)超咅頻，高頻電源的研制提供了堅實的基礎(chǔ)。3）1983年igbt的問世進一步推動了感應(yīng)加熱電源的發(fā)展。igbt綜合了 mos和雙極晶 體管的優(yōu)點，具有通態(tài)壓降低，開關(guān)速度快，易驅(qū)動等優(yōu)點，自1988年解決了擎住問 題后，大功率高速1gbt己成為眾多加熱電源的首選器件，頻率高達100khz,功率高達 mw級電源已可實現(xiàn)。4）在超高頻（100khz以上）頻段，長期以來由電子管振蕩式變換器產(chǎn)生。80年代興起由 大功率半導(dǎo)體開關(guān)器件為元件的逆變式高頻感應(yīng)加熱電源。1.3感應(yīng)加熱電源發(fā)展的主要因

13、素(1) 感應(yīng)加熱電源的發(fā)展與電力電子器件的發(fā)展密切相關(guān)，而電力電子器件的發(fā) 展乂是與半導(dǎo)體微機集成加工技術(shù)與功率半導(dǎo)體技術(shù)分不開的?？煽毓璩霈F(xiàn)后，一代乂 一代的電力半導(dǎo)體器件先后問世，性能不斷改善，高耐壓和高耐流，低損耗、高頻率使 得感應(yīng)加熱電源的性能和實用性得到了體現(xiàn)。(2) 單片機、微型計算機技術(shù)和集成芯片技術(shù)的發(fā)展使得對感應(yīng)加熱電源的復(fù)雜 控制成為可能，體積和重量明顯減小，功率因素提高了，功率控制調(diào)節(jié)方便、準確。(3) 感應(yīng)加熱電源的發(fā)展離不開材料學的進步如磁性材料學。同時，一些相關(guān)的 技術(shù)如磁通集中器，感應(yīng)線圈的材料和設(shè)計，絕緣技術(shù)，故障診斷技術(shù)和遠程控制、智 能化技術(shù)等等也都影響其

14、發(fā)展?？梢哉f，感應(yīng)加熱電源的發(fā)展是諸多學科和綜合技術(shù)共 同決定的。1.4感應(yīng)加熱電源的發(fā)展趨勢(1) 從電路的角度，感應(yīng)加熱電源的大容量化技術(shù)分兩類:一是器件的串并聯(lián)；二 是多臺電源的串并聯(lián)。在器件的串并聯(lián)方式中，必須處理好串聯(lián)器件的均壓問題和并聯(lián) 器件均流問題，由于器件制造工藝和參數(shù)的離散性，限制了器件的串并聯(lián)數(shù)目，且裝置 的可靠性和串并聯(lián)數(shù)r成反比。多臺電源的串并聯(lián)技術(shù)是在器件串并聯(lián)技術(shù)基礎(chǔ)上進一 步大容量化的有效手段，借助于可靠的電源串并聯(lián)技術(shù)，在單機容量適當?shù)那闆r下，可 簡單地通過串并聯(lián)運行方式得到大容量裝置，每臺單機只是裝置的一個單元(或一個模 塊)。串聯(lián)逆變器輸岀可等效為低阻抗的電

15、壓源。當兩電壓源并聯(lián)時，相互間的幅值，相 位和頻率不同或波動時將導(dǎo)致很大的環(huán)流，以致逆變器件的電流產(chǎn)生嚴重不均。因此, 串聯(lián)逆變器存在并機擴容困難:而對并聯(lián)逆變器，逆變器輸入端的直流人，電抗器可充 當各并聯(lián)器之間的電流緩沖環(huán)節(jié)，使得輸入端的ac/dc或dc/dc環(huán)節(jié)有足夠的吋間來糾 正直流電流的偏差，達到多機并聯(lián)擴容。（2）目前，感應(yīng)加熱電源在中頻段主要采用晶閘管，超咅頻段主要是tgbt,而高 頻段，隨著mosfet和igbt性能不斷改進，sit將失去存在價值。感應(yīng)加熱電源諧振逆 變器可實現(xiàn)軟開關(guān)，但由于通常功率較大，對功率器件，無源器件，電纜，布線，接地 屏蔽等均有很多特殊耍求，尤其是高頻電

16、源。因此，實現(xiàn)感應(yīng)加熱電源高頻化仍有許多 應(yīng)用基礎(chǔ)技術(shù)需進一步探討。（3）感應(yīng)加熱電源多應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場，其運行工況比較復(fù)雜，它與鋼鐵，冶金和 金屬熱處理行業(yè)具有十分密切的聯(lián)系，它的負載對象各式各樣，而電源逆變器與負載是 一有機的整體，負載直接影響到電源的運行效率和可靠性。對焊接，表面熱處理等負載， 一般采用匹配變壓器連接電源和負載感應(yīng)器，對高頻，超音頻電源用的匹配變壓器要求 漏抗很小，如何實現(xiàn)匹配變壓器的效率，從磁性材料選擇到繞組的設(shè)計已成為重要課題。 另外，從屯路拓撲上負載結(jié)構(gòu)以三個無源元件代替原來的二個無源元件，以代替匹配變 壓器實現(xiàn)高效，低成木隔離兀配。（4）隨著感應(yīng)熱處理生產(chǎn)線自動化程

