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xx大学学士学位论文 节能型嵌入式管道加热器摘要随着现代逆变技术的发展和电磁加热技术的逐渐成熟，一种新型的节能型嵌入式管道加热器，即高频电磁感应加热器已进入了研究发展阶段。节能型嵌入式管道加热器是基于电磁感应加热原理，先将电网的工频交流电通过整流、滤波变成单向脉冲的直流电，随后由控制电路将直流电变成高频交流电，高频交流电作用于励磁线圈。励磁线圈是输出加热功率的元件，它是一个形状特殊的电感器。它在IGBT管高速且周期性的导通与截止状态下，不断从电源得到因自身损耗而消耗的能量，于是在励磁线圈的周围形成高频磁场，该磁场通过绝缘层作用于的不锈钢金属内胆，产生大量涡流，从而迅速加热。由电磁感应加热原理可以看到，这种加热方式实现了真正的隔离加热，高效节能、安全是该加热器最大的特点。本文首先详细介绍了节能型嵌入式管道加热器的感应加热原理，然后提出了加热器的整体设计思路，重点设计了高频感应加热器的主电路逆变单元和基于HT46R64型单片机的智能控制单元，其中包括半桥谐振，IGBT驱动，IGBT温度检测，加热温度检测，过流、欠压、过压保护，漏电检测与保护，蜂鸣器驱动等电路。关键词感应加热；集肤效应；高频；逆变器Energy-saving Heater of Embedded PipelineAbstractWith the development of modern inverter technique and the mature of electromagnetic heating technique，a new electric energy-saving heater of embedded pipeline which is called high-frequency electromagnetic heater is in researching.The energy-saving heater of embedded pipeline is based on the theory of electromagnetic inductive heating. First, it changes the power frequency alternating current into one-way pulsed direct current through rectifying and filtering. Then, it changes direct current into high-frequency alternating current through controlling circuit. The high-frequency current acts on field coil, which is the element for output power of heating. It is all inductor with a special shape. The high-frequency keeps on obtaining the power consumed by itself under the IGBT s frequently getting through and cutting offTherefore，the high-frequency magnetic field is formed around the field coil. This magnetic field acts inside of the stainless steel metal through insulator, which generates a mount of vortex flow, leading the temperature rising rapidly. Through the theory of electromagnetic inductive heating we can find that it realizes the truly separationAnd high performance of energy saving and safety is the most important feature of this heater.First, this