畢業(yè)設(shè)計-大功率感應(yīng)加熱電源設(shè)計

摘要感應(yīng)加熱電源在金屬熔煉、鑄造、鍛造、透熱、淬火、彎管、燒結(jié)、外表熱處理、銅焊以及晶體生長等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。同時，由于感應(yīng)加熱電源的加熱特點，超音頻、大功率是感應(yīng)加熱電源領(lǐng)域研究的重點之一。本文詳細(xì)介紹了所設(shè)計的感應(yīng)加熱電源，它主要包括不控整流，濾波緩沖電路，降壓斬波，逆變電路，數(shù)字鎖相環(huán)電路，保護電路和單片機采樣顯示電路。而且本文高頻感應(yīng)加熱電源的斬波電路和控制電路進行設(shè)計中，采用的是專門電壓控制型芯片控制和IGBT器件取代原有的模擬控制和晶閘管器件，實現(xiàn)對老裝備的更新改造；推出主電路的參數(shù)計算公式，建立了系統(tǒng)的等效電路，負(fù)載的等效模型并分析了控制電路的結(jié)構(gòu)和原理。關(guān)鍵詞：感應(yīng)加熱；串聯(lián)諧振；數(shù)字鎖相環(huán)AbstractInductionheatingpowerinmetalsmelting,casting,forging,heated,quenching,bend,sinteringandsurfacetreatment,brazingandcrystalgrowthindustrieshasbeenwidelyused。Atthesametime,duetothecharacteristicsofinductiveheatingpower,superaudio,heatingpowerinductiveheatingpowerfieldstudyisoneofthekey。Thispaperintroducesthedesignofinductionheatingpower,itmainlyincludesnotcontrolledrectifiercircuit,step-down,filteringbufferchopper,invertercircuits,digitalcircuit,protectcircuitchipandsamplingdisplaycircuit。Andthishigh-frequencyheatingpowerofchoppingcircuitandcontrolcircuitdesign,usethespecialvoltagecontrolchipcontrolandIGBTdevicereplacingsimulationcontrolandbrakecanalofoldequipment,realizingtherenewalandtransformation，Introducedthemaincircuitparameterscalculationformula,establishedthesystemoftheequivalentcircuitmodelofequivalentload,andanalysesthestructureandprincipleofthecontrolcircuit.Keywords:inductionheating,Series,Digitalphaselockloop緒論感應(yīng)加熱來源于法拉第發(fā)現(xiàn)的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，也就是交變的電流會在導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而導(dǎo)致導(dǎo)體發(fā)熱。長期以來，技術(shù)人員都對這一現(xiàn)象有較好了解，并且在各種場合盡量抑止這種發(fā)熱現(xiàn)象，來減小損耗。比擬常見的如開關(guān)電源中的變壓器設(shè)計，通常設(shè)計人員會用各種方法來減小渦流損耗，來提高效率。然而在19世紀(jì)末期，技術(shù)人員又發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象的有利面，就是可以將之利用到加熱場合。高頻感應(yīng)加熱利用電磁感應(yīng)原理對工件進行加熱，其功率密度在被加熱工件內(nèi)的分布可通過選擇電源頻率和合理設(shè)計感應(yīng)線圈而得到。過去因受半導(dǎo)體器件的限制，高頻感應(yīng)加熱電源都采用電子管振蕩結(jié)構(gòu)，致使設(shè)備存在著效率低，體積大，使用前需要預(yù)熱，而且電子管使用壽命短等缺點，隨著大功率半導(dǎo)體器件的開展，高頻大功率感應(yīng)加熱電源的研制取得了很大的進展。感應(yīng)加熱技術(shù)從誕生至今，經(jīng)過近百年的開展，取得了令人矚目的成果，尤其是六十年代以后，固態(tài)電力電子器件的出現(xiàn)與開展，使感應(yīng)加熱技術(shù)和現(xiàn)代化生產(chǎn)許多方面密切相關(guān)，發(fā)揮了很大的生產(chǎn)力作用，因此世界各國都十分關(guān)注感應(yīng)加熱技術(shù)的開展，并投入了相當(dāng)?shù)慕?jīng)濟支持和技術(shù)力量。目前傳統(tǒng)的感應(yīng)加熱電源與固態(tài)感應(yīng)加熱電源取長補短，互補共存。我國感應(yīng)加熱技術(shù)從50年代：后被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中。60年代末開始研制晶閘管中頻電源。到目前己經(jīng)形成了一定范圍的系列化產(chǎn)品，并開拓了較為廣闊的應(yīng)用市場。在中頻領(lǐng)域，晶閘管中頻電源裝置根本上取代了旋轉(zhuǎn)發(fā)電機，已經(jīng)形成了500'--"8000Hz／100～4000KW的系列化產(chǎn)品。但國產(chǎn)中頻電源大多采用并聯(lián)諧振逆變器結(jié)構(gòu)，因此在開發(fā)更大容量的并聯(lián)逆變中頻感應(yīng)加熱電源的同時，盡快研制出結(jié)構(gòu)簡單，易于頻繁啟動的串聯(lián)諧振逆變中頻電源也是中頻領(lǐng)域有待解決的問題。在超音頻領(lǐng)域的研究工作八十年代己經(jīng)開始。浙江大學(xué)采用晶閘管倍頻電路研制了50KW／50kHz的超音頻電源，采用時間分隔電路研制30kHz的晶閘管超音頻電源。從九十年代開始，國內(nèi)采用IGBT研制超音頻電源。浙江大學(xué)研制開發(fā)的250KW／50kHz超音頻電源已經(jīng)產(chǎn)品化。近期，浙大已經(jīng)研制出100KW／250kHz的電流型感應(yīng)加熱電源，而在電壓型電源方面也取得了一定的成果，如50KW／200kHz的產(chǎn)品已經(jīng)實驗通過。感應(yīng)加熱是利用處在交變磁場中的導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的渦流和磁滯損失作用于金屬本體而引起熱效應(yīng)，在極短的時間內(nèi)產(chǎn)生大量的熱能，以此來對金屬外表或整體進行加熱，感應(yīng)加熱是利用電磁感應(yīng)原理把電能轉(zhuǎn)化為熱能的設(shè)備。感應(yīng)加熱技術(shù)誕生之前，都是使用煤氣或石油為能源的裝置來加熱金屬和非金屬，與之相比，電磁感應(yīng)加熱主要有如下優(yōu)點：1〕熱速度快，效率高，容易實現(xiàn)高功率密集。由于感應(yīng)加熱是從金屬內(nèi)部即從金屬的電流透入深度層開始加熱，這樣就很大程度地節(jié)省了熱傳導(dǎo)的時間，因此加熱速度快，生產(chǎn)效率可達(dá)60％以上。2〕采用非接觸式加熱方式，在加熱過程中不易滲入雜質(zhì)。3〕加熱溫度由工件外表向內(nèi)部傳導(dǎo)或滲透，具有精確的加熱深度和加熱區(qū)域，并易于控制。4〕工件損耗少，被加熱物的外表氧化少。5〕節(jié)能環(huán)保，作業(yè)環(huán)境好，幾乎沒有熱，噪聲和灰塵，而且占地少，適合現(xiàn)代環(huán)保的要求。6〕工作容易，加熱均勻，產(chǎn)品質(zhì)量好，且能加熱形狀復(fù)雜的工件。7〕自動化程度高，對于感應(yīng)加熱裝置，可頻繁的起停，控制溫度的精度高。由于高頻感應(yīng)加熱的優(yōu)點不斷地被接受和利用，使得國內(nèi)外在高頻感應(yīng)加熱電源的研究也不斷地增加。