倍頻式感應加熱電源控制系統(tǒng)的研究-設計應用

精品文檔-下載后可編輯倍頻式感應加熱電源控制系統(tǒng)的研究-設計應用摘要：設計了一種基于IGBT的150kHz大功率倍頻式感應加熱電源，研究了基于DSP+CPLD的分時、移相調(diào)節(jié)的控制策略，進行了軟件仿真測試以及IGBT的驅(qū)動電路設計。實驗結(jié)果證明該系統(tǒng)實現(xiàn)了高精度的數(shù)字化控制，逆變器始終在功率因數(shù)近似為1的狀態(tài)下工作。

1引言

隨著數(shù)字信號處理器(DSP)與可編程邏輯器件(CPLD)的發(fā)展與普及。電源的控制已經(jīng)由模擬控制、A／D混合控制，進入到全數(shù)字控制階段。傳統(tǒng)的感應加熱電源控制電路大多采取模擬控制的方式。

因此難免存在觸點多、焊點多、可靠性低的缺點，對一些元件的工藝性要求高，靈活性較差。數(shù)字系統(tǒng)在這些方面就顯得很先進：首先是靈活，即修改參數(shù)很方便；其次是在保證程序可靠的前提下，運行比模擬系統(tǒng)可靠得多；。使用起來比較簡潔、靈巧，無需太多的元器件。因此。采取集成度高、集成功能強大的數(shù)字控制器設計電源的控制系統(tǒng)．以適應不斷提高的電源輸出可編程控制?？刂凭雀叩纫蟆?/p>

2主電路拓撲設計

在感應加熱電源的應用中，淬火、焊管、焊接等工藝都要求高頻率大功率的電源。功率MOSFET雖然可以實現(xiàn)高頻工作，但其電壓、電流容量等級低。

大功率電源需采用串、并聯(lián)技術，影響了電源運行的可靠性。絕緣柵雙極晶體管(IGBT)比較容易實現(xiàn)電源大功率化，但在高頻情況下，其開關損耗，尤其是IGBT關斷時存在的尾部電流．會限制其工作頻率的進一步提高。

倍頻式高頻電源采用大功率自關斷功率器件IGBT。通過在逆變橋的每個IGBT上分別再并聯(lián)一個IGBT來實現(xiàn)，每組并聯(lián)的IGBT輪流工作，使得負載頻率為開關管工作頻率的2倍，間接拓寬了IGBT的使用頻率。開關管工作于零電流開關狀態(tài)，消除了尾部電流引起的關斷損耗。理論上可實現(xiàn)零開關損耗?；谝陨显颍诖诉x用倍頻方案設計電源，可以使電源的整體輸出功率大幅提高。主電路拓撲如圖1所示。

圖1主電路原理圖。

3控制系統(tǒng)設計

控制器采用的是TMS320LF-2407A和MAXII系列芯片EPMl270T144C5。圖2示出基于DSP+CPLD的電源系統(tǒng)數(shù)字化控制框圖。DSP中PID模塊的輸出作為PWM控制模塊的輸入信號，控制兩相占空比可調(diào)的PWM信號的脈寬：CPLD的鎖相環(huán)跟蹤諧振頻率．結(jié)合DSP輸出的移相角度，在PWM模塊生成PWM脈沖觸發(fā)信號；經(jīng)脈沖分配模塊實現(xiàn)分時．移相控制策略。

圖2系統(tǒng)數(shù)字化控制框圖

3．1基于CPLD的軟件設計

控制系統(tǒng)工作過程如下：由電流檢測電路檢測負載槽路電流，經(jīng)整流濾波后波形變換成方波信號，由諧振判別環(huán)節(jié)判斷是否處于諧振狀態(tài)。若是，則啟動數(shù)字鎖相環(huán)(DPLL)。采用全新的控制與方案實現(xiàn)DPLL，即鑒相器采用雙D觸發(fā)器鑒相器，其輸出值代表相位誤差；環(huán)路濾波器采用數(shù)字比例積分的方法實現(xiàn)；用數(shù)字控制振蕩器(DCO)代替壓控振蕩器。DPLL的輸出信號跟蹤負載諧振頻率．在PWM控制模塊直接生成兩組互補的PWM脈沖信號，作為逆變橋后橋臂VTk和VT出(茗=1，2)的基本觸發(fā)脈沖。同時，為了防止同一個橋臂的上下管直通，避免電壓短路損壞開關器件．通常采用在兩個開關管間設置死區(qū)的方法來解決．即等一個橋臂的開關管關斷后方可開通另一橋臂的開關管。遵循先關斷后開通的原則。

圖3a為同一橋臂上下功管帶死區(qū)的驅(qū)動脈沖。p是鎖相環(huán)鎖相鎖頻的負載諧振電流信號，clk是25MHz的晶振頻率。圖3b為VL和Vk這兩組開關管的驅(qū)動脈沖。由圖可知后橋臂的驅(qū)動信號PWM。完全跟蹤負載電流方波脈沖的上升沿，這樣就實現(xiàn)對系統(tǒng)頻率的跟蹤控制。采取時間分割控制的目的在于提高系統(tǒng)的工作頻率．CPLD中的脈沖分配模塊實現(xiàn)對驅(qū)動脈沖的分時功能．圖3c為驅(qū)動脈沖PWM。的分時功能仿真波形。由圖可知，每個IGBT上的驅(qū)動頻率為系統(tǒng)頻率的1／2．即可利用兩個IGBT的分時輪流工作提高了系統(tǒng)的工作頻率。

圖3觸發(fā)脈沖仿真波形

3．2基于DSP的軟件設計

圖4示出增量式PI算法程序流程圖。

圖4增量式PI算法流程圖。

為了得到穩(wěn)定的輸出功率。必須時刻跟蹤負載電信號的變化。通過采樣負載電壓電流信號控制驅(qū)動脈沖占空比．以達到功率調(diào)節(jié)的目的。功率控制程序通過將從A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器中所讀取的功率設定量與檢測到的反饋量相比較．其差值通過數(shù)字PI控制算法進行處理．從而得到需要調(diào)整的相位角度9的值。PI調(diào)節(jié)結(jié)果經(jīng)SPI口輸入到CPLD的PWM控制模塊。

4實驗

4．1實驗參數(shù)及器件選取

倍頻感應加熱電源主要設計參數(shù)：輸入電源為380V／50Hz三相交流電源。額定輸出功率100kW，逆變工作頻率盧150kHz，匹配變壓器變比為10：1。

根據(jù)功率要求。按整流輸出電壓為500V計算，則輸出電流為200A?？紤]到安全裕量，選取整流二極管模塊DF200AAl20-160。折算到次級的負載電阻為0．25Q，取品質(zhì)因數(shù)Q=IO，則由Q=wL／R，to=2"rrf,f=150kHz，可得次級電感L-2．65阻H，電容C=0．425pF。

逆變器開關器件選擇為Ivr=300．,-400A，仉D：1075V。

逆變器選1．2kV／400A的FF400R12KS4型IGBT模塊作為功率開關器件。IGBT驅(qū)動電路選取專用驅(qū)動功率IGBT／MOSFET的集成芯片IXDD430，可在較高的頻率下工作．提供高達30A的峰值輸出電流。

4．2實驗波形

圖4a示出脈沖分配模塊的輸入波形與輸出波形；圖4b示出同橋臂上下開關管的死區(qū)驅(qū)動波形。

圖5實