topic introduces the theory of electromagnetic inductive heating of the energy-saving heater of embedded pipeline. Then, it proposes the integrated design concept of the heater. The heater is designed mainly on the major electric circuit, the inverter unit and intelligent control unit based on the HT46R64 type SCM, including the circuit of half-bridge resonant, IGBT driver, IGBT temperature detect, heating temperature detect, overcurrent protect, undervoltage and overvoltage protect, leakage detect and protect, buzzer driver and so on.Keywords Induction heating; Skin effect; High frequency; Inverter不要删除行尾的分节符，此行不会被打印- II -目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 感应加热技术的发展现状及趋势21.2.1 国内外感应加热技术的发展现状21.2.2 感应加热技术的发展趋势31.3 本课题的研究内容3第2章 加热器的原理结构及分析42.1 感应加热原理42.1.1 电磁感应定律与涡流42.1.2 集肤效应与透入深度42.2 加热器的工作原理52.3 加热器的功能设计62.3.1 加热器的工作参数62.3.2 加热器实现的功能62.4 加热器的电路结构框图72.4.1 主电源输入单元72.4.2 低压供电单元82.4.3 电网电压采样单元102.4.4 电流采样单元102.4.5 逆变单元102.4.6 智能控制单元112.5 本章小结11第3章 逆变电路单元的设计123.1 半桥谐振电路123.2 主控制器123.2.1 同步控制单元133.2.2 PWM脉宽调控电路143.3 IGBT功率开关器件153.4 IGBT驱动电路的设计153.4.1 驱动模块2SD106AI的特点153.4.2 驱动电路的设计193.5 本章小结22第4章 加热器智能控制单元的设计234.1 HT46R64单片机的特点234.2 IGBT温度检测244.3 温度检测254.3.1 硬件电路设计254.3.2 软件设计254.4 过电流保护254.4.1 硬件电路设计254.4.2 电流采样软件处理274.5 欠压、过压保护电路274.5.1 硬件电路设计274.5.2 电压采样软件处理284.6 漏电检测与保护284.6.1 漏电检测原理分析284.6.2 漏电检测电路设计284.7 恒温输出控制294.8 液晶显示（LCD）304.8.1 LCD显示存储器304.8.2 LCD驱动输出304.8.3 LCD Segment输出和逻辑输出314.9 蜂鸣器驱动314.10 温度设置314.11 系统智能保护的软件设计324.12 本章小结32结论35致谢36参考文献37附录A39附录B43千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行- IV -第1章 绪论1.1 课题背景节能型嵌入式管道加热器是一种以感应加热技术为基础的高频感应加热器。感应加热技术是20 世纪初才开始应用于工业部门的,它是通过电磁感应原理及利用涡流对工件进行加热。由于感应加热相对于传统的热处理方式有着许多的优点:工作可靠性高、无污染、效率高以及加热容易控制等，迅速地应用到了工业生产以及社会生活的各个领域。电力电子器件的发展对感应加热技术的发展有着至关重要的影响，随着电力电子器件得发展，感应加热技术不断地提高。1831年11月，法拉第发现了电磁感应现象，1834年，楞次提出了楞次定律，从而为感应加热技术提供了理论基础。其后Foucautla，Heaviside等人对涡流理论及能量由线圈向铁芯传输的原理进行了系统的研究，逐步建立了感应加热技术的理论基础。