17、度及對電源高可靠性要求提高，感應(yīng)加熱電 源正向智能化控制方向發(fā)展。具有計算機智能接口、遠程控制、故障自動診斷等控制性 能的感應(yīng)加熱電源正成為下一代發(fā)展冃標。（5）由于感應(yīng)加熱用電源一般功率都很大，目前對它的功率因數(shù)，諧波污染指標 還沒有具體要求。但隨著減少電網(wǎng)無功及諧波污染要求的提高，具有高功率因數(shù)（采用 大功率三相功率因數(shù)校正技術(shù)）及低諧波污染電源必將成為今后發(fā)展趨勢。（6）當今高新技術(shù)飛速發(fā)展，新材料、新工藝不斷涌現(xiàn)，感應(yīng)加熱是一個重耍的 研發(fā)和加工手段。因此，感應(yīng)加熱電源是某些高新技術(shù)研發(fā)屮心不可缺少的裝備?？梢?肯定的說，隨著科學技術(shù)的發(fā)展，感應(yīng)加熱電源在高新技術(shù)領(lǐng)域會有更廣泛的應(yīng)用。

18、在 這一領(lǐng)域，對感應(yīng)加熱電源的可靠性和可控性要求更高。如何設(shè)計制造大功率超高頻、 高性能的感應(yīng)加熱電源，是電力電子科技工作者的重要課題。2. 感應(yīng)加熱電源2. 1基本工作原理感應(yīng)加熱是利用導(dǎo)體處于交變電磁場中產(chǎn)生感應(yīng)電流（渦流）所形成的熱效應(yīng)使導(dǎo) 體本身發(fā)熱。根據(jù)不同的加熱工藝要求，感應(yīng)加熱采用的電源的頻率有工頻（5060hz）、 中頻（6010000hz）和高頻（高于10000hz） o感應(yīng)加熱的物體必須是導(dǎo)體，感應(yīng)加熱能在 被加熱物體內(nèi)部直接生熱，因而熱效率高，升溫速度快，容易實現(xiàn)整體均勻加熱或局部 加熱（包括表面加熱）。感應(yīng)加熱是利用交流電建立交變磁場產(chǎn)牛渦流對金屬工件進行感應(yīng)加熱的。基

19、木工 作原理如圖1所示，圖中a為感應(yīng)線圈（也稱負載線圈），b為被加熱的金屬工件。若線 圈a中通以交流電流幾 則在線圈a內(nèi)產(chǎn)生隨時間變化的磁場，置于交變磁場中的被加 熱工件b要產(chǎn)生感應(yīng)電動勢色，形成渦流厶 這些渦流使金屬工件發(fā)熱，消耗電能。由 上可知，感應(yīng)加熱是靠感應(yīng)線圈把電能傳遞給要加熱的金屬工件，然后在金屬內(nèi)部轉(zhuǎn)變 為熱能，感應(yīng)線圈與被加熱金屬不肓接電接觸，能量是通過電磁感應(yīng)傳遞的。ba圖1感應(yīng)加熱基本原理dt由電磁感應(yīng)定律可知，感應(yīng)電動勢勺為:(21)設(shè)磁通對吋間方按正弦規(guī)律變化，即=甘sin ojt則e2 =_ 側(cè) 69cos6jt= w qsin伽+ 90 )=爲2 sin(曲+ 90

20、 )(2-2)其中感應(yīng)電動勢的幅值為：em2 = cod)m=2mf為了要使金屬工件加熱到一定的溫度，必須要求金屈工件內(nèi)有足夠大的渦流，亦即 要求金屬工件內(nèi)有較大的電動勢勺，從式(2-2)可知，要增大勺有如下兩種途徑：(1) 增大線圈a中的電流增大即增大金屬工件中的交變磁通的最大值耐。(2) 增大線圈中電流人的頻率。因為金屈工件中的感應(yīng)電動勢勺正比于磁通變化率， 所以心的頻率越高，感應(yīng)電動勢勺就越大。近代感應(yīng)加熱廣泛采用中頻及高頻電源的原 因就在于此，也是成為感應(yīng)加熱電源研究的方向和追求的必然。2. 2基本結(jié)構(gòu)隨著電力電子學及功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展，感應(yīng)加熱電源拓撲結(jié)構(gòu)經(jīng)過不斷的完善, 已形成一

21、種固定的ac/dc/ac變換形式，基木結(jié)構(gòu)如圖2所示。一般由整流器、濾波器、 逆變器及一些控制和保護電路組成。圖2感應(yīng)加熱電源的基本結(jié)構(gòu)3. 整流電路設(shè)計3. 1整流電路的分類整流電路是電力電子電路屮最早出現(xiàn)的一種，它將交流電變?yōu)橹绷麟?，?yīng)用十分廣 泛，電路形式各種各樣；按組成的器件可分為不可控、半控和全控三種，按電路結(jié)構(gòu)可 分為橋式電路和零式電路，按交流輸入相數(shù)分為單相電路和多相電路，按變壓器二次側(cè) 電流的方向是單相或雙相，乂分為半波電路和全波電路；實用電路是上述的組合結(jié)構(gòu)。 整流電路的實質(zhì)就是把交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能的電路。3.2整流電路的選擇半波整流：變壓器的次級繞組與負載相接，中間串聯(lián)

22、一個整流二極管，就是半波整 流。利用二極管的單向?qū)щ娦裕挥邪雮€周期內(nèi)有電流流過負載，另半個周期被二管所 阻，沒有電流。這種電路，變壓器中有直流分量流過，降低了變壓器的效率；整流電流 的脈動成分太大，對濾波電路的耍求高。只適用于小電流整流電路。全波整流：一是變壓器與半流整流電路相同，但用四個二極管組成橋式電路，將次 級線圈的正、負半周都用起來；二是變壓器的次級繞組圈數(shù)加倍，中間抽頭，實際上由 兩個次級線圈構(gòu)成。中間抽頭接負載一端，另兩個端子各串聯(lián)一個二極管后接負載的另 一端。經(jīng)常使用的整流電源電路是效率高的全波整流電源電路，僅用電容器作為濾波電路 的電路有中心抽頭式和橋式?，F(xiàn)在裝有4個整流二極

