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倍频感应加热电源
阅读:4916时间:2011-01-04 15:47:55

  倍频感应加热电源在感应加热电源的应用中,淬火、焊管、焊接等工艺都要求高频率大功率的电源。功率MOSFET虽然可以实现高频工作,但其电压、电流容量等级低。

  大功率电源需采用串、并联技术,影响了电源运行的可靠性。绝缘栅双极晶体管(IGBT)比较容易实现电源大功率化,但在高频情况下,其开关损耗,尤其是IGBT关断时存在的尾部电流.会限制其工作频率的进一步提高。

  倍频式高频电源采用大功率自关断功率器件IGBT。通过在逆变桥的每个IGBT上分别再并联一个IGBT来实现,每组并联的IGBT轮流工作,使得负载频率为开关管工作频率的2倍,间接拓宽了IGBT的使用频率。开关管工作于零电流开关状态,消除了尾部电流引起的关断损耗。理论上可实现零开关损耗。基于以上原因.在此选用倍频方案设计电源,可以使电源的整体输出功率大幅提高。

概述

  随着数字信号处理器(DSP)与可编程逻辑器件(CPLD)的发展与普及。电源的控制已经由模拟控制、A/D混合控制,进入到全数字控制阶段。传统的感应加热电源控制电路大多采取模拟控制的方式。

  因此难免存在触点多、焊点多、可靠性低的缺点,对一些元件的工艺性要求高,灵活性较差。数字系统在这些方面就显得很先进:首先是灵活,即修改参数很方便;其次是在保证程序可靠的前提下,运行比模拟系统可靠得多;。使用起来比较简洁、灵巧,无需太多的元器件。因此。采取集成度高、集成功能强大的数字控制器设计电源的控制系统.以适应不断提高的电源输出可编程控制。控制精度高等要求。

基于CPLD的软件设计

  控制系统工作过程如下:由电流检测电路检测负载槽路电流,经整流滤波后波形变换成方波信号,由谐振判别环节判断是否处于谐振状态。若是,则启动数字锁相环(DPLL)。采用全新的控制与方案实现DPLL,即鉴相器采用双D触发器鉴相器,其输出值代表相位误差;环路滤波器采用数字比例积分的方法实现;用数字控制振荡器(DCO)代替压控振荡器。DPLL的输出信号跟踪负载谐振频率.在PWM控制模块直接生成两组互补的PWM脉冲信号,作为逆变桥后桥臂VTk和VT出(茗=1,2)的基本触发脉冲。同时,为了防止同一个桥臂的上下管直通,避免电压短路损坏开关器件.通常采用在两个开关管间设置死区的方法来解决.即等一个桥臂的开关管关断后方可开通另一桥臂的开关管。遵循先关断后开通的原则。

  图3a为同一桥臂上下功管带死区的驱动脉冲。p是锁相环锁相锁频的负载谐振电流信号,clk是25MHz的晶振频率。图3b为VL和Vk这两组开关管的驱动脉冲。由图可知后桥臂的驱动信号PWM。完全跟踪负载电流方波脉冲的上升沿,这样就实现对系统频率的跟踪控制。采取时间分割控制的目的在于提高系统的工作频率.CPLD中的脉冲分配模块实现对驱动脉冲的分时功能.图3c为驱动脉冲PWM。的分时功能仿真波形。由图可知,每个IGBT上的驱动频率为系统频率的1/2.即可利用两个IGBT的分时轮流工作提高了系统的工作频率。

图例

实验参数

  倍频感应加热电源主要设计参数:输入电源为380V/50Hz三相交流电源。额定输出功率100 kW,逆变工作频率卢150kHz,匹配变压器变比为10:1。

  根据功率要求。按整流输出电压为500V计算,则输出电流为200 A。考虑到安全裕量,选取整流二极管模块DF200AAl20-160。折算到次级的负载电阻为0.25Q,取品质因数Q=IO,则由Q=wL/R,to=2"rrf,f=150kHz,可得次级电感L-2.65阻H,电容C=0.425 pF。

  逆变器开关器件选择为Ivr=300.,-400 A,仉D:1 075 V。

  逆变器选1.2 kV/400 A的FF400R12KS4型IGBT模块作为功率开关器件。IGBT驱动电路选取专用驱动功率IGBT/MOSFET的集成芯片IXDD430,可在较高的频率下工作.提供高达30A的峰值输出电流。

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