感应加热技术的发展，主要依托感应加热理论和感应加热设备的发展，感应设备的发展在其中起着更为重要的作用。在感应设备的发展过程中，根据电力半导体器件的出现可将其分为两个截然不同的发展阶段1：20 世 纪 50年代以前：20世纪初，法国、意大利和瑞典等国技术人员开始研究感应加热技术。1916年，美国的J.R.Wyatt发明了“潜沟式”有芯感应炉，即现在被广泛使用的有芯炉的原形，并于1917年用于冶炼黄铜。1921年，美国人E.F.Northrop又发明了无心感应炉，采用中频发电机组作为供电电源。第二次世界大战之后，由于能源问题的出现，感应炉相比传统的燃料炉，取得了明显的节能效果。20 世 纪 50年代以后：1957年，美国研制出作为电力电子器件里程碑的晶闸管，标志着现代电力电子技术的开始，同时，也引发了感应加热技术的革命。1966年，瑞士和西德首先利用晶闸管研制感应加热装置，从此感应加热技术开始飞速发展。80年代后，电力电子器件再次飞速发展，GOT，MOSFET，IGBT，MCT，SIT等器件相继出现。感应加热装置也逐渐摒弃晶闸管，开始采用这些新器件。现在比较常用的是IGBT和MOSFET，IGBT用于较大功率场合，而MOSFET较合适高频场合，频率可达到500kHz 以上，甚至几兆赫兹3。目前，感应加热技术得到了飞速的发展，在中频段的感应加热电源己十分成熟。但是，在兆赫兹的高频段，固态感应加热电源还处于研究阶段，有待于进一步的提高。推动感应加热技术不断发展的因素是由于感应加热相对于传统的火焰加热方式具有独特的优越性能和特点4：1具有精确的加热深度和加热区域，可以加工形状复杂的工件；2加热温度高，效率高；3加热温度由工件表面向内部传导或渗透；4采用非接触式加热方式，在加热过程中不易掺入杂质；5加热速度快，铁屑损耗小，工件表面脱炭较轻；6节能环保，几乎没有噪声和灰尘；7自动化程度好，可以频繁的停机和启动；8表面淬火后工件表层有较大压缩内应力，工件抗疲劳破断能力较高。感应加热热处理也有一些缺点。与火焰淬火相比，感应加热设备较复杂，而且适应性较差，对某些形状复杂的工件难以保证质量。在应用领域方面，感应加热主要是应用于机械加工工业中，如金属熔炼、透热、热处理和焊接等过程，目的是提高这些工件的耐磨性和抗疲劳破断的能力，感应加热己成为冶金、国防、机械加工等部门及船舶、飞机汽车制造业等不可缺少的加热方法；其次，在半导体生产加工工艺中，感应加热被用于半导体器件的区域提纯，单晶生长和掺杂；感应加热也广泛应用于电视显像管和阴极射线管制造中的排气和密封收缩贴合工艺过程。此外，感应加热己经或不断地进入到人们的家庭生活中，例如微波炉、电磁炉、热水器等都是可以用感应加热作为加热手段。可见，感应加热技术己得到越来越广泛的应用。1.2 感应加热技术的发展现状及趋势感应加热技术自诞生到现在，己经经历了一百多年的发展，已取得了巨大的成果，形成了比较成熟的技术。尤其是20世纪60年代以后，将固态电力电子器件应用于感应加热领域，使感应加热技术的发展更加突飞猛进。感应加热电源的研究方向主要集中在：电路拓扑、调功方式、控制方式、谐振回路结构、如何控制功率和频率、感应线圈设计和故障保护等方面。世界各国由于开展时间的早晚，研究现状差别很大。欧美几个工业强国和日本由于在资金和技术方面的优势，在高频和超高频感应加热电源方面处于技术领先地位，基本代表了感应加热电源发展的最高水平5。1.2.1 国内外感应加热技术的发展现状欧美公司的产品系列基本覆盖了金属热处理的各个方面，而且相关设备比较完善。而日本的SIT(静电感应晶体管)技术比较先进，因此在高频大功率感应加热电源方面的优势比较明显。在高频领域，国外目前正处于从传统的电子管振荡器向固态电源的过渡阶段。以日本为例其系列化的电子管振荡器的水平为51200kW/100500kHz，而其采用SIT的固态高频感应加热电源的水平可达400kW/400kHz，并且在1987年就已开始研制1200kW/200kHz的SIT电源。欧美各国采用MOSFET的高频感应加热电源的容量正在突飞猛进，例如西班牙采用MOSFET的电流型感应加热电源的制造水平可达600kW/200kHz，比利时的Inducto Elphiac公司生产的电流型MOSFET感应加热电源的水平可达1MW/15600kHz，代表了感应加热的高频、大功率的发展方向。