基于PSPWM控制的感应加热电源设计

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摘 要

本文根据感应加热原理，介绍了感应加热技术当下的发展现状和以后的发展趋势，分析了感应加热电源的电路原理，综合移相调制（PSPWM）技术，提出了PSPWM控制方法，并且分析了PSPWM控制方法的工作原理，给出了电路原理图。本文设计了基于PSPWM控制策略的感应加热电源系统，并对主电路各元器件进行了精确计算与设计，其中，电路设计采用了ATmega8单片机作为控制芯片，用EXB841驱动模块设计驱动电路。同时，还设计了保护和采样电路。

关键词：感应加热，PSPWM，ATmega，EXB841

Abstract：Based on the principle of induction heating, the development of induction heating technology of the moment and the future development trend analysis of the principle of induction heating power supply circuit are introduced. The integrated phase modulation (PSPWM) technology, PSPWM control method is proposed and analyzed PSPWM control the method works gives the circuit diagram. This article is designed based on PSPWM induction heating power system control strategy, and the main circuit of the various components were accurate calculation and design, which uses the ATmega8 microcontroller circuit design as the control chip, with EXB841 drive module design driver circuits. Meanwhile, this article also designed to protect and sampling circuits.

Keywords:induction ，heating，PSPWM，ATmega，EXB841

目录

1. 绪论 4

1.1 感应加热的基本原理 5

1.2 感应加热技术的现状与发展趋势 5

2. 感应加热电源电路组成 6

2.1 AC-DC整流及滤波环节 6

2.2 逆变环节 6

2.3 负载 6

2.4 控制与保护 6

3.PSPWM控制原理分析 7

3.1 主电路拓扑 7

3.2 工作过程分析 8

3.3 工作时序扩展 10

3.4 有缓冲元件时的逆变器工作过程分析 11

4.PSPWM感应加热电源主回路和控制保护电路的设计 16

4.1 控制系统总体设计 16

4.2 整流部分设计 16

4.3 逆变及负载部分参数设计 19

4.4 控制系统的总体设计 21

4.5 驱动电路 22

4.6 保护电路 24

5.总结 27

参考文献 28

致谢 29

1 绪论

1.1 感应加热的基本原理

1.1.1感应加热的特点和用途

随着科技的进步，感应加热也逐渐被人们所熟知，比如人们日常生活中的电磁炉和微波炉都是运用感应加热的方式来实现的。之所以现在感应加热方式那么普遍，是因为它具有加热效率高而且加热速度快，不用直接接触，加热比较平均，容易控制，容易操作等很实用的有点。也正因为这些有点感应加热方式广泛应用于金属器件的熔炼，透热，焊接和热处理等工业加工。特别是感应加热热处理方式已经成为冶金，国防，机械加工，熔煅工业和飞机汽车船舶制造业非常重要的方式。

1.1.2 感应加热工作原理

我们中学时就学过导体之所以能导电是因为有自由电子的存在。当我们在导体上加上一定大小的电压，由于电场的左右使一个原子上的电子按照同一个方向移到另一个原子上，形成电流。但电子在移动中会受到反作用力，一部分电能要克服反作用力做功，使得导体发热，而受到的反作用力就是电阻。

如图1.1，根据法拉第电磁感应定律：当通过导电回路所包围的磁场发生变化时，此回路就会产生感应电动势，当回路闭合时，会产生感应电流电流由表层向内层逐渐减小。所以，当感应线圈通过交流电流时，线圈内就会产生相同频率交变磁通。同时，根据焦耳-楞次定律，当电流作用于具有电阻的金属就会产生热量。^［[1]］

图1.1　感应加热工作原理图

1.2 感应加热技术的现状与发展趋势

1.2.1 感应加热电源技术的现状

感应加热技术从出现到今天，经过了大约百年的探索和发展，成果令人瞩目，尤其是六十年代以后，伴随着固态电力电子器件的出现与发展，使感应加热技术和现代化生产中许多方面都紧密相关，在提高生产力等方面发挥了重要的作用，因此世界各国包括中国都非常关注感应加热技术发展，并且投入相当的经济支持和技术力量。同时，传统的感应加热电源与固态感应加热电源相互取长补短，互补共存^［[2]］。

1.2.2 感应加热电源技术的发展趋势

半导体功率器件的进步对于感应加热电源的发展关系非常密切，随着功率器件在性能上的不断发展，也让感应加热电源的发展趋势有以下四个特点：

1. 频率变高，功率变大。以前因为容量和频率的限制，晶闸管和晶体管都受到了很大的制约，不能达到高频率和大功率的要求。但随着IGBT、MOSFET等新型器件的出现和发展，感应加热电源的高频率和大功率的要求也可以逐渐实现，满足工业和科技的发展要求^［[3]］。
2. 功率因数提高，损耗降低。因为新型功率器件的通态压降和通态电阻很小，使得损耗主要是门极和基极的驱动电路上。同时随着驱动电路的完善和发展，使得电路损耗显著减小。而且由于感应加热电源功率很大，对电网降低无功要求的提高，感应加热电源会向高功率因数化发展。同时，谐振技术减小了感应电源开关器件的开关损耗，锁相技术将逆变器工频控制在固有谐振频率之内，使电源的负载功率因数为1。
3. 复合化、智能化。复合化就是一个功率模块不仅可以包含一个或几个功率器件芯片，还包含同样数量的二极管，小功率模块也包含功率器件和保护电路在一起的电路，智能化就是除了功率半导体集成电路本身，还包含欠压，过压，过热和过流等检测和保护功能。这样，不仅减少了元器件数量和成本，还增加了检测和保护的功能，提高了可靠性。感应加热电源向着自动化发展的趋势发展顺应了工业生产对自动化和电源可靠性的要求。
4. 应用范围更加广泛。随着感应加热技术的完善和发展，越来越多的行业开始使用这项技术，比如铸造熔炼能实现对特殊金属的精细熔炼，同时可以提高使用效率、减少污染、对金属成分可控等优点；各种零部件的的表面热处理也是用感应加热技术；还有在食品加工、医药业和铝塑薄膜加工等工艺也广泛的使用这种技术^［[4]］。

2 感应加热电源电路组成

感应加热电源电路组成框图如图2.1所示，主要有以下四个环节：

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