基于IGBT的20kW电磁感应加热设备的研究

发布时间：2017-09-20 12:49

  本文关键词：基于IGBT的20kW电磁感应加热设备的研究

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【摘要】：电磁感应加热技术不同于传统的加热方式,与常见的电热丝加热技术、远红外加热技术、微波加热技术相比,它具有非接触式加热、高效节能、环保安全的优点[1]。感应加热技术的诸多优点使得电磁感应加热装置不仅在家用电器领域应用广泛,而且推广到了淬火,熔炼等工业领域。近些年,随着电力半导体器件的革新,电磁感应加热逐步向高频化、大容量化、智能化的方向发展。本论文以20kHz/20kW感应加热设备为研究对象,采用半桥并联谐振电路,对大功率高频感应加热设备的硬件电路和软件设计进行了研究。虽然功率器件MOSFET能够实现高频工作,但是它的电压、电流容量等级低,且导通损耗高[2]。为解决这一难题,易实现电源高功率化的绝缘栅双极晶体管(IGBT)应运而生。IGBT(绝缘栅双极型晶体管),是由BJT和MOS管组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,它既有MOSFET的高输入阻抗的优点,同时还具有GTR的低导通压降的优点[3]。本论文以IGBT作为核心开关器件,对电磁感应加热的过程进行了分析。在硬件电路方面,论文包括工作档位和温度显示电路,锁相电路,半桥并联谐振电路,IGBT驱动电路等,这些电路实现了对加热设备的智能化监控和保护,多档位功率输出,以及对开关频率的追踪。在软件设计方面,论文以S3F9454为核心控制芯片,运用AD采样原理,对功率档位信号,供电电压等级信号,温度信号等五路模拟信号进行采样,并用数码管显示每路信号所处档位等级及IGBT的当前温度。软件设计不仅可使电路出现异常时,程序会通过关断驱动信号关断机器,并开启蜂鸣器报警。另外在观测到温度档位过高时电路会开启风扇,避免器件局部温度过高。除此之外,芯片的PWM输出管脚输出占空比可调的脉冲,实现电路软启动。论文最后对整个设计方案进行了实验测试,实验结果表明该方案设计合理,感应加热设备的输出功率稳定,效率高,满足设计要求。
【关键词】：感应加热 IGBT S3F9454 大功率 频率
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM924.01
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 绪论10-15
• 1.1 引言10
• 1.2 电磁感应加热原理10-12
• 1.3 电磁感应加热技术国内外研究现状12-13
• 1.4 感应加热电源的特色13-14
• 1.5 本论文的主要内容14-15
• 第二章 IGBT相关原理介绍15-26
• 2.1 BJT、MOSFET、IGBT的优缺点15
• 2.2 IGBT的工作原理15-17
• 2.3 IGBT等效电路图17-19
• 2.4 IGBT的损耗19-22
• 2.5 IGBT的缓冲电路22-25
• 2.6 本章小结25-26
• 第三章 主工作电路设计26-38
• 3.1 感应加热设备硬件设计电路整体框图26
• 3.2 三相整流滤波电路26-29
• 3.3 IGBT型号的选择29-30
• 3.4 谐振电路的工作原理和参数确定30-37
• 3.4.1 谐振电路的工作原理30-32
• 3.4.2 谐振电路工作过程分析32-36
• 3.4.3 谐振电路参数的确定36-37
• 3.5 本章小结37-38
• 第四章 硬件控制电路设计38-50
• 4.1 SG3525驱动控制电路38-43
• 4.1.1 SG3525引脚功能介绍38-40
• 4.1.2 SG3525调频调功的原理40-43
• 4.2 驱动芯片UC3707的介绍和变压器隔离电路43-44
• 4.2.1 驱动电路和隔离电路介绍43-44
• 4.2.2 驱动隔离电路工作原理44
• 4.3 功率开关电路44-46
• 4.4 锁相环电路分析46-49
• 4.4.1 锁相环电路的应用46
• 4.4.2 锁相环基本原理46-49
• 4.5 本章小结49-50
• 第五章 软件设计实现50-59
• 5.1 S3F9454的简要介绍和I/O .分配50-52
• 5.2 模块化编程思路和主程序流程简图52-53
• 5.3 初始化模块53
• 5.4 软启动模块53-55
• 5.5 AD采样模块55-56
• 5.5.1 AD采样原理和过程55-56
• 5.5.2 AD转换时间的计算56
• 5.6 档位和温度显示模块56-57
• 5.7 定时器中断模块57-58
• 5.8 本章小结58-59
• 第六章 实验结果59-63
• 6.1 感应加热设备外围硬件电路和加热设备实物图59-61
• 6.2 负载电流实验波形61-62
• 6.3 加热效率62-63
• 第七章 全文总结63-64
• 致谢64-65
• 参考文献65-67

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