23、管的橋式整流器能夠很便宜買到, 而ii變壓器的使用效率也高，所以幾乎都為橋式整流電路。橋式整流屬于全波整流，三相整流只有全波整流，沒有半波整流。三相全波整流也 只有橋式整流。所以在此設(shè)計中選用了三相橋式全控整流電路。3.3三相橋式全控整流電路整流電路采用三相全控橋式整流電路，其作用為將從三相電網(wǎng)輸入的50hz電壓整 流成脈動的直流電壓。三相橋式整流電路圖如圖3所示。0-nrm-圖3三相橋式全控整流電路晶閘管ab、bc、ca接成共陰極，晶閘管ac、ba. cb接成共陽極，并與變壓器和負 荷分別構(gòu)成兩個三相半波可控整流電路，兩個三相半波可控整流電路串聯(lián)就構(gòu)成三相橋 式全控整流電路，如圖4所示。圖4

24、三相橋式全控整流電路三相橋式全控整流電路的輸出電壓為三相半波可控電路的兩倍三相橋式全控整流電路的輸出電壓為:(3-1)ud =2.34/7()cosq式中：u(l輸出直流電壓平均值；uo電網(wǎng)相電壓；a觸發(fā)移相角。當&二0吋，對于共陰極組的晶閘管依次觸發(fā)陰極電位最高的晶閘管，對于陰極組的 晶閘管組依次觸發(fā)陰極電位最低的晶閘管，使晶閘管導(dǎo)通。把一個周期平均分為6段, 如圖5所示。圖5不同q的輸出波形在ab段內(nèi)，&相電壓最高，電流從變壓器"相繞組流出，經(jīng)過ab負荷和ba （在此 段內(nèi)，b相電壓最低，共陽極組的晶閘管ba正處于導(dǎo)通狀態(tài)），回到變壓器b相繞組。a 相繞組內(nèi)的電流

25、為正，b相繞組內(nèi)的電流為負。負荷電壓山呱。在ac段內(nèi)，a相電壓仍然最高，晶閘管ab繼續(xù)導(dǎo)通，電流從a相繞組流出，經(jīng)過 ab負荷和cb。晶閘管ba承受反向電壓而關(guān)斷，所以電流回到c相繞組。b相繞組內(nèi)的 電流為正，c相繞組內(nèi)的電流為負。負荷電壓仏二兒。在ab和ac段內(nèi)，由于負荷的電感量較大，流過ab的電流也保持不變。在bc段內(nèi)，b相電壓最高，晶閘管bc因得到觸發(fā)脈沖而導(dǎo)通，由于b點電位高于 a點電位，所以晶閘管ab因承受反向電壓而關(guān)斷。電流從b相繞組流出。在這一段內(nèi), c相電壓仍然最低，晶閘管cb繼續(xù)導(dǎo)通。負荷電壓山嘰在ba段內(nèi)，bc和ac導(dǎo)通，ud=ubao在ca段內(nèi)，ac和ca導(dǎo)通，山二在cb

26、段內(nèi)，ca和ba導(dǎo)通，u尸。上面圖5是不同。時的輸出電壓波形給出了在感性負載電流非斷續(xù)的狀態(tài)下，不同 &角下的輸出電壓的波形，其中&>90的狀態(tài)稱為整流橋的逆變工作狀態(tài)，其實質(zhì)是負 載向電網(wǎng)反饋能量。34整流電路的參數(shù)設(shè)計(1) 二極管電壓額定值urrm ；二極管的耐壓可按式(3-2)確定，根據(jù)電網(wǎng)電壓，考 慮到其峰值、電壓波動等因素。取波動系數(shù)為1.3,安全系數(shù)a二1.5。vrrm >(/acxv2xl.3x6z(3-2)由于交流側(cè)電壓um為380v,代入上式，可得：% >/acxv2xl.3x6z = 380xv2xl.3xl.5 = 1047.774v(

27、3-3)(2) 確定電流額定值厶整流二極管的電流額定值是根據(jù)其結(jié)溫而確定的，可按式 (3-4)來確定：i2t > ita(3-4)式中：ir沖擊電流值；a安全系數(shù)，取&二2；將上式變形為:z>a/x4=v2x1.3xzh=v2x115.83x1.3 = 213a(3-5)需要說明的是，由于有冬h的存在，在開始啟動時，可以使其占空比很小，這樣兒 乎沒有沖擊電流，所以實際上二極管的耐流可以更小。(3) %的選?。粠X的耐壓和耐流與整流二極管是相同等級的。由于頻率較高, 所以要選擇gtr、mosfet、igbt等工作頻率較高的自關(guān)斷器件。(4) 電力電容的計算；因為是6個脈動整流波

28、動，50hz電網(wǎng)輸入。周期為20ms, 所以每個波動的時間為20/6«4ms，根據(jù)公式(3-6)可以得到：2 = cxa(/ = /xr(3-6)式中，取 f115.83a, f4ms, 二600v，得到：772. 2 nf可以選取3000 u f/400v的電容4個串聯(lián)，這樣實際的容量為750 u f,耐壓為1600v。4. 控制電路設(shè)計4. 1控制電路系統(tǒng)的概述敢應(yīng)加熱對其電源提出了一定的技術(shù)要求，感應(yīng)加熱電源的控制系統(tǒng)就是根據(jù)這些 要求來設(shè)計和實現(xiàn)的。在生產(chǎn)過程中，根據(jù)不同的工藝，中頻電源不僅要輸出各種不同 的功率，而且還需要在各種擾動下維持和調(diào)整各種指標。例如鍛坯加熱時，為保