1感應(yīng)加熱的物理機理及總體方案確實定1.1感應(yīng)加熱的物理機理如下列圖1.1所示，通有電流的線圈在它的周圍會產(chǎn)生磁場，特別是當(dāng)高頻交流電通過時，線圈周圍會出現(xiàn)交變磁場。工件導(dǎo)體放入磁場時，磁力線會切割工件，在工件導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，從而產(chǎn)生與線圈電流方向相反的渦流。圖1.1感應(yīng)加熱的物理機理設(shè)線圈匝數(shù)為,通入電流大小為，頻率為f的交流電，并令工件的等效圈數(shù)為N，線圈內(nèi)的磁通為，線圈內(nèi)的工件導(dǎo)體上感應(yīng)電動勢為，由法拉第電磁感應(yīng)定律〔1-1〕假設(shè)是按正弦規(guī)律變化，設(shè)，由式〔1-1〕可得〔1-2〕那么感應(yīng)電動勢e的有效值為〔1-3〕由于工件導(dǎo)體本身電阻的存在，當(dāng)渦流流過工件時，會引起工件發(fā)熱，根據(jù)焦耳一楞茨定理有〔1-4〕式中，為工件導(dǎo)體的發(fā)熱量，為流過工件導(dǎo)體內(nèi)的渦流，R為阻礙渦流的電阻，t為通電時間。從式〔1-2〕可知，渦流的頻率與線圈的電流同頻率，由于高頻電流的集膚效應(yīng)，工件導(dǎo)體的渦流分布不均勻，電流分布情況可以表示為〔1-5〕式中，為導(dǎo)體外表電流密度，為電流透入深度，單位cm，為電流分布的密度，單位cm。渦流密度降為外表電流密度的，即36.8%處的深度稱為電流分布帶的寬度，可表示為〔1-6〕式中，為金屬電阻率，單位，為金屬的相對導(dǎo)磁率，f為電流的頻率，單位HZ。在電流透入深度范圍內(nèi)工件吸收的功率為吸收總功率的86.5%，因此成為選擇加熱電源頻率，制造感應(yīng)圈選用鋼管材的重要參數(shù)之一。其功率密度在被加熱工件內(nèi)的分布可方便的通過頻率的選擇和感應(yīng)線圈的合理設(shè)計而得到。1.2感應(yīng)加熱電源總體方案確實定系統(tǒng)要求設(shè)計并制作工作頻率約為100KHZ，輸出功率最大為15KW的感應(yīng)加熱電源，要求能適應(yīng)加熱工件和用于真空蒸發(fā)鍍膜加熱源。在系統(tǒng)設(shè)計中，電網(wǎng)提供的是單相交流電，設(shè)計的電源給負(fù)載加熱時也是用的交流電，這就意味著我們要用到交直交變換，即先把電網(wǎng)送過來的交流通過整流變?yōu)橹绷?，然后把直流通過逆變又變換為交流，為了實現(xiàn)對直流電壓大小的控制，中間還需加一個直流斬波的環(huán)節(jié)，所以系統(tǒng)設(shè)計大致包括四個局部：不控整流、大電容儲能濾波、逆變電路和諧振負(fù)載。圖中通過不可控整流的方式將交流變?yōu)橹绷?，再通過大電容濾波變成比擬穩(wěn)定的直流電作為逆變電路的供電電源，在逆變側(cè)局部實現(xiàn)系統(tǒng)的逆變輸出和功率調(diào)節(jié)。在直流斬波調(diào)功控制當(dāng)中需要對斬波后的輸出進行比擬，需要檢測，在本設(shè)計中決定采用霍爾傳感器檢測斬波后輸出電壓，斬波控制決定采用電壓PWM型控制芯片SA3525A來控制，逆變這一局部決定采用全控型器件MOSFET來作為開關(guān)器件，而逆變的控制電路是由基于CD4046鎖相環(huán)電路來控制的，鎖相環(huán)控制電路的主要作用是讓逆變器工作在諧振狀態(tài)下或小感性的準(zhǔn)諧振狀態(tài)，高效率的輸出有功功率，其中逆變器中的開關(guān)型器件MOSFET采用美國國際整流器〔IR〕公司利用自身獨有的高壓集成電路技術(shù)及CMOS技術(shù)，于1990年前投放市場IR2110驅(qū)動電路。最后經(jīng)過霍爾傳感器檢測系統(tǒng)的電壓，電流和頻率經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，送至單片機，單片機通過控制液晶顯示器使其顯示出來。決定采用如下列圖1.2所示的方框結(jié)構(gòu)圖：圖1.2整機原理方框圖隨著電力半導(dǎo)體器件的開展，大功率全控型器件進入了實用階段。利用普通的單相整流器和斬波電路配合組成輸出電壓可調(diào)的直流電源，能夠滿足加熱裝置，鍍膜蒸發(fā)功率連續(xù)可調(diào)的要求。由于電源的輸出功率只有15KW，并考慮到將來的工作電源環(huán)境，故采用單相工頻電源供電。由電網(wǎng)進入的交流電經(jīng)過低通濾波器后，進入不可控整流橋堆整流，這里的低通濾波器是一個防電磁干擾的濾波器，它一方面將電網(wǎng)中的高次諧波濾除，另一方面感應(yīng)加熱電源也會產(chǎn)生各種諧波，該濾波器也會將其濾除，防止污染電網(wǎng)，它采用成品EMI模塊。交流電經(jīng)整流電路變成脈動的直流信號，經(jīng)電解電容平滑濾波后進入斬波器開關(guān)器件的高端，在脈寬調(diào)制電路〔PWM〕的控制下進行直流調(diào)功，輸入給串聯(lián)逆變器一定的電壓，逆變器在鎖相環(huán)電路控制下，進行頻率自動跟蹤，讓逆變器工作在諧振頻率附近，頻率稍微高于諧振頻率，即準(zhǔn)諧振狀態(tài)，功率因數(shù)接近與1.這樣即可滿足感應(yīng)加熱工藝，又保證系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定，提高了整機效率。然后利用單片機采樣顯示。感應(yīng)加熱電源的主電路如下列圖1.2所示：圖1.2感應(yīng)加熱電源主電路2整流電路設(shè)計2.1整流電路參數(shù)計算及器件的選型整流電路采用的是單相不可控橋式整流電路。具體的整流電路圖如下列圖2.1所示：圖2.1整流電路圖參數(shù)計算主要是整流二極管參數(shù)的計算，由于整流電路后接高頻斬波調(diào)功電路，所以根據(jù)計算整流后的直流平均電壓,即(2-1)式中，為相電壓。根據(jù)輸出功率的要求，結(jié)合前面的分析，考慮逆變器用的是鎖相環(huán)進行頻率自動跟蹤，逆變器工作在諧振或小感性負(fù)載狀態(tài)更好，保守估計可取變換效率，要求整流器的輸出功率為(2-2)故整流器的輸出電流(2-3)通過每個二極管的電流為(2-4)整流二極管承受的最高反向電壓為(2-5)考慮采用日本富士康三相整流二極管模塊6R175E-080，其根本參數(shù)如下：反向重復(fù)峰值電壓,反向非重復(fù)峰值電壓為,平均輸出電流為(為時)，浪涌電流,結(jié)溫,正向壓降(最大值)，反向漏電流(最大值)。根據(jù)上面的計算可知，6R175E-080完全可以滿足設(shè)計要求，只使用其中四個二極管即可。由于整機的進線對通過其的電流有限制，所以需對整機進線參數(shù)進行計算，根據(jù),計算進線電流：(2-6)決定選用兩股RVV線，單股導(dǎo)線標(biāo)稱截面為，直徑為，載流量為。2.2濾波電路的設(shè)計及參數(shù)計算整流電路的濾波電路主要由濾波電容器組成，在可調(diào)直流電壓源中，主要起濾波和穩(wěn)定電壓的作用，由于采用單相橋式整流電路，整流輸出電壓紋波中的基波成分總是100HZ。為了后面的斬波電路能更好工作，設(shè)直流輸出電壓在5%內(nèi)變化，那么濾波電路的時間常數(shù)，也就是濾波電容與后續(xù)負(fù)載的等效電阻的乘機必須為紋波中基波的周期時間的3倍以上。一般取倍即可，即〔2-7〕所以〔2-8〕將前面的計算結(jié)果,,代入式〔〕得選用的電容器，耐壓值至少為,因大容量，高耐壓的電解電容價格昂貴，實際使用時選16個的紅寶石〔Rubycon〕電解電容，分8組并聯(lián)使用。并在每組電解電容兩端并接一個的聚丙烯〔CBB〕和的平衡電阻。3斬波調(diào)功電路的設(shè)計3.1斬波調(diào)功原理與參數(shù)設(shè)計直流斬波電路的功能是將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電，也城為直接直流-直流變換器。直流斬波電路一般是指直接將直流電變?yōu)榱硪恢绷麟姷那闆r。直流斬波電路電路的種類較多，包括6種根本斬波電路：降壓斬波電路、升壓斬波電路、升壓降壓斬波電路、Cuk斬波電路、Speic斬波電路、Zeta斬波電路。本設(shè)計采用BUCK電路來到達(dá)降壓調(diào)功的目的。