我国应用电力半导体器件研制感应加热用中高频电源的历史可追溯到20世纪70年代，伴随着1963年我国第一只晶闸管的问世，在1970年左右我国开发出了快速晶闸管，1972年左右我国许多单位都开始了晶闸管中频电源的研究。超音频领域的研究工作于上世纪八十年代己经开始。从九十年代起，国内开始采用IGBT研制超音频电源。在高频电源领域，目前国内很多厂家仍然使用电子管，这不仅不能很好的满足工件热加工工艺的要求，同时，还由于电子管高频电源存在的效率低，体积大，使用寿命短等缺陷造成运行费用增加，所以，推广使用全固态高频感应加热电源己是势在必行，大功率MOSFET，SIT目前己经部分取代了电子管，成为高频感应加热电源最有发展前途的主要器件。总体说来，和国外相比，国内半导体高频感应加热电源存在较大差距。1.2.2 感应加热技术的发展趋势感应加热电源技术的发展与功率半导体器件的发展密切相关，随着功率半导体器件的大容量化、高频化，带动感应加热电源的大容量化、高频化，工件对加热效果要求的提高对感应加热技术的发展也起到了促进作用。总体来说，感应加热技术的发展趋势主要体现在以下几个方面5：1大功率，高频率；2低损耗、高功率因数圈；3智能化、复合化；4负载匹配。1.3 本课题的研究内容本文以节能型嵌入式管道加热器为研究对象，以研制高频感应加热电源为目的，主要研究内容如下：1 以感应加热电源为基础分析节能型嵌入式管道加热器的原理及特点；2 设计感应加热的逆变电路包括：主控制器电路、IGBT功率开关电路以及IGBT驱动等电路的设计 ；3 设计以HT46R64单片机为核心的控制电路，主要包括IGBT温度检测、加热温度检测、过流、欠压、过压保护，漏电检测与保护、蜂鸣器驱动电路等。第2章 加热器的原理结构及分析2.1 感应加热原理2.1.1 电磁感应定律与涡流根据初级线圈中电流的变化，可以在邻近的闭合次级线圈中产生感应电流的现象，是法拉第(Michael Faraday)创立的电磁感应定律，也是感应加热的理论基础。对金属工件的感应加热，其工作原理是在被加热金属工件外绕上一组感应线圈，当线圈中流过某一频率的交流电流时，就会产生相同频率的交变磁通，交变磁通又在金属工件中产生感应电势，从而产生感应电流(涡流)，产生热量，实现对工件的加热。感应加热方式是通过感应线圈把电能传递给被加热的金属工件，然后电能再在金属工件内部转化为热能，感应线圈与金属工件并非直接接触，能量是通过电磁感应传递的，因而，我们把这种加热方式称为感应加热1。涡流功率的表达式： P= （21）为铁芯材料的电阻系数；交变电流的频率；作时铁芯中最大的磁感应强度；所用铁芯材料的体积；所以，涡流功率与电流频率的平方成正比，频率越高，功率越大。很明显，感应加热的实际应用还涉及到热传导过程。其中，电磁感应过程具有主导作用，它影响并在一定程度上决定着热传导过程。热传导过程所需的热量实际上是由电磁感应过程中产生的涡流功率所提供的。应当指出，对铁磁材料来讲，除涡流产生热效应外，还有磁滞热效应，但这部分热量比涡流产生的热量小得多，故在以后的讨论中我们将忽略此部分的热量。2.1.2 集肤效应与透入深度从能量的观点很容易理解产生集肤效应的原因，由于导体的电导率即电阻率0，所以其中有能量损耗，即有一部分电磁能转变成热能。因此，当电磁波进入导体内部时，随着与表面距离的增大能量逐渐减少，从而引起电磁场量的逐渐减弱。集肤效应是由载流导体自身磁场所造成的，导体自身磁场在导体内建立反电动势，它的方向与外加电动势相反，在导体内部穿透的磁通最多，反电动势也最大，在导体外部穿透的磁通较少，反电动势也小。因此，导体表面的合成电动势比里面几层的合成电动势大，致使电流分布趋向表面，电流从表面向里面近似按指数曲线迅速衰减，在距表面x处的电流密度可用公式22列出： （22）其中，距离表面x处的电流密度；表面电流密度；自然对数底；电流透入深度；场量在导体内的衰减快慢又可用导体的渗入深度表示，因此，集肤效应与透入深度之间有着密切的关系，当电磁波从导体表面向导体内部传播时，经过距离后，其值衰减到表面值的1/即为表面值的0.368倍)，为该导体的透入深度。另外，感应加热还涉及到两个重要的电磁现象:邻近效应和圆环效应。所谓邻近效应指的是两根通有交流电流的导体靠得很近时，在相互影响下，电流要做重新分布。邻近效应的电流密度分布不仅取决于导体本身的磁场，而且与邻近导体磁场的总作用有关。圆环效应指的是，将交流电流通过圆环形线圈时，最大电流密度出现在线圈导体的内侧。感应电炉就是综合利用这几种效应的设备。