29、證工件 的出口溫度，電源必須具有電壓自動調(diào)節(jié)的能力，以適應(yīng)電網(wǎng)電壓的波動的影響。另外， 在感應(yīng)加熱系統(tǒng)出現(xiàn)故障情況下，電路中會出現(xiàn)過電流和過電壓，控制系統(tǒng)中保護部分 應(yīng)該負責故障的處理。因此，與其他白動裝置一樣，屮頻電源必須具備相應(yīng)的控制功能， 才能有可靠的工作和產(chǎn)品質(zhì)量的保證。隨著加熱工業(yè)的發(fā)展和新產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝的變化, 對感應(yīng)加熱電源的控制系統(tǒng)功能的要求也更加的多樣化和智能化。4.2控制電路的結(jié)構(gòu)與原理控制電路包括整流控制電路、逆變控制電路，保護電路等，如圖6所示。圖6感應(yīng)加熱電源控制電路整流控制電路的任務(wù)是根據(jù)各種輸入信號（給定，反饋，故障等）綜合情況發(fā)出寬度 合適的脈沖，以便輸出合適的

30、直流電壓。感應(yīng)加熱電源主要用于工業(yè)快速，均勻加熱, 特點是隨著加熱過程的進行，負載不斷變化，負載的固有諧振頻率變化，功率因數(shù)變化。 這些變化取決于負載的電氣特性如導(dǎo)電性、滲透性、耦合系數(shù)和幾何性質(zhì)如形狀等等; 同時，不同的負載需要的功率大小也不同，這樣必須對逆變器的輸出功率和頻率都做相 應(yīng)的調(diào)整。也就是說，整流側(cè)和逆變側(cè)是協(xié)調(diào)工作的。在本設(shè)計中采用的是由整流側(cè)調(diào) 節(jié)功率，逆變側(cè)進行頻率跟蹤方案。整流橋的控制一般用典型的全可控整流（在不要求 移相調(diào)節(jié)直流側(cè)電壓時）或可控整流（需要調(diào)節(jié)直流側(cè)電壓時），具體用哪一種取決于控 制策略。逆變控制電路包括開關(guān)器件的驅(qū)動電路，死區(qū)形成電路，鎖相環(huán)電路。其中，

31、驅(qū)動 電路所產(chǎn)牛的脈沖的次序和占空比由控制策略決定，硬件主要是由集成驅(qū)動模塊及其一 些外圍電路組成，也有用純模擬電路搭成的，還可以是數(shù)字與模擬電路共同合成。死區(qū) 形成電路在串聯(lián)諧振型中是必不可少的，有的集成驅(qū)動模塊中含有該單元，在設(shè)計時就 可以省略；有的雖然含有一定的延遲環(huán)節(jié)，但吋間太短，需要另加延遲。鎖相環(huán)電路的 目的是跟蹤負載的諧振頻率，從而控制逆變電路的工作頻率，這就是所謂的鎖相控制。一般采樣電壓取白負載電容兩端，這是由于電容對高次諧波的阻抗小，其端電壓的高次 諧波分量最小，基波分量最大。以此信號作為反饋，可有效降低高次諧波的干擾，使系 統(tǒng)能穩(wěn)定地跟蹤諧振頻率厶，再加上適當?shù)钠秒娐?，?/p>

32、以使得工作頻率略高于諧振頻 率。保護電路主要是防止過電流，短路保護。功率調(diào)節(jié)方式有三種:(1) 改變功率因數(shù)通過改變工作頻率來改變功率因數(shù)。通常，為減小器件開關(guān)損耗，工作頻率應(yīng)大于 諧振頻率。若逆變器的工作電壓不變，則在諧振點附近負載等效阻抗最低，如圖7所示， 電流最大，因而輸出功率也最大。圖7等效阻抗的頻率特性圖8移相控制開關(guān)動作當提高工作頻率時阻抗也隨之增大，電流減小，功率因數(shù)也減小，因此輸出功率隨 之減小。由此可見，逆變器的輸出功率可由工作頻率來調(diào)節(jié)，特別當負載冋路q值較高 時調(diào)節(jié)更靈敏。因此，直流端可為三相全控整流電源。逆變電路的工作頻率f的大小由 所需的功率要求決定。這種調(diào)功方法速度

33、快，整流電路簡單。但是當所需功率很小時， 會讓系統(tǒng)工作在嚴重失諧的狀態(tài)，無功損耗大。(2) 改變直流電壓移相調(diào)功是通過移相控制，即每個橋臂的兩個開關(guān)管180互補導(dǎo)通，兩個橋臂的導(dǎo) 通角相差一個相位，即移相角，通過調(diào)節(jié)移相角的大小調(diào)節(jié)負載電壓的寬度，從而調(diào)節(jié) 輸出功率，如圖8所示。根據(jù)脈沖的作用先后可把橋臂分為超前臂(qi, q3)和滯后臂(q2、q4）o移相調(diào)功吋電路仍工作在諧振狀態(tài)，實現(xiàn)負載電壓基波分量與負載電流同相。在 兩橋臂開關(guān)器件都關(guān)斷時，由反并聯(lián)二極管續(xù)流。（3）調(diào)頻來調(diào)節(jié)輸出功率目前，高頻感應(yīng)熱處理電源采用橋式逆變電路，通過調(diào)頻的方式來調(diào)節(jié)輸出功率。 為了減小逆變管的開關(guān)損耗，逆變

34、器的工作頻率大于其諧振頻率。若逆變器的工作電壓 不變，則在諧振點附近的輸出功率最大，當提高逆變器工作頻率吋，負載等效阻抗增高， 輸出功率減小，輸出功率因數(shù)很低，而且逆變器主開關(guān)管工作在硬開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)損耗 大，效率低。高頻感應(yīng)熱處理逆變電源采用并聯(lián)諧振式全橋dc/ac逆變電路，以晶閘管 為主開關(guān)器件，由電流調(diào)節(jié)和功率調(diào)節(jié)組成雙閉環(huán)進行功率調(diào)節(jié)，用頻率跟蹤電路控制 逆變器的工作頻率，使逆變器始終工作于諧振狀態(tài)，逆變器輸出功率因數(shù)接近于1,而 口能始終工作在準零電流開關(guān)狀態(tài)、整機工作效率較高。4.3控制電路的作用感應(yīng)加熱電源的控制電路必須至少起著以下作用：（1）調(diào)節(jié)控制電路必須對整流電路、逆變電路