降壓斬波電路的原理圖如下列圖3.1所示：圖3.1斬波電路原理圖該電路使用一個全控型器件V，圖中為IGBT，也可使用其他器件，假設(shè)使用晶閘管，需設(shè)置使晶閘管關(guān)斷的輔助電路，圖3.1中，為在V關(guān)斷時給負(fù)載中電感電流提供通道，設(shè)置了續(xù)流二極管VD。當(dāng)給IGBT驅(qū)動信號，使IGBT導(dǎo)通，電源E向負(fù)載供電，負(fù)載電壓，負(fù)載電流按指數(shù)曲線上升。當(dāng)關(guān)斷驅(qū)動信號時，IGBT關(guān)斷，負(fù)載電流經(jīng)二極管VD續(xù)流，負(fù)載電壓近似為零，負(fù)載電流呈指數(shù)下降。為了使負(fù)載電流連續(xù)且脈動小，通常串聯(lián)L值較大的電感。至一個周期T結(jié)束，再驅(qū)動V導(dǎo)通，再重復(fù)上一周期的過程。當(dāng)電路工作于穩(wěn)態(tài)時，負(fù)載電流在一個周期的初值和終值相等。負(fù)載電壓的平均值為(3-1)上式中，為V處于通態(tài)的時間，為V處于斷態(tài)的時間，T為開關(guān)周期，為導(dǎo)通占空比，簡稱占空比或?qū)ū?。由此式可知，輸出到?fù)載的電壓平均值最大值為E，假設(shè)減小占空比，那么隨之減小，所以該電路稱為降壓斬波電路。通過對降壓斬波電路的原理分析，我們知道改變占空比，即可改變。通常改變占空比有兩種方式：一是脈沖寬度調(diào)制方式，即PWM方式，即保持T不變〔開關(guān)頻率不變〕，改變調(diào)控輸出電壓。二是脈沖頻率調(diào)制方式，即保持不變，改變開關(guān)頻率或周期調(diào)控輸出電壓。實際使用中廣泛采用PWM方式。因為采用定頻PWM開關(guān)時，輸出電壓中諧波的頻率固定，濾波器設(shè)計容易，開關(guān)過程所產(chǎn)生電磁干擾容易控制，此外控制系統(tǒng)獲得可變脈寬信號比獲得可變頻率信號要容易實現(xiàn)。弄懂了降壓斬波電路的原理，下面就可以對斬波調(diào)功電路進行設(shè)計了，斬波電路的參數(shù)設(shè)計主要包括IGBT的選擇，緩沖電路的選擇和濾波器的選擇。從主電路中可以看到，本次設(shè)計的斬波功率開關(guān)器件采用的是IGBT，實際使用時采用兩個IGBT并聯(lián)。這樣做的理由是IGBT驅(qū)動電路的工作頻率不能到達(dá)80KHZ，同時可降低對后續(xù)濾波電路的要求，讓加在逆變器上的電壓更平穩(wěn)，同時可降低斬波緩沖電路的損耗。圖中的，和組成保護IGBT的緩沖電路。為續(xù)流二極管。斬波開關(guān)器采用TOSHIBA的IGBT模塊MG75Q1J40，它的低端有一個續(xù)流二極管，其根本參數(shù)為：,,,,,,,,,,,.完全可以滿足前面的計算要求。緩沖電路的選擇：緩沖電路又稱為吸收回路，它主要是用來保護功率開關(guān)器件。它包括兩個任務(wù)，一是限制開關(guān)器件上的應(yīng)力，使其在平安范圍內(nèi)，二是當(dāng)開關(guān)器件狀態(tài)變換時，將能量轉(zhuǎn)移到其他的電路上去，減小開關(guān)器件的功率損耗。緩沖電路有許多種，本設(shè)計采用并聯(lián)緩沖電路，如下列圖3.2所示：圖3.2并聯(lián)緩沖電路緩沖電容的臨界值:(3-2)式中，是IGBT從導(dǎo)通到截止的下降時間。實際為IGBT高端和低端的電壓差，可取286V。一般設(shè)IGBT的最小的導(dǎo)通時間為,即〔3-3〕這里斬波器斬波后的輸出電壓為240V，因為使用兩個IGBT并聯(lián)使用，單個IGBT的工作頻率為40KHZ，那么兩者合在一起，相當(dāng)于工作頻率為80KHZ，故(3-4)由式(3-3)可知，當(dāng)取系數(shù)為1/4，得(3-5)電阻上消耗的功率為(3-6)代入數(shù)據(jù)得上面介紹的只是選用元件的指導(dǎo)性原那么，實際調(diào)試過程中要注意的是電容上的電荷必須在下一個開通周期內(nèi)放電完畢。最后選取,,功率為40W的電阻來組成緩沖電路。緩沖二極管參數(shù)為：,,,,,.濾波器的濾波電路主要由,組成，下面對它們進行參數(shù)計算和選擇：(3-7)(3-8)應(yīng)選取標(biāo)稱值,.3.2斬波調(diào)功電路控制電路的設(shè)計斬波調(diào)功控制電路以SG3525A為核心。SG3525A為電壓型PWM控制集成電路，它主要由欠電壓封鎖單元、參考電源穩(wěn)壓器、振蕩器、觸發(fā)器、比擬器、兩個或非門、兩個互補輸出功率放大器等10個局部組成。SG3525A芯片的管腳圖如下列圖3.3所示：圖3.3SG3525A芯片的管腳圖用電壓型PWM控制芯片SG3525A作為降壓斬波的控制電路，該電路的控制的工作原理為：引腳5和引腳6分別外接電容和電位器，引腳7外接放電電阻，它們?nèi)邲Q定產(chǎn)生三角波的頻率，以及三角波上升段的時間和下降段的時間，引腳1，引腳2和引腳9之間內(nèi)部是一個誤差放大器，引腳1為誤差放大器的反相端，它的信號一方面來自引腳9的一個反應(yīng)回路、,另一方面來自斬波器電路輸出的霍爾電壓傳感器的輸出端，在圖中用了插座4〔其中插座的作用是當(dāng)屢次用到這一端口時，可以用跳線子直接接過去，方便接線，圖中還用到了電源插座，各芯片用到的電源和地時都可以直接在這里開始接線，大大方便了接線〕，它與同相端引腳2的給定值〔圖中的電位器設(shè)置的為240V〕的誤差經(jīng)誤差放大器放大后，輸出一個電平，該電平與三角波信號比擬，形成PWM脈沖波，該脈沖波在觸發(fā)器輸出的相位互差的方波信號控制下，周期性的加在功率輸出級基極上，由功率放大后輸出，當(dāng)SG3525A工作在推挽輸出方式時，輸出信號相位互差的兩路脈沖，頻率為振蕩頻率的1/2，占空比隨誤差放大器輸出電平的不同可在之間變化，具體還與放電電阻的大小有關(guān)。引腳8的電容稱為軟啟動電容。當(dāng)電容上的電壓沒有到達(dá)預(yù)定的電壓時，比擬器無輸出信號，防止啟動開機時控制集成電路的浪涌輸出，斬波輸出過高的電壓損壞后續(xù)負(fù)載。這個電容的容量即可改變軟啟動的時間，軟啟動的時間可按計算。引腳10為封鎖端，使用時通過一個高電平封鎖或非門的輸出脈沖，本設(shè)計將其用于保護電路的啟動端。給集成電路還有欠電壓封鎖電路，當(dāng)引腳15的電源電壓超過9.2V時，該控制器正常工作，當(dāng)電源電壓低于7V時，控制器將閉鎖，從而關(guān)斷兩路輸出驅(qū)動器。斬波調(diào)功控制電路如下列圖3.4所示：圖3.4斬波調(diào)功控制電路3.3斬波調(diào)功電路的驅(qū)動電路的設(shè)計斬波器驅(qū)動電路有很多，如HL401A,HL402A,HL403A,GH-038,EXB系列等。本次設(shè)計采用了EXB841，它是專為驅(qū)動400A，600V和高達(dá)300A，1200V的IGBT而設(shè)計的單列直插式15引腳厚膜集成電路，驅(qū)動電路的信號延遲小于。適合于在高達(dá)40KHZ的開關(guān)電路中工作，內(nèi)部有故障及低速切斷封鎖邏輯，工作電源電壓為20V，最大負(fù)載能力為25mA。芯片EXB841的管腳圖如下列圖3.5所示：圖3.5芯片EXB841管教圖EXB841驅(qū)動IGBT正常工作主要有3個工作過程：正常開通過程、正常關(guān)斷過程和過流保護動作過程.14和15兩腳間外加PWM控制信號，當(dāng)10～15V的正向觸發(fā)控制脈沖電壓施加于15和14腳時，在GE兩端產(chǎn)生約16V的IGBT開通電壓；當(dāng)觸發(fā)控制脈沖電壓撤消時，在GE兩端產(chǎn)生約-5.1V的IGBT關(guān)斷電壓.過流保護動作過程是根據(jù)IGBT的CE極間電壓Uce的大小判定是否過流而進行保護的，Uce由二極管V7檢測.當(dāng)IGBT開通時，假設(shè)發(fā)生負(fù)載短路等產(chǎn)生大電流的故障，Uce上升很多，會使得二極管V7截止，EXB841的6腳“懸空”，B點和C點電位開始由約6V上升，當(dāng)上升至13V時，Vs1被擊穿，V3導(dǎo)通，C4通過R7和V3放電，E點的電壓逐漸下降，V6導(dǎo)通，從而使IGBT的GE間電壓Uge下降，實現(xiàn)緩關(guān)斷，完成EXB841對IGBT的保護.E點電位Ue為-5.1V，由EXB841內(nèi)部的穩(wěn)壓二極管Vs2決定.作為IGBT的驅(qū)動芯片，EXB841有著很多的優(yōu)點，但也存在著缺乏：

