基于DSP的50KW200KHZ高频感应加热电源的硬件设计

基于DSP的50KW200KHZ高频感应加热电源的硬件设计

杨占勋

(保定四方三伊电气有限公司河北保定071051)

摘要：高频电源及感应加热技术目前对金属材料加热效率最高、速度最快，且低耗环保。它已经广泛应用于各行各业对金属材料的热加工、热处理、热装配及焊接、熔炼等工艺中。它不但可以对工件整体加热，还能对工件局部的针对性加热；可实现工件的深层透热，也可只对其表面、表层集中加热；不但可对金属材料直接加热，也可对非金属材料进行间接式加热。因此，感应加热技术必将在各行各业中应用越来越广泛。本文采用先进的数字信号处理器TMS320LF2407A作为控制器，设计一套基于DSP的全数字控制的感应加热电源的硬件设计及实验数据。

关键词：感应加热；整流；斩波；逆变

一、系统总体结构

本文设计的高频感应加热电源系统框图，以TMS320LF2407A作为主控制芯片对系统进行设计。整流电路采用三相全桥不控整流电路，利用Buck变换器设计直流斩波调压电路，逆变电路为单相全桥逆变电路，感应装置包括逆变高频变压器、谐振电容和感应线圈。直流电压电流采样调理电路将直流母线电压和电流转换后送入DSP的AD模块进行功率闭环控制；负载电压电流采样调理电路将负载电压电流转换后送入DSP的捕获模块进行频率跟踪控制；驱动电路将DSP的控制脉冲隔离放大后，控制逆变电路的功率开关器件；故障检测为系统提供保护措施，故障综合将所有的系统故障综合后向DSP系统发出故障中断请求，并封锁触发脉冲；键盘和液晶显示屏通过DSP的I/O实现人机交互界面；DSP通过串口与上位PC实现通讯，进行信息的相互传输。

图1基于DSP的感应加热电源控制电路系统框图

二、主电路参数设计与器件选择

主电路的拓扑结构如图二所示，其中L为谐振电感，C为谐振电容，Cf为直流滤波电容，VB为三相整流桥，VT0为IGBT,VT1、VT2,、VT3、和VT4为MOSEFT。

感应加热电源的主要设计参数：

额定输出功率：PN＝50kW；

斩波器工作频率：ƒs＝10kHz；

逆变工作频率：ƒ＝200kHz；

输入电源：三相交流380V/50Hz;

变压器变比为10:1。

图2主电路拓扑

（一）整流部分参数设计

（1）整流桥的选择：根据三相整流桥的计算并考虑一定裕量和电网电压的峰值及电压扰动等偶然因素会产生浪涌电压，选取耐压值为1200V，额定电流为100A的日本三社公司的整流二极管模块DF100AA120。

（2）滤波器的选择：①滤波电容C1的设计。为了保证给斩波器提供较平稳的直流电压，在整流桥后加了滤波电容C1，同时此电容还起滤波的作用。为了滤掉高频分量，在此电容的两端还并联了小的高频电容Ch。整流输出电压的基波频率为300Hz，滤波电路的时间常数，即电容与整流桥的负载等效电阻Rd之积应为纹波的基波周期。

电容器的耐压必须高于√2Ud，取C1=1000uF，采用2只型号等级为2200uF/450V的电容串联而成。②高频滤波电容器的设计。由于串联谐振式逆变器的直流电源回路还必须流过无功电流，该无功电流随逆变器的输出功率因数减小而增大，而电解电容C1不能流通高频无功电流，否则会发热损坏。因此，需并接高频滤波电容器Ch，以代替C1流通无功电流。Ch值一般难于用计算方法确定，都是根据实验选定，在额定工作状态下，逆变器的输出电压方波顶部不出现高次谐波和C1不发热，便被认为Ch选得合适。一般原则是电源容量大，选大值；工作频率高，选小值。高频电容根据经验可选择IuF/1000V的无感电容。

（二）斩波部分参数设计

（1）开关器件及续流二极管DF1的选择

本文斩波器的频率ƒs选定为10kHz，整流桥的输出电流即斩波器的最大输入电流为113.6﹙A﹚，输入电压为Ud=514.8V，斩波器承受的最大电压与整流桥一致，为380×√2=537.4﹙V﹚，流过斩波器的最大电流为I=﹙1.5～2﹚×113.6=﹙170.4～227.2﹚A，分别计入一点点裕量，可选用三菱公司的CM400DY-24A型IGBT，其电压、电流耐量分别为1200V和400A，内部带有快恢复二极管。续流二极管DF1流过的最大电流为Iomax=113.6A，所承受的最大反向电压为2Ud=1029.6V。计入一定的裕量，可选用SKKE380型二极管。

（2）输出侧滤波参数设计

斩波电路输出采用LC滤波，根据斩波电路满足连续导电模式的条件，取C∫=220uF，为保证耐压容量，采用4只型号等级为220uF/450V的电容，先两两串联，再将两组并联。

（三）逆变部分参数

（1）谐振电容C的选择

由P=U2/R初级等效负载R1=U12/P=5002/50000=5﹙Ω﹚，变压器的变比为10:1，次级等效电阻R2=U22/P=502/50000=0.05﹙Ω﹚。

可计算得C=3.2uF，L=0.2uH。根据电容的型号，选取C=3.3uF,则L=0.194uH。此时谐振回路的品质因数为4.88。

则谐振电容的耐压值：

UCM=Q2√2U2/π=4.88x2√2x50x3/3.14=659﹙V﹚

谐振电着选取耐压值为1000V，容量3.3uF的无感电容。

(2)逆变器开关器件选择

IVT=PO/UI=50000/3/500=34﹙A﹚

UVD=2Urm=2×√2×380=1075﹙V﹚

所以，逆变器选择参数为1000V/100A的SE100CB100型MOSFET模块作为功率开关器件。该器件的上升时间和下降时间都为3000ns，比逆变的周期3.3us小得多，所以满足逆变频率300kHz的设计要求。

结语：高频电源及感应加热技术目前对金属材料加热效率最高、速度最快，且低耗环保。它已经广泛应用于各行各业对金属材料的热加工、热处理、热装配及焊接、熔炼等工艺中。基于DSP的50kW/200KHZ的的高频感应加热电源的硬件设计，系统总体结构以TMS320LF2407A作为主控制芯片进行设计，并通过样机对相关输出情况做跟踪反馈。通过实验证明，该系统输出性能良好，能达到预期效果。

参考文献：

[1]李爱文，张承慧.现代逆变技术及其应用[M].北京：科学出版社，2010.

[2]张素荣.基于DSP的高频感应加热电源控制系统的研究[D]：[硕士学位论文].西安：西安理工大学，2014，03.

[3]军伟，陈辉明，钱昊.负载串联谐振逆变器的逆变控制策略[J].电源技术应用，2015：02，14—16