35、等系統(tǒng)主電路部分進行功能控制。 對于整流電路、逆變電路必須在各種擾動下維持系統(tǒng)各參量（如電流、輸出電壓等）不偏 離其設(shè)定值。（2）上述各參量因各種故障而超出其設(shè)定的極限值吋，控制電路應(yīng)將調(diào)節(jié)器封鎖， 使整流電路轉(zhuǎn)入逆變工作狀態(tài)。（3）是為了達到調(diào)節(jié)和保護等目的，系統(tǒng)必須具有對各種參量進行測量和監(jiān)視的 能力。例如對冷卻水的壓力、水流量、水溫，控制柜中的氣溫，屮頻電壓和電流等參量 的測量和監(jiān)視。（4）中頻加熱電源的負載頻率必須要實現(xiàn)自動跟蹤功能。（5）控制為了協(xié)調(diào)各部分工作，保證整個電源能按照預(yù)定的程序正常運行，系統(tǒng)必須具有嚴密的控制操作。但是，與其他自動裝置相比較，中頻電源對各項調(diào)節(jié)品質(zhì)指標的要

36、求（動態(tài)的和靜 態(tài)的）相對要低一些。而動態(tài)指標與靜態(tài)指標相比，后者是主要的。前者僅限于電源在 擾動下不至于失去控制。4, 4控制策略直到目前為止，工業(yè)中常用的中頻電源仍以并聯(lián)諧振逆變電路為主，功率調(diào)節(jié)方式 都是采用單獨調(diào)節(jié)可控整流器輸出電壓的方法。屮頻電源的開壞控制如圖9所示。d2中頻電源開環(huán)原理控制過程如下：整流觸發(fā)控制角調(diào)節(jié)器把輸入控制信號匕轉(zhuǎn)換成控制角可控 整流電路在電網(wǎng)電壓為"c的條件下把&轉(zhuǎn)換成直流輸出電壓5 ;經(jīng)過濾波電感l(wèi)d后, 逆變器將輸入直流電壓轉(zhuǎn)換為頻率為f的中頻電壓"n向負載輸出電能；負載電路將 中頻電壓轉(zhuǎn)換成工件溫度耳，改變控制信號即可改變工

37、件溫度。開環(huán)系統(tǒng)的特點 是結(jié)構(gòu)簡單，但是對擾動沒有調(diào)節(jié)能力。圖10屮頻電源控制原理閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的原理圖如10所示。電壓反饋電路把輸岀中頻電壓如，轉(zhuǎn)換成反饋 電壓q （直流），后者與給定電壓us相比較，并產(chǎn)牛差值電壓電壓調(diào)節(jié)器將此差 值電壓放大。這樣系統(tǒng)在外界干擾和的作用下也能維持輸出電壓為恒值。擾動/模 擬三相電網(wǎng)電壓的波動；擾動仏模擬由于負載性質(zhì)變時所引起的阻抗變化，當直流電壓 為定值吋，負載阻抗變化將引起輸出電壓的變化。圖中另一內(nèi)環(huán)描述逆變電路具有 頻率白動跟蹤的能力。脈沖形成電路將連續(xù)變化的負載電壓換成同步脈沖，作為逆變觸 發(fā)電路的控制信號。經(jīng)過感應(yīng)加熱的產(chǎn)品最重要的技術(shù)指標就是溫度。還

38、可以通過測量溫度然后作為反 饋信號進行控制。中頻輸岀功率ph與工件溫度7；之間存在如下關(guān)系：c(tc-td)g024初(4-1)式中：電源總效率；c-鍛件的比熱容;鍛件加熱時間；g鍛件質(zhì)量；td環(huán)境溫度。u2ph =汕(4-2)心式中：5中頻電壓rh等效電阻故有：if =c(7；tjg(4-3)”().24初心生產(chǎn)過程屮若要保持工件的溫度在控制的范圉內(nèi)，工件的溫度是控制的關(guān)鍵因素。 由上而的分析可知，調(diào)節(jié)中頻電壓"h的值就可達到調(diào)節(jié)鍛件溫度的目的。而中頻電壓 在生產(chǎn)過程中會發(fā)生波動，且溫度控制具有一定的滯后性，所以，在控制鍛件溫度的控 制系統(tǒng)屮，一般采用溫度和電壓雙閉環(huán)的方法。溫度和

39、屮頻電壓串級控制，溫度閉環(huán)為 外環(huán)，電壓閉環(huán)為內(nèi)環(huán)。系統(tǒng)控制框圖如圖11所示?？刂葡到y(tǒng)實際應(yīng)用中的控制系統(tǒng)外環(huán)根據(jù)用戶給定的設(shè)定溫度7；和反饋的工件溫度7；進行pi調(diào)節(jié)后設(shè)定給定電壓 值乞，內(nèi)環(huán)根據(jù)乞和中頻電壓反饋匕經(jīng)過p1調(diào)節(jié)后通過整流控制角調(diào)節(jié)器設(shè)定整流 的q角，控制中頻電源的輸出功率。在電壓閉環(huán)和溫度閉環(huán)中都釆用了 pi調(diào)節(jié)器。比 例調(diào)節(jié)p反映控制系統(tǒng)的偏差信號，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用以減少偏 差，較大的比例系數(shù)可以使系統(tǒng)很快到達設(shè)定位，但是也增加了系統(tǒng)的不穩(wěn)定性；積分 調(diào)節(jié)t用于消除靜態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的無差度；在感應(yīng)加熱中，熱慣性比電慣性大得多， 所以一般忽略微分調(diào)節(jié)d,