1)過流保護閾值太高：由EXB841實現(xiàn)過流保護的過程可知，EXB841判定過流的主要依據(jù)是6腳電壓.6腳電壓U6不僅和Uce有關(guān)，還和二極管V7的導(dǎo)通電壓Ud及Ue有關(guān)，V7在0.5～0.6V時即可開通，故過流保護閾值Uceo=U6-Ud-Ue=13V-0.6V-5.1V=7.3V.通常IGBT在通過額定電流時導(dǎo)通壓降Uce為3.5V，當(dāng)Uce=Uceo=7.5V時。IGBT已嚴(yán)重過流，對應(yīng)電流約為額定電流的2～3倍，因此應(yīng)降低Uceo。

2)負(fù)偏壓缺乏：EXB841為了防止較高dv/dt引起IGBT誤動作設(shè)置了負(fù)柵壓，實際負(fù)柵壓值一般不到-5V在大功率臭氧電源等具有較大電磁干擾的全橋逆變應(yīng)用中，電磁干擾使負(fù)柵壓信號中存在隨工作電流增大而增大的干擾尖鋒脈沖，其值可超過6V，甚至到達(dá)8-9V，能導(dǎo)致截止的IGBT誤導(dǎo)通，造成橋臂直通.因此，有必要適當(dāng)提高負(fù)偏壓實際說明，在合理布局的根底上，需采用8V左右的負(fù)偏壓。

3)存在虛假過流：一般大功率IGBT的導(dǎo)通時間ton在1us左右。實際上，IGBT導(dǎo)通時尾部電壓下降是較慢的，實驗說明，當(dāng)工作電壓較高時，Uce下降至飽合導(dǎo)通壓降約需4～5s，而過流檢測的延遲時間約為2.7s。因此，在IGBT開通過程中，假設(shè)過流保護動作閾值太高，會出現(xiàn)虛假過流為了識別真假過流，5腳的過流故障輸出信號應(yīng)延時5us，以便外部保護電路對真正的過流進行保護，在EXB841完成內(nèi)部軟關(guān)斷后再封鎖外加PWM信號。

4)過流保護無自鎖功能：在出現(xiàn)過流時，EXB841將正常的驅(qū)動信號變成一系列降幅脈沖實現(xiàn)IGBT的軟關(guān)斷，并在5腳輸出故障指示信號，但不能封鎖輸入的PWM控制信號.因5腳輸出信號無鎖存功能，須在發(fā)生真正的過流時，用觸發(fā)器鎖定故障輸出信號，用外部電路實現(xiàn)對系統(tǒng)的保護和停機。

5)軟關(guān)斷不可靠：檢測到過流后，EXB841有較長的軟關(guān)斷時間，導(dǎo)致保護動作慢，保護效果變差。具體的用EXB841組成的斬波驅(qū)動電路如下列圖3.6所示：圖3.6斬波驅(qū)動電路4串聯(lián)諧振型逆變電路的設(shè)計4.1串聯(lián)型逆變電路原理分析感應(yīng)加熱電源的負(fù)載是由感應(yīng)線圈和被加熱的金屬工件組成的。從原理上講，感應(yīng)圈相當(dāng)于初級，金屬工件相當(dāng)于次級，次級只有一匝，且內(nèi)部組成了一個環(huán)路，初級和次級間有空氣隔離，所以可以認(rèn)為感應(yīng)圈和工件是一個空心變壓器，簡化為下列圖4.1所示：圖4.1感應(yīng)圈與工件等效電路其中令,和,分別為初級，次級的電阻和電感，M為初級和次級繞組的互感系數(shù)。根據(jù)基爾霍夫定律有：(4-1)(4-2)由式〔4-2〕可得(4-3)將〔4-3〕代入〔4-1〕中可得,(4-4)令上式中,(4-5)故式〔4-4〕可以寫為(4-6)功率因數(shù)為(4-7)從〔4-6〕中可以看出，感應(yīng)圈和工件組成的負(fù)載可以等效為一個電阻和電感。由于不同的被加熱工件,及感應(yīng)圈與工件間的互感系數(shù)M不同，以及工件溫度等參數(shù)的影響，這個等效負(fù)載隨時會改變。如果將高頻交流電源直接接在感應(yīng)圈上，由式〔4-7〕可知，感應(yīng)圈和工件組成的負(fù)載功率因數(shù)低，無功功率較大，會浪費大量的電能，需要采用電容補償無功。電容的接法有兩種：一是和感應(yīng)圈串聯(lián)，即串聯(lián)諧振，二是和感應(yīng)圈并聯(lián)，即并聯(lián)諧振負(fù)載。本次設(shè)計采用的是串聯(lián)諧振負(fù)載。在正弦鼓勵下的RCL電路，其兩端的電壓和通過的電流一般是不同向的。當(dāng)φ>0時，電路為電感性；當(dāng)φ<0時，電路為電容性。但在一定條件下，如果電路參數(shù)或電源選擇的適合，將使X＝0或B=0，從而使電路兩端的電壓、電流同相，那么φ=0,電路表現(xiàn)為純電阻。這種特殊現(xiàn)象稱為諧振。處于諧振狀態(tài)的電路稱諧振電路。串聯(lián)諧振逆變器又稱為電壓諧振型逆變器，其結(jié)構(gòu)如下列圖4.2所示：圖4.2串聯(lián)諧振逆變器電路為了防止逆變器上下橋臂間的直通，換流必須遵循先關(guān)斷后開通的原那么，在關(guān)斷與開通間必須留有足夠的死區(qū)時間，所以串聯(lián)諧振型逆變器的輸出波形為近似方波〔4-8〕用傅立葉級數(shù)展開，輸出電壓可近似表示為〔4-9〕當(dāng)電路工作于諧振頻率附近時，串聯(lián)負(fù)載振蕩電路對于基波具有最小阻抗，所以負(fù)載電流接近于正弦波，高次諧波那么通過前級濾波電容和串聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)可以濾掉。