感应线圈两端加上交流电压，线圈和工件上产生的电流方向相反，当二者相互靠拢时，线圈和工件表现为邻近效应，结果，线圈电流集聚在内侧表面，工件电流集聚在外表面。这时，线圈本身表现为圆环效应，而工件本身表现为集肤效应。2.2 加热器的工作原理加热器是利用电磁感应加热的原理，先将电网的工频交流电通过整流、滤波变成单向脉冲的直流电即AC-DC，通过扼流圈L和滤波电容C后，再由励磁线圈L1与谐振电容C1以及IGBT管组成谐振逆变电路将直流电转化为高频交变电流，即DCAC，高频交流电作用于励磁线圈L1，励磁线圈L1是输出加热功率的元件，它是一个形状特殊的电感器，它在IGBT管高速且周期性的导通与截止状态下，不断从电源得到因自身损耗而消耗的能量，于是在励磁线圈的周围形成高频磁场，该磁场通过绝缘层作用于的不锈铁金属内胆，产生大量涡流，从而迅速加热。L、C组成LC滤波电路，此电路也有两个作用，第一是用于平滑从整流器出来的脉冲直流电，使此直流电源更接近理想直流电；第二是滤除加热器在DC-AC逆变工作过程中产生的高频谐波3，防止其污染电网。电压谐振变换器是主电路的核心，其作用是使直流电逆变为高频交流电，以满足电磁感应加热的要求。电压谐振变换器是低开关损耗的零电压型(ZVS)变换器，主开关元件是功率晶体管，常称为功率开关管。目前，多采用绝缘栅双极晶体管(IGBT)。功率开关管的开关动作是由控制电路控制，并通过为满足功率开关管驱动条件的驱动电路而完成的。加热器的负载就是它所使用的不锈铁内胆。它与主电路中的励磁线圈共同构成了电压谐振变换器的输出电路。高频电磁加热器是由励磁线圈L1通过绝缘层向不锈铁内胆传输功率的。按电磁感应原理，当励磁线圈中流过交变的高频电流时，沿励磁线圈半径方向会产生闭合的磁力线，磁力线通过不锈铁内胆的底部时，在不锈铁内胆底部沿圆周会产生环形电流。在任一时刻，这个电流的方向总是与线圈中电流的方向相反。在不锈铁内胆底部电流流通的区域就是被磁力线切割的区域，呈圆环状，由于高频电流的趋肤效应和邻近效应，不锈铁内胆底部靠近线圈的表面，电流密度为最大，不锈铁内胆表面离开线圈盘的方向往里，电流密度则按指数规律减弱。2.3 加热器的功能设计2.3.1 加热器的工作参数1工作频率在40KHz左右。通过理论分析，我们知道加热器工作的频率越高，则加热器的效率越高。系统的工作频率主要受到LC谐振回路、IGBT的开关速度、驱动电路的特性等因素的影响。考虑到加热器的成本以及目前电子元件的特点，设计加热器的工作频率在40KHz左右。2输出功率在1KW4.5KW可以自动调整，加热温度在30到40之间。3最大输入电流29A。因为最大功率为4.5KW，输入电压为市电电压的有效值为220V，因此，输入电流的有效值约为20A，最大值约为29A。2.3.2 加热器实现的功能1加热温度的设定本系统设计手动和自动温度设定两种模式：手动模式：该加热器温度的设置是通过三个功能键来完成的，即：“温度设定”键、“+”键、“键。当需要调整温度时，先按下设定键再按“+”键设定温度增l，按“键温度减1，直到所需温度为止。自动模式：为适应使用的要求，该系统设计自动调温模式，智能控制单元具有记忆功能，可检测并储存用户使用模式，根据用户习惯自动设定加热温度。2漏电保护当出现漏电现象时，能够自动切断电源。3智能恒定温度输入：系统自动分析当前温度，智能的转换加热功率进行快速加热，从而实现恒温输出。4蜂鸣器报警当热水器运行时，出现异常情况时采用蜂鸣器报警。主要异常情况包括：漏电(E0)、IGBT温度过高(E1)、IGBT温度传感器出现故障(E2)、电网过压或欠压报警(E3)、过流(E4)、加热温度过高(E5)、温度检测传感器出现故障(E6)等。5LCD显示LCD液晶显示屏显示温度和各种异常情况的状态信息（E0E6）。2.4 加热器的电路结构框图高频电磁加热器的整体电路结构框架设计如图2-1所示，主要包括主电源输入单元、低压供电单元、电网电压采样单元、电流采样单元、逆变单元、智能控制单元等。现具体说明如下：图2-1 加热器电路框图2.4.1 主电源输入单元主电源输入单元如图2-2所示，ACDC的转换部分，包括输入熔断器、图2-2 主电源输入单元过压保护电路、EMC抑制电路、整流电路、直流滤波电路和脉冲滤波电路。熔断器FUSE使整机的电流被限定在一定的安全范围内，当高频电磁加热器内部出现严重的故障或者高频电磁加热器工作电路出现异常，上升到熔断器额定熔断电流时，熔断器会迅速熔断，使高频电磁加热器和外部电网强制断开，以保护外部电网的正常运行。