40、在實際設(shè)備中采用pi調(diào)節(jié)雙閉環(huán)控制。木裝置是采用電流電 壓雙閉壞控制電路。4. 5 2. 5khz/250kw感應(yīng)加熱電源控制電路結(jié)構(gòu)設(shè)計的2. 5khz/250kw感應(yīng)加熱電源的控制電路是電流電壓雙閉環(huán)控制，其中采用 電流為內(nèi)壞，電壓為外壞的控制方式，如圖12所示。圖12 2. 5khz/250kw感應(yīng)加熱器的控制系統(tǒng)圖中仏為給定電壓，仏為負載反饋電壓，厶為負載反饋電流，厶為負載電流給定，。為三相全控整流橋的導(dǎo)通角。通過對主回路的三相全控整流橋的控制，即對三相全控 橋的六個晶閘管導(dǎo)通角。的控制，來實現(xiàn)對負載功率的控制。并聯(lián)逆變式負載采用頻率 自動跟蹤，需要對單相逆變器通斷的控制，來保證負載電

41、路為諧振回路，從而實現(xiàn)負載 的功率輸岀最大。4.6控制觸發(fā)回路頻率跟蹤調(diào)節(jié) 4. 6.1觸發(fā)要求為使逆變器可靠換向，必須按一定引前功率因數(shù)運行。逆變器在加熱過程中，爐子 的電感是個變量，其震蕩頻率在加熱過程中是不斷地變化的，為使逆變器安全地工作， 觸發(fā)頻率必須緊跟爐子電感的變化。同時逆變器電流超前于電壓的角度不能太小，否則 晶閘管承受反向電壓的吋間太短，就不能可靠地關(guān)斷晶閘管，待負載電壓過零后，管子 又將得到正向電壓，造成換向失敗，但引前觸發(fā)角不能太大，它會造成功率因數(shù)下降， 輸岀電壓值升高?？傊|發(fā)應(yīng)是在一定的引前角下進行，逆變器的換向必須在負載電壓過零前結(jié)束， 逆變器觸發(fā)頻率必須跟蹤于負載

42、頻率。4. 6.2頻率跟蹤電路頻率自動跟蹤可由逆變器或負載端的電流或電壓量，經(jīng)過處理，產(chǎn)生脈沖，使逆變 器隨爐了參數(shù)的變化不斷改變觸發(fā)脈沖頻率。它分為兩種恒時間原則及恒功率因數(shù)原則。(1) 恒時間r原則，即加熱過程中始終保持引前觸發(fā)時間為恒值。其缺點是當換 向重疊時間增加時，安全余量勢必減小，對換向不利。啟動時為使逆變器可靠換向，需 人為增大廣值。本原則功率因數(shù)隨爐子負載變化而變化。(2) 恒功率因數(shù)原則，其冃的是爐子在加熱運行過程屮，始終保持引前觸發(fā)角田平 為恒定值。本原則在運行中當頻率降低時，&將自動增大，使引前觸發(fā)角保持不變，啟動吋雖然換向重疊吋間增人，但因頻率較低也能保證施有足

43、夠的值，爐料溫度升高的過 程中匕值將自動減小，由于負載電流下降，木值幾乎不受影響，本裝置隨頻率自動變化。4.7過流和過壓的保護電路電力電子半導(dǎo)體器件特點之一是承受過電壓、過電流的能力較差，一旦遇到故障, 幾乎瞬間就壞。為了提高電力電子裝置的可靠性，除了在選擇器件時，需有一定的電壓 和電流裕量外，還需要采用一定的保護措施。一般過電壓是用阻容元件吸收和消耗產(chǎn)生 過電壓的能量，或是選用非線性元件限制過電壓的幅度和用電子電路來實施保護等方法 來抑制過電壓。過電流一般是采用快速熔斷器，快速直流開關(guān)和電子電路來實施過電流 保護的?？煽毓杵骷目惯^流能力較弱，熱容量較小，過載電流流過器件時會使器件溫度迅 速

44、上升，如來不及切斷或限制過電流，很快就會使器件因溫度過高而損壞；過載電流越 大器件能承受過電流吋間越短，因此線路設(shè)計須考慮保護。本設(shè)計是采用快速熔斷器的 保護措施，這是一種最簡單有效的過電流保護器件。它的分斷時間短（10ms）,允 許能量小，分斷能力強（1000a）以上）。使用時，與被保護晶閘管直接串聯(lián)，如圖14 整流電路中的快速熔斷器所示。!ld圖14感應(yīng)加熱電源電路換流過程中的電壓毛刺會引起電路產(chǎn)生過電壓，這種現(xiàn)象主要靠增加阻容吸收來克 服，須注意：逆變回路二極管上也需要加阻容吸收。阻容吸收電路俗稱緩沖電路，電路 是由電容和電阻串聯(lián)而成，利用電容來吸收尖峰狀態(tài)的過電壓能量，利用與電容串聯(lián)的

45、 電阻來消耗產(chǎn)生過電壓的能量。電阻還能阻止電容與線路分布電感形成的振蕩以及限制 當開關(guān)器件導(dǎo)通時，由電容放電引起的d/0和浪涌電流。整流器和逆變器等同一個諧波源，在運行時都會向電網(wǎng)注入諧波電流電壓，這些諧 波分量都將產(chǎn)生不良影響。這是木設(shè)計的缺點，也是今后研究的一個重要趨勢，目前只 能靠lc濾波器來盡量減少諧波分量的影響。5驅(qū)動電路的設(shè)計驅(qū)動電路的作用是將控制電路輸岀的pwm脈沖放大到足以驅(qū)動1gbt,所以單從原理 上講，驅(qū)動電路主要起開關(guān)功率放大作用，即脈沖放大作用器。其重要性在于igbt的 開關(guān)特性與驅(qū)動電路的性能密切相關(guān)。5.1絕緣柵雙極型晶體管(igbt)對驅(qū)動電路的要求5.1.1門極