當(dāng)逆變器輸出頻率小于諧振頻率時，負(fù)載電路呈容性，通過負(fù)載的電流超前于電壓，當(dāng)逆變器輸出頻率大于諧振頻率時，負(fù)載電路呈感性，通過負(fù)載的電流滯后于電壓，下列圖4.1.3分別給出了容性負(fù)載和感性負(fù)載的輸出波形：〔a〕容性負(fù)載〔b〕感性負(fù)載圖4.3負(fù)載輸出波形當(dāng)串聯(lián)諧振型逆變器在低端失諧狀態(tài)時〔容性負(fù)載〕，它的工作波形如上圖4.3〔a〕所示，在管導(dǎo)通，管截止時，加在負(fù)載上的電壓仍為正電壓時，輸出電流先過零，上，下橋臂間的換流那么從上〔下〕橋臂的二極管換至下〔上〕橋臂的MOS管。由于MOS管外接的并聯(lián)二極管具有較慢的反向恢復(fù)特性，使得在換流時會產(chǎn)生較大的開關(guān)損耗，而且在二極管反向恢復(fù)電流迅速下降至零時，會與MOS管中串聯(lián)的寄生電感產(chǎn)生很大的感應(yīng)電動勢，而使MOS管受到很高電壓尖峰的沖擊。當(dāng)串聯(lián)諧振型逆變器在高端失諧狀態(tài)時〔感性負(fù)載〕，它的工作波形如上圖4.3〔b〕所示。由上圖4.3可見，工作于感性負(fù)載狀態(tài)時，輸出電流的相位滯后電壓相位，其換流過程是這樣進行的，當(dāng)上〔下〕橋臂的MOS管關(guān)斷后，負(fù)載電流換至下〔上〕橋臂的反并聯(lián)二極管中，在滯后一個死區(qū)時間后，下〔上〕橋臂的MOS管加上開通脈沖等待電流自然過零后從二極管換至同橋臂的MOS管。由于MOS管中的電流是從零開始上升的，因而根本實現(xiàn)了零電流開通，其開通損耗很小。另外MOS管關(guān)斷時電流尚未過零，此時仍存在一定的關(guān)斷損耗，但是由于MOS管的關(guān)斷時間很短，預(yù)留的死區(qū)時間很長，并且因死區(qū)而必需的功率因數(shù)角并不大，所以適當(dāng)?shù)乜刂颇孀兤鞯墓ぷ黝l率，使之稍微高于負(fù)載電路的諧振頻率，就可以使上〔下〕橋臂的MOS管向下〔上〕橋臂的反并聯(lián)二極管換流，其瞬間電流也是很小的，即MOS管關(guān)斷和反并聯(lián)二極管開通是在小電流下發(fā)生的，這樣也限制了器件的關(guān)斷損耗。從上述分析可知，串聯(lián)逆變器工作在適當(dāng)?shù)墓ぷ鞣绞较?，即工作頻率等于或稍微高于固有諧振頻率時，開關(guān)損耗很小，同時也降低了反向并聯(lián)二極管反向恢復(fù)時間的嚴(yán)格要求。4.2逆變電路器件選型及參數(shù)計算本次設(shè)計決定采用開關(guān)器件MOSFET，由前面可知，加在逆變器電路兩端的電壓最大值為，經(jīng)逆變器變換后，給串聯(lián)電路的輸入電壓為一個近似方波，將方波展開可以表示為下式4.2.1?；ǚ至侩妷河行е禐?4-10)當(dāng)諧振時，其余高次諧波的阻抗較大，它們的輸出功率可以忽略不計，整個逆變器的輸出功率可以認(rèn)為是基波分量的功率，同時前面分析過串聯(lián)諧振型感應(yīng)加熱電源應(yīng)工作在諧振或準(zhǔn)諧振小感性狀態(tài)下，故有〔4-11〕加在串聯(lián)負(fù)載上的有效值為(4-12)式中，，等為各次諧波的有效值。從而(4-13)令，，,得根據(jù)上面的計算，決定選用IRFP460功率場效應(yīng)管。它的參數(shù)如下所示：漏極—源極擊穿電壓,連續(xù)的漏極電流，靜態(tài)漏極—源極導(dǎo)通電阻，峰值二極管恢復(fù)時間，柵極門限電壓,總柵電荷，柵極—源極電荷，柵—漏電荷，導(dǎo)通延遲時間，上升時間，截止延遲時間，下降時間，輸入電容，連續(xù)源極電流，反向恢復(fù)時間，反向恢復(fù)電荷。根據(jù)上面的計算可知，必須選用4個IRFP460并聯(lián)使用作為一個橋臂，才能滿足功率輸出的要求。為了問題描述的方便、簡潔，下面但凡涉及逆變器的功率開關(guān)器件的圖和文字描述，都以單個功率MOSFET來代替或說明。4.3逆變器的驅(qū)動電路及緩沖電路設(shè)計功率MOSFET的柵極輸入端相當(dāng)于一個容性網(wǎng)絡(luò)，它的工作速度與驅(qū)動源內(nèi)阻抗有關(guān)。理想的柵極驅(qū)動電路的等效電路如下圖，由于Ciss的存在，靜態(tài)時柵極驅(qū)動電流幾乎為零，但在開通和關(guān)斷動態(tài)過程中，仍需要一定的驅(qū)動電流。MOSFET對驅(qū)動電路通常要求:觸發(fā)脈沖具有足夠快的上升和下降速度;②開通時以低電阻為柵極電容充電，關(guān)斷時為柵極提供低電阻放電回路，以提高功率MOSFET的開關(guān)速度;③為了使功率MOSFET可靠觸發(fā)導(dǎo)通，觸發(fā)脈沖電壓應(yīng)高于管子的開啟電壓，為了防止誤導(dǎo)通，在其截止時應(yīng)提供足夠負(fù)的反向柵源電壓;④功率開關(guān)管開關(guān)時所需驅(qū)動電流為柵極電容的充放電電流，功率管極間電容越大，所需電流越大，即帶負(fù)載能力越大。MOSFET的驅(qū)動電路有許多種，下面比擬幾種常用的驅(qū)動電路。直接驅(qū)動電路