熔断器一般是高频电磁加热器的最后一道安全防线，选用时一般要比额定功率下的工作电流大2030。压敏电阻ZMR主要用来防止过高的浪涌电压进入高频电磁加热器造成机子损坏，通常选用击穿电压在430470V范围内的压敏电阻。一旦电网上出现浪涌电压(如雷击、电焊操作)或误接380V电压时，压敏电阻就会将这部分能量消耗掉，从而达到过电压保护的目的。压敏电阻和熔断器组成的过电压保护电路也是电磁加热器最后的一道安全防线，但保护性质与熔断器截然相反。熔断器是在电磁加热器本身出现异常时用来保护电网不受影响设置的，而过电压保护电路是在电网出现异常时用来保护电磁加热器本身的。CM、C1、C2构成电源造成抑制电路，也称为EMC(电磁兼容)滤波电路，主要用来防止高频电磁加热器在DC-AC逆变工作过程中产生的残余干扰信号污染电网。同时此电路也可抑制进入高频电磁加热器的电网噪声，减小电网噪声对电路内部单片机的不良影响，这部分电路的设计对高频电磁加热器工作的稳定性有重要的影响7。BD为半导体整流元器件，将经过EMC滤波电路的交流电整流成脉冲直流电供给逆变部分。此电路采用桥式整流电路。2.4.2 低压供电单元此电路单元的作用是将220V市电转化为适用于高频电磁加热器信号控制部分的5V和15V低压直流电。其中，5V电压用于单片机和部分数字电路，并作为整机的基准电压；15V电压供给同步电路中的电压比较器和IGBT驱动电路。目前，低压供电形式有变压器式和开关电源式两种电路方案：变压器式电路采用传统变压器降压整流稳压。原理是利用变压器的能量变换作用，将220V交流市电变换成控制电路所需的交流低压，再经整流滤波，并由稳压集成电路或分立元件组成的稳压电路稳压后输出稳定的低压支流。这种变压器供电形式虽然性能稳定可靠，电路结构简单，故障率低，但存在铜铁等金属材料消耗量大、体积大、成本高，效率低(只有4050)，工作温度高及调整范围小等缺点。开关电源式电路采用开关电源变换降压。该电源供电方式具有变压效率高(可达85以上)、稳压范围宽、生产成本低等优点，但是开关电源也有一些缺点，比如电路复杂，故障率高，抗冲击、过载能力差。本系统采用开关电源式，针对这种供电方式的缺点，在电路设计中采取了一些保护措施。1开关式电源的基本工作原理开关式稳压电源接控制方式分为调宽式和调频式两种，在实际的应用中，调宽式使用得较多，在目前开发和使用的开关电源集成电路中，绝大多数也为脉宽调制型。因此下面就主要介绍调宽式开关电源。调宽式开关电源的基本原理可参见图2-3。图2-3 调宽式开关电源的基本原理对于单极性矩形脉冲来说，其直流平均电压Uo取决于矩形脉冲的宽度，脉冲越宽，其直流平均电压值就越高。直流平均电压Uo可由公式23计算， Uo=UmT1/T （23）式中Um为矩形脉冲最大电压值；T为矩形脉冲周期：T1为矩形脉冲宽度。从上式可以看出，当Um与T不变时，直流平均电压Uo将与脉冲宽度T1成正比。这样，只要我们设法使脉冲宽度随稳压电源输出电压的增高而变窄，就可以达到稳定电压的目的。2开关式电源的原理电路开关式电源的基本电路框图如2-4图所示。交流电压经整流电路整流及高图2-4 开关式电源基本电路框图压大容量电容滤波电路滤波后，生成300V的高压直流电压，该电压进入高频变换器被转换成所需电压值的方波，最后再将这个方波电压经整流滤波变为所需要的直流电压。控制电路为一脉冲宽度调制器，它主要由取样器、比较器、振荡器、脉宽调制及基准电压等电路构成。这部分电路目前已集成化，制成了各种开关电源用集成电路。控制电路用来调整高频开关元件的开关时间比例，以达到稳定输出电压的目的6。目前开关电源因其电路结构的不同，可以分为：单端反激式、单端正激式、自激式、推挽式、降压式、升压式和反转式开关电源。本系统采用单端反激式开关电源，它是一种成本最低的电源电路，输出功率为20100W，可以同时输出不同的电压，且有较好的电压调整率。单端反激式开关电源的典型电路如图2-5所示8。电路中所谓的单端是指高频变换器的磁芯仅工作在磁滞回线的一侧。所谓的反激，是指当开关管VT1导通时，高频变压器T初级绕组的感应电压为上正下负，整流二极管VD1处于截止状态，在初级绕组中储存能量。当开关管VT1截止时，变压器T初级绕组中存储的能量，通过次级绕组及VD1整流和电容C滤波后向负载输出。单端反激式开关电源使用的开关管VT1承受的最大反向电压是电路工作电压值的两倍，工作频率在20200kHz之间。