46、電壓對開關(guān)特性的影響及選擇驅(qū)動電路的要求與igbt的特性密切相關(guān)，見表5.1。設(shè)計門極驅(qū)動電路時，應(yīng)特別 注意其開通特性、負載短路能力和duce/dt引起的誤觸發(fā)等問題。正偏置電壓uge增加， 通態(tài)電壓uce下降，開通能耗eoz也下降，只有當uge大到一定值時，uce才能達到較低 的飽和值。若+uge固定不變時，導(dǎo)通電壓將隨集電極電流增大而增高，開通損耗將隨結(jié) 溫而升高。由此可知當門極電壓在15v左右時，通態(tài)壓降接近飽和，但是門極電壓不能 超過20v,否則可能擊穿門極與發(fā)射極之間的氧化膜，這里選擇18v。表5. 1 tgbt的門極驅(qū)動與特性的關(guān)系特性u ce3)%、efw5、e°ff

47、負載短路能力du / dtuce大減小減小減小增大條件uce大微增大減小rg人增人增人減小負偏電壓-uge直接影響1gbt的可靠運行，負偏電壓增高時漏極浪涌電流明顯下降， 對關(guān)斷能耗無顯著影響，-uge與集電極浪涌電流和關(guān)斷能耗eoff的關(guān)系十分密切。因為 當igbt關(guān)斷時，會在集電極和射極間產(chǎn)生很高的電壓上升率，引發(fā)較大的位移電流， 使得門極與發(fā)射極間的電壓升高，可能超過門極閥值，導(dǎo)致脈沖浪涌電流過大，發(fā)牛擎 住效應(yīng)。為了避免這種誤觸發(fā)，在igbt關(guān)斷時，應(yīng)在門極上加負電壓，-5v-10vo因 此，驅(qū)動電路輸出選擇+18v和-5v為開通和關(guān)斷電壓。5.1.2門極串聯(lián)電阻心對開關(guān)特性的影響及選

48、擇門極電阻增加，將使igbt的開通與關(guān)斷時間增加；因而使開通與關(guān)斷能耗均增 加。而門極電阻減小，則又使刃/力增大，可能引發(fā)igbt誤導(dǎo)通，同時rg上的損耗也 有所增加。因為rg的具體數(shù)值還與柵控電路的具體形式及igbt的電壓、電流大小有關(guān)， 所以門極電阻選擇要適當。本設(shè)計中的門極電阻可選取30 q o綜上所述對驅(qū)動電路的要求可歸納如下：igbt與m0sfet都是電壓驅(qū)動，都具有一個2. 55. 0v的閾值電壓，有一個容性 輸入阻抗，因為igbt對柵極電荷集聚較敏感，故驅(qū)動電路必須很可靠，要保證有一條 低阻抗的放電回路，即驅(qū)動電路與igbt的連線要盡量短。 用內(nèi)阻小的驅(qū)動源對柵極電容充放電，以保

49、證柵極控制電壓uge有足夠陡的前后 沿，使igbt的開關(guān)損耗盡量小。另外，igbt開通后，柵極驅(qū)動源應(yīng)能提供足夠的門極電 壓，使igbt不致退岀飽和而損壞。 驅(qū)動電路要能傳遞幾百hz的脈沖信號。 驅(qū)動電平+uge也必須綜合考慮。+uge增大時，igbt通態(tài)壓降和開通損耗均下降, 但負載短路時的tc增大，tgbt能承受短路電流的吋間減少，對其安全不利，因此在有 短路過程的設(shè)備中uge應(yīng)選得小些，一般選1215v。 在關(guān)斷過程中，為盡快抽取pnp管中的存儲電荷，需施加一負偏壓uge,但它受 igbt的g、e間最大反向耐壓限制，一般取-2-lovo 驅(qū)動電路與控制電路應(yīng)嚴格隔離。 igbt的柵極驅(qū)動

50、電路應(yīng)盡可能簡單實用，最好自身帶有對igbt的保護功能，并 有較強的抗干擾能力。5.2 igbt過壓的原因及抑制ig盯關(guān)斷時，由于主冋路電流的急劇變化，主冋路的雜散電感引起高壓，產(chǎn)生開關(guān) 浪涌電壓，由于此開關(guān)浪涌電壓，關(guān)斷時的電壓軌跡超過了 rbsoa (反向偏置電壓安全 動作區(qū)域)就會損壞元件。為了對這種過電壓進行抑制，采用適當?shù)牟季€使主電路中的所有寄生電感減至最小 時有利的，然后采用抑制網(wǎng)絡(luò)，并以最短的距離將其連接起來，在本系統(tǒng)屮，采用的緩 沖冋路如下圖5.2所示：(1)工作原理在igbt導(dǎo)通時，通過r1使csl充電到直流電源u d。當t1由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r，由 于主回路的雜散電感，電流i。

51、將通過csl、d1流向變壓器原邊，管子兩端的電壓為電容 電壓與二極管電壓之和，由于電容器csl±的電壓不能突變，所以t1管子兩端電壓將 得到抑制。（2）緩沖器冋路的設(shè)計1、緩沖辭電容的計算：當t1由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r，為維持負載電流的連續(xù)，電流lo 將流過電容csl、d1、變壓器原邊、t4,雜散電感l(wèi)中儲存的能量絕大部分將轉(zhuǎn)移到csl 儲存，即：厶/°2/2 = g(np-匕尸/2這里：l主回路的雜散電感/） igbt關(guān)斷時的集電極電流vcepigbt關(guān)斷時的集電極一發(fā)射極電壓ud直流電源電壓按經(jīng)驗選取csi =2山2、緩沖器阻抗r的計算:對緩沖器阻抗的要求使igbt在關(guān)斷信號