比擬簡單可靠的驅(qū)動方式是按下列圖4.4所示的集電極開路的TTL與功率MOSFET連接驅(qū)動圖。這種方式可以產(chǎn)生足夠高的柵壓使器件充分導(dǎo)通，并保證較高的關(guān)斷速度。由于外接負(fù)載電阻RL須有一定大小，以限制TTL的低電平輸出晶體管的功率耗散，因而這種驅(qū)動方式的開通速度不夠高。圖4.4用TTL驅(qū)動功率場效應(yīng)管的電路圖隔離驅(qū)動電路

通常隔離驅(qū)動電路按隔離方式根本上可分為光耦隔離驅(qū)動電路和脈沖變壓器隔離驅(qū)動電路兩類。由于光耦本身特性的限制，其工作頻率最高只有40kHz左右，在高頻場合的應(yīng)用受到限制。隔離驅(qū)動電路的缺點是需要增加輔助電源，有的還要正負(fù)極性的電源，這就使得電路復(fù)雜，本錢增加。圖4.5變壓器驅(qū)動電路〔一〕圖4.5所示的驅(qū)動電路，雖然電路簡單，不需輔助電源，但是由于變壓器的工作特點，驅(qū)動信號占空比很大時會導(dǎo)致加在MOSFET柵極的負(fù)向脈沖幅值很大，容易損壞管子。而占空比很小時柵極的負(fù)向電壓很低，而且只能維持很短的時間，不能保證可靠關(guān)斷。柵射之間并聯(lián)的穩(wěn)壓管能限制電壓，但是將會對信號的邊沿產(chǎn)生影響。圖4.6變壓器驅(qū)動電路〔二〕圖4.6所示電路雖然能夠提供可靠的關(guān)斷負(fù)壓，但是仍然存在驅(qū)動信號邊沿不陡的問題，限制了驅(qū)動頻率。由于上面幾種驅(qū)動電路都不能滿足要求，本次設(shè)計決定采用美國國際整流器〔IR〕公司生產(chǎn)的IR2110驅(qū)動電路。IR2110芯片的管腳圖如下列圖4.7所示：圖4.7IR2110管腳圖在IR2110芯片管腳圖里面，其中HIN，LIN為上下兩個通道的輸入信號，SD為保護信號的輸入端，高電平時將封鎖HIN,LIN的輸入，和為輸入級電源端，,和為驅(qū)動上通道〔即逆變器的上橋臂或高端，下同〕，，和COM為驅(qū)動下通道〔即下橋臂或低端，下同〕。該芯片它的主要構(gòu)成有三個獨立的施密特觸發(fā)器，兩個RS觸發(fā)器，兩個電平轉(zhuǎn)換器，一個脈沖放大環(huán)節(jié)，一個脈沖濾波環(huán)節(jié)，一個高壓電平轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)及兩個或非門，6個MOS場效應(yīng)晶體管，一個具有反相輸出的與非門，一個反相器和一個邏輯網(wǎng)絡(luò)。IR2110的主要特點是：本身功耗極低。能對輸入的兩個通道信號之間產(chǎn)生適宜的死區(qū)時間，防止逆變器上下橋臂同時導(dǎo)通而發(fā)生直流電源直通短路的危險。采用了CMOS技術(shù)，使它具有典型的開通延時時間為120ns，關(guān)斷延時時間為94ns，因而決定了IR2110可以實現(xiàn)工作在高達(dá)1MHZ的柵極驅(qū)動頻率。具有最大為2A的驅(qū)動電流。輸入級能與CMOS或TTL電平兼容，電路具有欠電壓保護等功能。本次設(shè)計采用的具體的驅(qū)動電路如下列圖4.3.5所示，電路中使用一個電源，接線時的HIN,LIN分別和的LIN,HIN接在一起，驅(qū)動信號來自逆變器控制電路。充電二極管,要選用快恢復(fù)二極管，其耐壓能力必須大于高壓母線的峰值電壓，基于上面的要求，選擇了ERA32—10,根本參數(shù)如下：反向重復(fù)峰值電壓，正向平均電流，涌浪電流,正向壓降,反向電流,反向恢復(fù)時間。自舉電容、的耐壓值不得低于欠電壓封鎖臨界值，容量主要由下式〔4-14〕決定：(4-14)式中，為逆變器上橋臂通道的靜態(tài)電流，為逆變器上橋臂通道功率器件的每周期導(dǎo)通時間，為邏輯局部的電源電壓。對于工作在100KHZ的逆變器，根據(jù)式〔4-14〕可取，為即可滿足要求。由于柵極驅(qū)動電阻的大小與負(fù)向過沖電壓，關(guān)斷時間有關(guān)系，當(dāng)電阻小時過壓較大，但關(guān)斷時間延遲，增加了功率開關(guān)器件的功耗。本次設(shè)計選擇了的金屬膜電阻。具體的驅(qū)動電路圖如下列圖所示：圖4.8IR2110組成的驅(qū)動電路緩沖電路的設(shè)計：與前面斬波調(diào)功電路的緩沖電路一樣，考慮到布線工藝等帶來的電感，決定采用在功率器件上并聯(lián)金屬化無感電容，電容參數(shù)為：,耐壓為1200V。4.4串聯(lián)諧振逆變器控制電路設(shè)計根據(jù)前面所述感應(yīng)加熱負(fù)載特性，加熱工藝要求可知，不管何種電源必須采用跟蹤的方式進行逆變器的控制。鎖相環(huán)的原理：鎖相環(huán)是一個相位反應(yīng)控制系統(tǒng)，其特點是實現(xiàn)對輸入信號頻率和相位的自動跟蹤。鎖相環(huán)電路主要由三個局部組成：鑒相器〔又稱相位比擬器，PD〕、環(huán)路濾波器〔LPF〕和壓控振蕩器〔VCO〕。鑒相器是將兩個信號之間的相位進行比擬，通?？梢圆捎媚M乘法器或異或們來完成，環(huán)路濾波器是低通濾波器，它的時間常數(shù)決定了跟隨輸入信號的速度，同時也限制了鎖相環(huán)的捕捉范圍，VCO是一個輸出頻率與輸入電壓呈正比的信號發(fā)生器，從環(huán)路濾波器中輸出的低頻信號電壓去控制壓控振蕩器的頻率變化，使輸入與輸出信號頻率之差不斷減少直到這個差值為零時鎖定，實現(xiàn)頻率跟蹤。本設(shè)計采用鎖相環(huán)集成電路CD4046來完成頻率跟蹤和控制。CD4046的管腳圖如下列圖4.9所示：圖4.9CD4046的管腳圖它是一中低頻多功能單片數(shù)字集成鎖相環(huán)集成電路，最高工作頻率為1MHZ，電源電壓為，當(dāng)輸出頻率為10KHZ時，功耗僅為。CD4046包含了兩個相位比擬器〔鑒相器〕，一個壓控振蕩器及兩個附加局部，即輸入信號源極跟隨器和穩(wěn)壓管，比擬器有兩個共同輸入信號端〔3腳和14腳〕，“信號輸入”既可以與大信號直接匹配，又以間接地通過串聯(lián)電容接入小信號。自偏置電路可在放大器的線性區(qū)域調(diào)整小電壓信號。相位比擬器1是異或門，產(chǎn)生一個數(shù)字信號〔2腳〕，并在“信號輸入”與“相位比擬器輸入”信號之間的中心頻率處維持相移〔要求輸入信號占空比為50%〕。相位比擬器2由邏輯門控制的4個邊沿觸發(fā)器和三態(tài)輸出電路組成，產(chǎn)生數(shù)字誤差信號〔13腳〕和相位脈沖輸出〔1腳〕，并在“信號輸入”與“相位比擬器輸入”信號之間保持嚴(yán)格同步，產(chǎn)生很小相移〔與占空比無關(guān)〕。所以本設(shè)計采用相位比擬器2。線性VCO〔4腳〕產(chǎn)生一個輸出信號，其頻率與VCO輸入的電壓及連接到引出端的電容C值及和的阻值有關(guān)。并且輸出頻率范圍滿足以下公式：(4-15)〔4-16〕具體的鎖相環(huán)逆變器控制電路如下列圖4.10所示：圖4.10鎖相環(huán)逆變器控制電路該電路的工作原理是：從霍爾電流傳感器來的信號分成兩路，一路到功率測量顯示電路，另一路去，組成的相位校正電路，然后輸出經(jīng)LM393變成方波信號，由CD4046的14腳進入第二個相位檢測器。第二個相位檢測器另一路比擬信號來自壓控振蕩器〔VCO〕的輸出信號由4腳輸出，經(jīng)過二分頻，再經(jīng)過整形后得到的矩形脈沖信號，此信號加到的3腳，在第二個相位檢測器中進行相位比擬，形成誤差信號,這個誤差信號是與加至負(fù)載上的電壓與流過負(fù)載的電流的相位差有關(guān)。假設(shè)負(fù)載回路固有的諧振頻率與輸入信號的頻率偏離越大，那么這個誤差信號就越大，這個誤差信號經(jīng)過環(huán)行濾波器〔LPF〕，濾除高頻成分，得到一個控制電壓加至VCO上，使VCO的頻率經(jīng)過二分頻后朝著負(fù)載固有頻率的方向變化。最后到達(dá)VCO的頻率鎖定，在頻率鎖定之后，再到達(dá)相位鎖定。當(dāng)跟蹤鎖定以后，負(fù)載形成串聯(lián)諧振，使負(fù)載得到的功率最大。由VCO輸出的信號經(jīng)過二分頻，整形且倒相形成兩路信號分別去控制逆變器的驅(qū)動電路。5保護電路的設(shè)計保護電路主要是對電路起保護作用，當(dāng)電路工作產(chǎn)生異常時，能及時切斷電源，防止電路中電器元件的損壞。當(dāng)然保護電路在感應(yīng)加熱電路中也是很重要的，一個非常好的產(chǎn)品應(yīng)該有完善的保護電路。本次設(shè)計制作了以下保護電路：過壓保護電路、橋臂過流保護電路、缺冷卻水保護和瞬態(tài)過壓保護。5.1過壓保護過壓保護主要指當(dāng)輸入的電壓超過預(yù)定的值，讓斬波電路不工作，以防止逆變器等后續(xù)電路受到破壞。