图2-5 单端反激式开关电源2.4.3 电网电压采样单元此单元主要对高频电磁加热器的使用电压进行采样，给单片机提供一个电压采样信号，当电网电压大于或小于一定值时，单片机会输出保护指令，使加热器停止加热。单片机在工作时也会根据电压、电流信号的变化自动调整PWM信号，使加热器功率恒定（详见第四章）。2.4.4 电流采样单元电流采样单元是在高频电磁加热器工作时提供给单片机采样信号的采样电路。单片机时刻检测输入电流的变化，根据检测到的电流采样信号，自动调整PWM信号，使加热器作输出功率的恒定处理(详见第四章)。2.4.5 逆变单元逆变单元是整个电路的核心部分，即DCAC的转换部分，这也是本文讨论的核心，其作用是将直流电转换成高频脉冲16。整个逆变单元有LC并联谐振电路、IGBT管、IGBT的驱动电路及其主控制器组成(详见第三章)。2.4.6 智能控制单元智能控制单元是高频电磁加热器的又一重要组成部分，一台性能优良的加热器除了有一套设计优良、电气性能稳定的电路外，还要有一套智能控制系统，以便能随时应对加热器自身和外界参数变化引起的各种无法预料的干扰，以及在各种环境下最大限度的保证使用者和加热器自身的安全，同时还应从人性化的角度出发，给用户提供人机对话界面，给用户以更加方便、舒适的使用空间。可以毫不夸张地说，加热器中的智能控制单元即是加热器的大脑。这部分电路一般由单片机完成，在本系统中采用盛群半导体公司生产的HT46R64型单片机，是由该公司生产的A/D with LCD系列单片机之一，除了具有A/D转换功能外，还包含了LCD和蜂鸣器驱动功能，可以直接连接到用户的液晶显示接口，提供给用户完全集成的量测与显示模拟信号的方法，用于直接处理模拟信号以及需要在液晶显示器上显示量测数据的产品应用。在工作时，其内部的单片机会时刻检测高频电磁加热器自身的工作电流、外部电网电压、加热温度、IGBT管温度等参数，自动判断用户是否开机关机、显示当前功能状态，并根据以上采集和检测到的数据经单片机运算后由PWM端口输出相应的信号，控制加热器的功率输出模式和开关机，调节输出功率的大小，保持加热温度恒定，以确保加热器正常工作(详见第四章)。2.5 本章小结本章首先介绍感应加热中应用到的电磁感应定律与涡流、集肤效应、透入深度等，随后介绍了节能型嵌入式管道加热器的总体结构，其中主要包括主电源输入单元、低压供电单元、电网电压采样单元、电流采样单元、逆变单元、智能控制单元等。第3章 逆变电路单元的设计3.1 半桥谐振电路本高频电磁加热器系统的谐振电路采用半桥谐振电路，如图3-1所示，励磁线圈L1输出加热功率的元件，它是一个形状特殊的电感器，R为不锈铁内胆的电阻与励磁线圈等效电阻叠加后的等效电阻，在IGBT管高速且周期性的导通与截止状态下，励磁线圈L1与半桥电路的两个电容Cl、C2(ClC2)在各自的回路中形成谐振。在稳态工作下根据IGBT管，负载和电容上电流电压的波形，电路一个运行周期有以下四个阶段15：阶段一：两只IGBT(Tr1，Tr2)都关闭，电流经C1，L1，R，D1形成回路(Cl=C2)，此时Tr1上的电压为零，流过Tr2的电流为零。阶段二：开关管Tr1开通，负载中电压方向不变，电流反向经Tr1，L1，R，C2形成回路，Tr1开通时电压为零，减小了开关损耗，实现了零电压开通。阶段三：开关管Tr1关断，负载电压反向，电流通过D2续流，此时Tr2上的电压为零，流过Tr1的电流为零。阶段四：开关管Tr2开通，线圈中电流反向，Tr1在电压为零时开通，电流流经Tr1，L1，R，C2。图3-1 半桥谐振电路3.2 主控制器主控制器在加热器中是最基本的控制电路，在它的配合下，谐振回路才能正常工作。主控制器由同步电路、振荡电路、锯齿波发生电路等构成。开关电源电压和谐振电压在同步电路中相比较，可以检测出谐振电压回落到0电位的时刻，使主开关开通的时刻与主开关上谐振电压回落到0电位(或接近0电位)的时刻同步，以实现零电压开通，最大限度地减小开通损耗；由单片机输出的PWM通过锯齿波发生电路后产生调节控制信号，经驱动电路放大后调节IGBT的导通时间，由此调节加热器的电流或功率；脉宽调制器、驱动电路、LC谐振电路、IGBT管和电流采样单元构成了闭环调节系统，其调节对象是交流输入电流，从而使主电路的工作电流稳定。3.2.1 同步控制单元同步控制单元是高频电磁加热器中最关键的电路之一，IGBT管在导通时，其C极电压越低，IGBT管内部的损耗越小，反之则损耗越大。