52、到來之前，將緩沖器電容上的電壓放至直流電壓若阻抗很小，會使電流波動，igbt開通時的集電極電流初始值將增大，在滿足r5_ 的前提下，希望選取盡可2 x 3 x c v x /能大的阻值，選取r=10qo在緩沖電路中，電容要選為無感電容。電阻要選為無感電 阻。3、緩沖器二極管的選擇：要選擇快恢復(fù)二極管，若二極管選擇不當，會產(chǎn)生很高 的尖峰電壓，同時在二極管反向恢復(fù)時期電壓波動。這里選擇二極管型號為mur8100o 由圖5-2可知緩沖器二極管d1和緩沖器電容csl的公共點是二極管的陽極，所以圖5.3 中二極管電壓為實際電壓的相反值，可以看出，在t1由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r，d1導(dǎo)通，csl充電，所充電壓為

53、厶x% ,其中l(wèi)為主回路的雜散電感。在t3由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r,f d1不通并承受反壓，csl通過r1充電，所充電壓為(厶-厶)xj,其屮l1為變壓器的 at漏感。5. 3 igbt的過流保護在選擇ig盯的型號時，考慮了器件的工作電流及允許的過電流，然而在故障條件 下，器件承受較大的故障浪涌電流，這是不允許的，所以要用某些方法保護器件免受破 壞。對于負載變化引起的過載，通過閉環(huán)控制，是可以調(diào)節(jié)的。但是當出現(xiàn)更為嚴重的 過載，例如逆變電路橋臂短接等問題時，故障電流在igbt管中急劇上升，這時就要給 igbt提供一個快速保護電路。在主電路所示ig盯的逆變電路中，t1和t3,t2和t4分別組成一個橋臂，

54、如果由 于故障或誤操作使得同一橋臂上的igbt同時導(dǎo)通，即會產(chǎn)生橋臂短路現(xiàn)象，比如，t1 和t3同時導(dǎo)通即會由短路電流流過兩個igbt,其電流通路如圖所示。由于t1和t3支 路的電感很小，短路電流的上升率和浪涌沖擊電流均很大，乂可能導(dǎo)致igbt燒毀。5. 3.1設(shè)計短路保護電路的幾點要求(1) 在器件實效之前完成igbt的關(guān)斷，對于igbt所經(jīng)歷的所有工作狀況，它應(yīng)該 是成立的。(2) 應(yīng)有一定的抗干擾能力。(3) 由于快開關(guān)的加/力和雜散電感相互作用，開關(guān)電路產(chǎn)生噪聲，以及電路中其 它的電磁干擾，故障檢測應(yīng)有一定的抗干擾能力。(4) 應(yīng)足以適用于電路中的各種短路情況。(5) 不應(yīng)影響igbt

55、的開關(guān)特性。5.4集成光電隔離驅(qū)動模塊hcpl-316j設(shè)計tgbt的驅(qū)動電路和保護電路是對它應(yīng)用的關(guān)鍵。如何保證系統(tǒng)穩(wěn)定且可靠工 作，又使系統(tǒng)的開發(fā)周期短，性價比高，是一個需要綜合考慮的問題。目前實際產(chǎn)品應(yīng)用 中有各種典型的驅(qū)動電路,但都存在一定的不足。鑒于對電源和驅(qū)動的要求，結(jié)合本次畢 業(yè)設(shè)計選擇了agilent公司的光電耦合驅(qū)動器件hcpl-316j設(shè)計電路及與控制器的接口。 其內(nèi)部集成集電極-發(fā)射極電壓（uge）欠飽和檢測電路及故障狀態(tài)反饋電路。下面給岀 具體設(shè)計過程及其應(yīng)用。該芯片為s016封裝的表貼器件,其輸入1viii+ve2viii-vled2+vccldesatgnd1vcc

56、25 ©resetvcv v6 nfaultvout/vled1+vee8vled1-vee161514n12tt10hcpl316j輸岀部分分別排列在芯片的兩邊。如下圖5. 4 所示。5.4.1器件特性兼容cmos/ttl電平；光隔離，故障狀態(tài)反饋；一開關(guān)速度最大500ns；“軟” igbt關(guān)斷;-vcc欠飽和檢測及帶滯環(huán)欠壓鎖定保護；寬工作電壓范圍（1530v）；用戶可配置自動復(fù)位、自動關(guān)閉。5. 4. 2芯片管腳及其功能介紹見表52o表5.2 hc p l 3 1 6 j各管腳功能表腳號符號功能說明腳號符號功能說明1正向輸入信號端8vledi-芯片內(nèi)部led1反向電壓25一反向輸入信號端16%正向?qū)ǖ妮敵鲭妷?krci輸入部分電源端15芯片內(nèi)部led2正向電壓4gnd1輸入部分接地端14desat飽和過電壓輸出端5faul1故障信號輸入端12正向?qū)ǖ妮敵鲭妷阂话慵釉陂_ 關(guān)器件發(fā)射極上6reset故障復(fù)位輸入端9, 10#ee反向截止電壓7芯片內(nèi)部led1正向電壓13?cc2正向?qū)ǖ妮敵鲭妷阂话慵釉诎l(fā) 射極上。11out正向及反向輸入信號端，經(jīng)過內(nèi)部光耦隔離放大后輸出端5. 4. 3內(nèi)部邏輯電路結(jié)構(gòu)分析該芯片片內(nèi)分為驅(qū)動隔離和保護隔離兩部分主要功能模塊。輸入信號通過上部光電 隔離器led1傳送到輸