具體的電路圖如下列圖5.1所示：圖5.1過壓保護電路過壓保護電路的設(shè)計原理是：電路的接整流電路的輸出端，通過,和的采樣后，與基準(zhǔn)穩(wěn)壓源LM336—5.0的5V基準(zhǔn)電壓在LM339進行比擬，當(dāng)電網(wǎng)電壓超過某一值時，運放的輸出端為高電平，驅(qū)動光電耦合器的二極管，從而使施密特反相器的輸出為高電平，啟動SG3525A的10腳，封鎖斬波驅(qū)動信號。要注意的是圖中以光耦為界左右的直流電源要單獨供電。本次設(shè)計保護動作電網(wǎng)電壓為240V。和用于濾去干擾信號。LED1為過壓狀態(tài)顯示。5.2橋臂過流保護橋臂過流保護電路主要完成逆變器上功率開關(guān)器件過流保護，特別是當(dāng)上下橋臂出現(xiàn)直通，有較大環(huán)流時，及時切斷電源的供應(yīng)，封鎖斬波器驅(qū)動脈沖，到達(dá)保護后續(xù)電路的要求。本設(shè)計采用兩個霍爾電流傳感器分別裝在下橋臂的4個P—MOSFET的源極連接線上，采用比擬電路就可以完成任務(wù)。5.3缺冷卻水保護冷卻水是感應(yīng)加熱電源必須的，它主要是冷卻功率開關(guān)器件，高頻隔離變壓器，整流橋，斬波器功率器件，感應(yīng)圈等。為防止過高的溫度，利于設(shè)備長期穩(wěn)定運行，必須制作缺冷卻水保護。本次設(shè)計制作一個帶傳感器的缺水檢測與保護電路來完成。具體的缺冷卻水保護電路如下列圖5.2所示：圖5.2缺水檢測與保護電路缺水檢測與保護電路的原理是：圖中將兩個金屬探針插入垂直的軟管中，當(dāng)無水時探針間電阻大，比擬器輸出為高電平，LED2顯示缺水，同時啟動SG3525A的10腳，封鎖斬波輸出脈沖。安裝時探針間距離要適宜，防止水珠黏貼連在探針間造成有水假象。5.4瞬態(tài)過壓保護瞬態(tài)過壓保護可以防止雷擊等突發(fā)性供電問題。一般可以采用氣體放電管，碳化硅避雷器，氧化鋅壓敏電阻器〔MOV〕瞬態(tài)抑制器〔TVS〕和雙向瞬態(tài)過壓保護器〔SIDACtor〕等，它們最重要的參數(shù)為響應(yīng)速度。產(chǎn)品設(shè)計時考慮價格因素本次設(shè)計決定選用MOV，安裝在保險管和整流橋間。6測量與顯示電路在設(shè)計過程中為了驗證電路實際工作是否和理想的工作狀態(tài)一樣，需要對電路工作的電流，電壓進行檢測。在測量交變電流的大電流時,為便于二次儀表測量需要轉(zhuǎn)換為比擬統(tǒng)一的電流〔我國規(guī)定電流互感器的二次額定為5A或1A〕，另外線路上的電壓都比擬高如直接測量是非常危險的。電流互感器就起到變流和電氣隔離作用。它是電力系統(tǒng)中測量儀表、繼電保護等二次設(shè)備獲取電氣一次回路電流信息的傳感器，電流互感器將高電流按比例轉(zhuǎn)換成低電流，電流互感器一次側(cè)接在一次系統(tǒng)，二次側(cè)接測量儀表、繼電保護等。下列圖6.1為電流采樣電路：圖6.1電流采樣電路該電路可以測量輸出電流有效值，將模擬量全部轉(zhuǎn)換成數(shù)字量傳給單片機89C51處理。根據(jù)需要顯示的內(nèi)容由單片機控制液晶顯示。電壓檢測電路和電流檢測差不多，采用的是電壓互感器。由于設(shè)計的是感應(yīng)加熱電源，那么電路就應(yīng)該是出于諧振狀態(tài)，而電路是否出于諧振狀態(tài)時，主要是看電路工作的頻率，為了看電路實際工作的頻率是否和理論的諧振頻率相同，我們需要測出電路工作的頻率，并把它顯示在液晶顯示屏上。使用單片機測量頻率或周期，通常是利用單片機的定時計數(shù)器來完成的，測量的根本方法和原理有兩種：測頻法：在限定的時間內(nèi)〔如1秒鐘〕檢測脈沖的個數(shù)。測周法：測試限定的脈沖個數(shù)之間的時間。這兩種方法盡管原理是相同的，但在實際使用時，需要根據(jù)待測頻率的范圍、系統(tǒng)的時鐘周期、計數(shù)器的長度、以及所要求的測量精度等因素進行全面和具體的考慮，尋找和設(shè)計出適合具體要求的測量方法。在具體頻率的測量中，需要考慮和注意的因素有以下幾點?！?〕系統(tǒng)的時鐘。首先測量頻率的系統(tǒng)時鐘本身精度要高，因為不管是限定測量時間還是測量限定脈沖個數(shù)的周期，其根本的時間基準(zhǔn)是系統(tǒng)本身時鐘產(chǎn)生的。其次是系統(tǒng)時鐘的頻率值，因為系統(tǒng)時鐘頻率越高，能夠?qū)崿F(xiàn)頻率測量的精度也越高。因此使用51單片機測量頻率時，要用由外部晶體組成的系統(tǒng)的振蕩電路，不使用其內(nèi)部的RC振蕩源，同時盡量使用頻率比擬高的系統(tǒng)時鐘。所使用定時計數(shù)器的位數(shù)。測量頻率要使用定時計數(shù)器，定時計數(shù)器的位數(shù)越長，可以產(chǎn)生的限定時間越長，或在限定時間里記錄的脈沖個數(shù)越多，因此也提高了頻率測量的精度。所以對頻率測量精度有一定要求時，盡量采用16位的定時計數(shù)器?！?〕被測頻率的范圍。頻率測量需要根據(jù)被測頻率的范圍選擇測量的方式。當(dāng)被測頻率的范圍比擬低時，最好采用測周期的方法測量頻率。而被測頻率比擬高時，使用測頻法比擬適宜。需要注意的是，被測頻率的最高值一般不能超過測頻MCU系統(tǒng)時鐘頻率的1/2，因為當(dāng)被測頻率高于MCU時鐘1/2后，MCU往往不能正確檢測被測脈沖的電平變化了。除了以上因素外，還要考慮頻率測量的頻度〔每秒內(nèi)測量的次數(shù)〕，如何與系統(tǒng)中其它任務(wù)處理之間的協(xié)調(diào)工作等。頻率測量精度要求高時，還應(yīng)該考慮其它中斷以及中斷響應(yīng)時間的影響，甚至需要在軟件中考慮采用屢次測量取平均的算法等。下列圖6.2為具體的頻率測量電路：圖6.2頻率測量電路本次設(shè)計顯示局部產(chǎn)用的是1602液晶，下列圖為1602液晶的管腳圖：圖6.31602液晶管腳圖1602液晶的具體操作方法見下：1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器〔CGROM)已經(jīng)存儲了160個不同的點陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號、和日文假名等，每一個字符都有一個固定的代碼，比方大寫的英文字母“A”的代碼是01000001B〔41H〕，顯示時模塊把地址41H中的點陣字符圖形顯示出來，我們就能看到字母“A”。因為1602識別的是ASCII碼，試驗可以用ASCII碼直接賦值，在單片機編程中還可以用字符型常量或變量賦值，如'A’。以下是1602的具體操作指令：1602通過D0~D7的8位數(shù)據(jù)端傳輸數(shù)據(jù)和指令。顯示模式設(shè)置：(初始化)00110000[0x38]設(shè)置16×2顯示，5×7點陣，8位數(shù)據(jù)接口；顯示開關(guān)及光標(biāo)設(shè)置：(初始化)00001DCBD顯示(1有效)、C光標(biāo)顯示(1有效)、B光標(biāo)閃爍(1有效)000001NSN=1(讀或?qū)懸粋€字符后地址指針加1&光標(biāo)加1)，N=0(讀或?qū)懸粋€字符后地址指針減1&光標(biāo)減1)，S=1且N=1(當(dāng)寫一個字符后，整屏顯示左移)s=0當(dāng)寫一個字符后，整屏顯示不移動數(shù)據(jù)指針設(shè)置：數(shù)據(jù)首地址為80H，所以數(shù)據(jù)地址為80H+地址碼(0-27H，40-67H)其他設(shè)置：01H(顯示清屏，數(shù)據(jù)指針=0，所有顯示=0)；02H(顯示回車，數(shù)據(jù)指針=0)。通常推薦的初始化過程：延時15ms寫指令38H延時5ms寫指令38H延時5ms寫指令38H延時5ms〔以上都不檢測忙信號〕〔以下都要檢測忙信號〕寫指令38H寫指令08H關(guān)閉顯示寫指令01H顯示清屏寫指令06H光標(biāo)移動設(shè)置寫指令0cH顯示開及光標(biāo)設(shè)置本次設(shè)計采用的A/D轉(zhuǎn)換器為ADC0809,ADC0809是8位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器。它由一個8路模擬開關(guān)、一個地址鎖存譯碼器、一個A/D轉(zhuǎn)換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成〔具體管腳圖見下列圖6.4〕。多路開關(guān)可選通8個模擬通道，允許8路模擬量分時輸入，共用A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存A/D轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當(dāng)OE端為高電平時，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。ADC0809的工作原理見下文。圖6.4ADC0809管腳圖IN0－IN7：8條模擬量輸入通道

