基于DSP的400kHz的大功率高频感应加热电源研究

论文摘要

本文以感应加热电源为研究对象,简单介绍了感应加热电源技术的基本原理、分类以及发展趋势。对感应加热电源逆变侧常用的两种拓扑结构进行了分析,对电流型逆变器和电压型逆变器作了比较分析,并根据本设计要求进行了选择,又分析了感应加热电源的各种调功方式。例举了整流侧调功和逆变侧调功的几种常用方法,在对比分析几种功率调节方式的基础上,提出了整流侧斩波调功的方法。鉴于硬开关方式带来的损耗,设计了软开关buck斩波电路,并提出了基于DSP的数字PI调节方法。同时设计了电流闭环控制系统,将感应加热电源的功率控制问题转化为Buck斩波器的电流控制问题。另外,按照感应加热电源大功率化的要求,斩波环节设计了多重化的结构,也使得斩波输出电流更平稳,谐波分量更小。最后,还分析了感应加热电源逆变器工作原理,针对感应加热逆变器必须工作在谐振状态下,且频率高达400kHz的特点,设计了专门的高速驱动电路,并分析了锁相环的基本原理,利用集成锁相环器件CD4046设计了逆变器频率跟踪系统,使逆变器始终保持在功率因数近似为1的状态下工作,实现电源的高效运行。本文第五章设计了一台20KW的软开关斩波调功的感应加热电源实验样机,其中斩波器频率为50kHz,逆变器工作频率为400kHz,控制核心采用TI公司的TMS320F2812DSP控制芯片,简化了系统结构。实验结果表明,软开关斩波可以明显减小开关损耗,多重化斩波可以有效减小斩波输出电流谐波分量。文章给出了整机的结构设计,直流斩波部分控制框图,逆变控制框图,驱动电路的设计和保护电路的设计。同时给出了关键电路的仿真和实验波形。论文最后,对本课题所做的工作做了一个简单的总结。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 概述
• 1.1 感应加热电源的基本知识
• 1.2 高频感应加热技术的现状与发展趋势
• 1.2.1 国外高频感应加热电源现状
• 1.2.2 国内高频感应加热电源现状
• 1.2.3 高频感应加热电源技术的发展趋势
• 1.3 感应加热电源原理、分类及分析
• 1.3.1 感应加热电源原理及结构
• 1.3.2 串联谐振逆变器
• 1.3.3 并联谐振逆变器
• 1.3.4 感应加热电源拓扑结构的选择
• 1.4 选题的意义及本课题的研究内容
• 1.4.1 选题的意义
• 1.4.2 本课题的研究内容
• 第二章 基于DSP 的高频感应加热电源系统设计
• 2.1 主电路设计
• 2.2 调功方式的研究
• 2.2.1 整流侧调功方法
• 2.2.2 逆变侧调功方法
• 2.3 整流部分设计
• 2.3.1 整流桥参数计算
• 2.3.2 软斩波电路拓扑结构及分析
• 2.3.3 软开关buck 变换器特性分析
• 2.3.4 斩波器参数的计算
• 2.4 逆变部分设计
• 2.5 MOSFET 高速驱动电路设计
• 2.5.1 驱动电路自行设计与采用集成驱动器
• 2.5.2 功率MOSFET 对驱动电路的要求
• 2.5.3 高速MOSFET 驱动电路方案比较
• 2.5.4 驱动和保护电路
• 2.6 小结
• 第三章 基于DSP 的高频感应加热电源系统控制和硬件设计
• 3.1 软斩波电路的控制方法
• 3.1.1 降压斩波器的闭环控制
• 3.1.2 软斩波器的数字PI 控制
• 3.1.3 PI 控制算法实现
• 3.2 多重化的斩波电路
• 3.3 基于CD4046 的频率跟踪系统
• 3.3.1 锁相的基本原理
• 3.3.2 CD4046 结构
• 3.3.3 锁相环的数学模型
• 3.3.4 信号处理电路
• 3.3.5 频率跟踪电路
• 3.3.6 锁相环参数选择
• 3.4 DSP 外围电路设计
• 3.4.1 数字系统TMS320F2812 DSP 简介
• 3.4.2 辅助电源设计
• 3.4.3 信号检测电路
• 3.4.4 过压过流过热保护电路
• 3.4.5 吸收电路的设计
• 3.5 小结
• 第四章 实验结果
• 4.1 斩波部分实验波形
• 4.2 逆变部分实验波形
• 4.2.1 驱动电路部分波形
• 4.2.2 逆变器输出波形
• 第五章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 5.2.1 逆变器的并联
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 作者在攻读硕士学位期间发表的论文