大功率MOSFET感应加热电源的数字化研究

论文摘要

本文以感应加热电源为研究对象,阐述了感应加热电源的基本原理及其发展趋势。对感应加热电源常用的谐振回路和拓扑结构进行了分析,选择了更适合高频感应加热电源的串联谐振型逆变器;分析了各种功率调节的方式,选择了有利于提高逆变频率和功率的直流侧斩波调功的调功方式;分析了MOSFET的特性,选择了对逆变电路一致性要求相对较低的变压器功率合成方式。感应加热电源运行时需要对谐振频率进行跟踪,传统的频率跟踪电路大都采用基于CD4046的模拟锁相环,但传统模拟锁相环存在着频率跟踪范围较窄、动态响应较慢、可靠性差、死区时间需要用辅助电路实现等一些缺点。本文对锁相环原理进行了分析,根据其数学模型,针对传统锁相环的缺点提出了一种基于数字信号处理器(DSP)的数字锁相环(DPLL)的实现方法。文中对这种数字锁相环(DPLL)的算法及软硬件设计进行了详细的阐述。本文同时设计了感应加热电源的功率闭环控制系统,将功率控制问题转化为Buck斩波器的电压控制问题。根据感应加热电源功率控制的特点,设计了带电流截止环节的功率闭环控制系统,并详细阐述了其基于DSP的软硬件实现方法。由于MOSFET的电流等级较小,大功率的感应电源需要通过功率合成扩容,给出了变压器合成的功率合成方法。设计了一台60kW的大功率MOSFET高频感应加热电源实验样机,其中斩波器频率为10kHz,逆变器工作频率为300kHz,控制核心采用TI公司的TMS320LF2407A DSP控制芯片,对感应加热电源进行数字化设计,提高了系统性能。最后,本文还给出了MATALAB仿真、软硬件设计方案和实验结果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 感应加热电源的基本原理和用途
• 1.1.1 电磁感应与感应加热
• 1.1.2 感应加热的三种效应
• 1.2 感应加热的特点和发展
• 1.2.1 感应加热的特点
• 1.2.2 感应加热的发展现状
• 1.2.3 感应加热的发展趋势
• 1.3 本文研究的内容及任务
• 第二章 感应加热电源结构方案确定
• 2.1 感应加热电源的拓扑结构
• 2.2 逆变器结构分析和选择
• 2.2.1 串联谐振逆变器
• 2.2.2 并联谐振逆变器
• 2.2.3 逆变电路拓扑结构的选择
• 2.3 感应加热电源调功方式分析
• 2.3.1 整流单元功率调节
• 2.3.2 逆变单元功率调节
• 2.3.3 直流单元功率调节
• 2.3.4 功率调节方式确定
• 2.4 逆变开关元件选择
• 2.5 功率合成方式确定
• 2.6 本章小结
• 第三章 感应加热电源功率控制数字化设计
• 3.1 感应加热电源的主电路原理分析
• 3.2 基于 Buck 变换器功率控制系统
• 3.2.1 Buck 斩波功率调节原理
• 3.2.2 带电流截止负反馈的Buck 变换器闭环控制设计
• 3.3 数字功率闭环控制系统的实现
• 3.3.1 增量型数字PID 控制器
• 3.3.2 PI 控制器软件设计
• 3.4 本章小结
• 第四章 频率跟踪的分析和设计
• 4.1 感应加热电源的锁相环
• 4.1.1 频率跟踪的原理与数学模型
• 4.1.2 线性化相位模型
• 4.1.3 传统锁相环的实现
• 4.2 基于DSP 的数字锁相环的设计
• 4.2.1 TMS320X240x 的结构与特点
• 4.2.2 基于DSP 的软件锁相环算法分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 感应加热电源的软硬件设计
• 5.1 系统结构
• 5.2 控制电路设计
• 5.2.1 DSP 相关电路设计
• 5.2.2 信号检测电路
• 5.2.3 过电压过电流过热保护电路
• 5.3 主电路参数选择与设计
• 5.3.1 整流电路参数计算
• 5.3.2 斩波电路参数计算
• 5.3.3 逆变电路参数计算
• 5.3.4 缓冲电路的设计与计算
• 5.4 逆变器MOSFET 驱动电路设计
• 5.4.1 功率MOSFET 开关过程分析
• 5.4.2 工作在高频下MOSFET 对驱动电路的要求
• 5.4.3 驱动电路的选择和设计
• 5.4.4 系统供电电源的设计
• 5.5 斩波IGBT 驱动电路设计
• 5.6 功率合成变压器设计
• 5.7 感应加热电源的软件设计
• 5.7.1 软件设计思想
• 5.7.2 系统程序设计
• 5.8 本章小结
• 第六章 仿真和实验结果及展望
• 6.1 仿真结果
• 6.2 实验结果
• 6.3 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录