ADC0809對輸入模擬量要求：信號單極性，電壓范圍是0－5V，假設(shè)信號太小，必須進行放大；輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過程中應(yīng)該保持不變，如假設(shè)模擬量變化太快，那么需在輸入前增加采樣保持電路。地址輸入和控制線：4條ALE為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當(dāng)ALE線為高電平時，地址鎖存與譯碼器將A，B，C三條地址線的地址信號進行鎖存，經(jīng)譯碼后被選中的通道的模擬量進轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。A，B和C為地址輸入線，用于選通IN0－IN7上的一路模擬量輸入。通道選擇表如下表所示。

CBA選擇的通道

000IN0

001IN1

010IN2

011IN3

100IN4

101IN5

110IN6

111IN7

數(shù)字量輸出及控制線：11條

ST為轉(zhuǎn)換啟動信號。當(dāng)ST上跳沿時，所有內(nèi)部存放器清零；下跳沿時，開始進行A/D轉(zhuǎn)換；在轉(zhuǎn)換期間，ST應(yīng)保持低電平。EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。當(dāng)EOC為高電平時，說明轉(zhuǎn)換結(jié)束；否那么，說明正在進行A/D轉(zhuǎn)換。OE為輸出允許信號，用于控制三條輸出鎖存器向單片機輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。OE＝1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)；OE＝0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)。D7－D0為數(shù)字量輸出線。CLK為時鐘輸入信號線。因ADC0809的內(nèi)部沒有時鐘電路，所需時鐘信號必須由外界提供，通常使用頻率為500KHZ，VREF〔＋〕，VREF〔－〕為參考電壓輸入。采樣顯示的工作原理是：開始進行通道的選擇，然后啟動A/D轉(zhuǎn)換，當(dāng)轉(zhuǎn)換完后會產(chǎn)生中斷信號，單片時機進行讀數(shù)據(jù)，然后單片機控制液晶將數(shù)據(jù)顯示在液晶上。具體的單片機控制液晶顯示的電路圖如下列圖6.5所示：圖6.5單片機控制液晶顯示電路圖在上述硬件局部設(shè)計完成后，開始進行軟件設(shè)計，軟件設(shè)計主要包括兩個局部，一個是采樣局部，一個是液晶顯示局部，這個我們可以設(shè)置兩個變量，電壓和電流，即為互感器那里采樣來的電壓和電流，開始進行通道的選擇，通道選好后選地址，然后開始轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后判斷是否結(jié)束，轉(zhuǎn)換結(jié)束后會產(chǎn)生一個中斷，這時單片機就會讀取結(jié)果，然后就可以控制液晶顯示，第一步寫命令，狀態(tài)，數(shù)據(jù)存放器的地址，然后將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)開始寫入液晶顯示器，并且進行延時，寫數(shù)據(jù)進去的時候需要檢測液晶是否正在忙，當(dāng)他忙的時候就不停的檢測，直到空閑為止，然后寫命令函數(shù)，數(shù)據(jù)函數(shù)，確定顯示位置，然后確定顯示的模式。流程圖見下列圖6.6所示：圖6.6單片機采樣顯示流程圖具體的單片機采樣顯示程序見附錄二所示。結(jié)束語我怕這次的畢業(yè)設(shè)計做的是大功率高頻率感應(yīng)加熱電源的設(shè)計，剛拿到這個題目時，感覺無從下手，不知道怎么開始，于是就只有跟著指導(dǎo)老師一步一步的走，開始查閱文獻，進行文獻檢索，在進行外文文獻翻譯的過程中，由于英語不是很好，所以剛開始翻譯的時候不是很準(zhǔn)確，容易出笑話，后面聽從老師的建議，開始學(xué)習(xí)專業(yè)詞匯，翻譯的時候先把整篇文章的意思弄懂然后再進行翻譯感覺容易多了。文獻翻譯完后，知道了自己畢業(yè)設(shè)計具體要涉及的東西，知道了感應(yīng)加熱電源的原理，知道里面要用到交流到直流，直流到直流以及直流到交流的變換這一過程。從交流到直流這一過程叫整流這個原來學(xué)過，但是具體到二極管的選型要用到的參數(shù)計算不是很了解，于是就開始查閱各種電器元器件的選擇的書籍，后來就知道了怎么根據(jù)題目給的參數(shù)去選擇二極管。整流后需要進行直流到直流變換，即對直流電壓可以控制，這里我們學(xué)到的斬波有降壓斬波，升壓斬波以及降壓—升壓斬波等多種直流到直流變換，由于剛整流出來的電壓大概為286V，而加在逆變器上的電壓大概為240V，于是設(shè)計時選擇了降壓斬波，降壓斬波過程中又選擇的是IGBT，所以需要對IGBT管設(shè)計驅(qū)動電路和控制電路，驅(qū)動電路選擇的是EXB841控制芯片，專門驅(qū)動大功率IGBT管，而控制電路我們既可以用單片機控制又可以用專門的控制芯片來控制，由于后面還要用到單片機進行采樣顯示，并且用專門的PWM控制芯片來控制也相對簡單，而專門的PWM控制芯片也有許多，例如SG3525A，TL494等，通過對這兩個芯片的比擬，后來選擇了用SG3525A來進行控制。具體這個芯片怎樣去控制，還不是很清楚，于是就開始去查這個芯片的資料以及它的用法，慢慢就把斬波這一塊電路設(shè)計出來了，斬波后得到了一個相對穩(wěn)定的直流電壓值240V，而進行感應(yīng)加熱的是交流電流，所以電路還需要進行逆變，逆變用的是MOSFET開關(guān)管，MOSFET同IGBT一樣也需要設(shè)計驅(qū)動電路和控制電路，驅(qū)動電路有直接驅(qū)動，變壓器隔離驅(qū)動，專門芯片驅(qū)動等，而直接驅(qū)動和變壓器隔離驅(qū)動與專門芯片驅(qū)動相比具有明顯的缺點，于是決定采用，美國生產(chǎn)的IR2110芯片來驅(qū)動，具體的控制電路主要是控制負(fù)載中的頻率等于諧振頻率或者使電路略呈感性，使電路工作在諧振狀態(tài)，這樣才會輸出最大功率，控制電路采用鎖相環(huán)控制電路，鎖相環(huán)控制電路實際就是一個閉環(huán)控制，使頻率為一固定值，這個鎖相環(huán)控制電路的控制芯片采用CD4046，當(dāng)一個電路設(shè)計好后，需要對其設(shè)計保護電路，不然當(dāng)系統(tǒng)工作出現(xiàn)故障時，如果系統(tǒng)不及時的采取措施的話會燒壞電路中的電器元件，保護電路一般包括過壓、過流保護、瞬時過壓保護，由于這次設(shè)計的是感應(yīng)加熱電源，所以還需要設(shè)計缺冷卻水保護，當(dāng)保護電路設(shè)計好后需要對電路中的具體工作電壓，電流指標(biāo)進行采樣，采樣后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換經(jīng)過單片機控制使其顯示在液晶顯示屏上。以上就是具體的設(shè)計過程。通過這次畢業(yè)設(shè)計使我對大學(xué)四年學(xué)過的專業(yè)課有了個系統(tǒng)的認(rèn)識，原來零零散散的知識也相對聯(lián)系起來了，同時知道在實際應(yīng)用中書本上學(xué)到的東西是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，我們必須學(xué)會查找資料，學(xué)會怎樣運用查到的資料，我覺得這是很重要的，還有在設(shè)計時遇到不懂的地方要學(xué)會請教老師或同學(xué)，只有這樣你才會把不懂的地方弄懂，才會更好的運用?？傊?，對我而言，知識上的收獲重要，精神上的豐收更加可喜。讓我知道了學(xué)無止境的道理。我們每一個人永遠(yuǎn)不能滿足于現(xiàn)有的成就，人生就像在爬山，一座山峰的后面還有更高的山峰在等著你。挫折是一份財富，經(jīng)歷是一份擁有。這次畢業(yè)設(shè)計必將成為我人生旅途上一個非常美好的回憶！當(dāng)然這次畢業(yè)設(shè)計還有許多可以改良的地方，

我們在設(shè)計的過程中可以多去電子市場，通過比擬也許可以采用性價比更高的芯片或者電路，有條件的話可以做實物，這樣設(shè)計出來的東西可以說是真的把理論用于實踐，具有很大的信服力。致謝經(jīng)過一個學(xué)期的查閱資料和動手設(shè)計，畢業(yè)設(shè)計差不多設(shè)計完了，在這里首先要感謝我的指導(dǎo)老師楊胤鐸老師，楊老師知識淵博，經(jīng)驗豐富，對我做的畢業(yè)設(shè)計給予了極大的幫助，總是在我不懂的地方給我建議和講解，讓我克服了許多知識上和經(jīng)驗上的缺乏。還有在設(shè)計過程中也得到了許多其他老師和同學(xué)的幫助，他們給我指出了許多錯誤，讓我在設(shè)計過程中少走許多歪路，同時還要感謝那些被我引用為文獻的作者，對我的畢業(yè)設(shè)計許多參考的價值。最后，再次衷心的謝謝我的指導(dǎo)老師楊胤鐸老師！參考文獻[1]王水平.開關(guān)穩(wěn)壓電源—原理、設(shè)計與實用電路[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1999.

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