当IGBT管内部损耗超过规定的值时，IGBT管就会因内部发热严重而烧坏。在高频电磁加热器理想的工作状态下，IGBT管C极电压为零时开通IGBT，其内部损耗W=UI=0，但实际上在高频电磁加热器工作时，C极的电压不可能为0，所以只能取IGBT管C极最低的电压开通IGBT管使IGBT管的开关损耗最小。所以，同步信号就是IGBT管C极电压最低时的检测信号，也就是最佳的IGBT管导通时机。同步控制单元它由同步振荡和锯齿波产生电路两部分构成，主要作用是从LC振荡回路中取得同步信号，同时产生同步锯齿波，为IGBT管导通提供前级驱动波形。电路输出信号为锯齿波。具体电路结构如图32所示。同步信号由LM339比较器A产生，其信号取自LC振荡电路的谐振电容两端的分压。经电阻R1与R2分压后输入到比较器的负输入端为V-，电阻R3输入到比较器的正输入端分压为V+。高频电磁加热器在插电开机后，单片机PDl端口给同步电路一启动脉冲，使IGBT管启动导通。IGBT管导通后，由于励磁线圈电感的作用，这是V-分压大于V+分压，LM339比较器A输出低电平，经后续电路整形后IGBT管继续导通，当电感蓄能完毕后，V+稍大于V-分压，LM339比较器A翻转输出高电平，IGBT管截止，LC振荡回路产生振荡；当谐振放电结束时，再次出现V-分压大于V+分压的情况，LM339比较器A输出低电平，IGBT管再次导通，振荡电路完成一个工作循环。所以振荡回路在同步控制电路被触发启动后，只要不切断整个振荡电路的电源，那么整个振荡回路将一直工作下去。当谐振电容两端的电压是左负右正时，V+大于V-，LM339比较器A输出高电平。当电容谐振电容反向放电完毕，电容两端的电压是右负左正，即此时V-大于V+，LM339比较器A输出低电平，此时是IGBT管的C极最低点，也是IGBT管导通开启的最佳时刻。+5V开关电源通过R5给C2充电，谐振电容两端的电压由负值向0变化；放电完毕后，谐振电容两端的电压又开始充电，谐振电容两端的电压恢复左负右正，比较器发生翻转输出高电平，比较器输出端同时发生电压跳变，此后，电容C2上的电荷通过D1快速向电阻R4放电。如此产生一个振荡同步锯齿脉冲。如图3-2所示，PDl为单片机输出端口，该端口有以下作用：LC振荡回路工作正常后，LC并联谐振电路由同步控制电路自主控制工作。但自主振荡需要触发启动，也就是IGBT需要一个触发的信号，以使LC谐振回路获得初始振荡能量。在高频电磁加热器开机后，PDl口为输出端口，此时将会在LM339比较器A的14脚产生一个负脉冲，此负脉冲经过后续电路将形成IGBT初始触发脉冲。此触发脉冲的宽度不宜过大，一般为58。此脉冲过小则无法触发IGBT管， LC振荡回路无法启动，过大则可能会损坏IGBT管。图3-2 同步振荡和锯齿波产生电路3.2.2 PWM脉宽调控电路PWM脉宽调控单元是单片机对电磁加热器整个工作状态进行智能控制的唯一通道，电阻R1、电容Cl组成积分电路，电路结构如图3-3所示。图3-3 PWM脉冲调控电路其工作原理就是把单片机输出的不同占空比的方波脉冲转化成相应的直流电压，并以此电压数据直接作为IGBT管驱动电路的基准电压。实际上我们可以把PWM脉宽调控电路看成是一种很简单的数模转换电路22。因为PWM脉宽调控电路输出端的直流电压变化与输入端的方波脉冲宽度(占空比)有直接的关系，PWM脉冲宽度宽，C2上的积分电压越高，所以要改变输出端的直流电压时，只要改变输入方波的脉冲宽度(占空比)即可。R3是高电平上拉电阻，C2用来抑制高频干扰，C1用来平滑输出的直流电压。如图3-4所示，由锯齿波发生电路产生的锯齿波信号再加到LM339比较器B的负输入端，加到LM339比较器B的正输入端的是由单片机产生的PWM信图3-4 驱动电路的前级比较号经脉宽调制电路后输出的基准电压，此电压也称IGBT管导通时间控制电压，“+输入端和“”输入端通过LM339比较器B比较后，在LM339比较器B的输出端产生调节控制信号，该控制信号经驱动电路放大后，控制功率开关管IGBT工作。3.3 IGBT功率开关器件IGBT(Insulate Gate Bipolar Transistor) 绝缘栅双极型晶体管是一种新型的电力半导体器件。现已成为电力电子领域的新一代主流产品11。它是由MOSFET(功率场效应管)和GTR(大功率晶体管)的复合器件。它是电磁加热器主电路中最核心的器件。IGBT功率器件的结构上，是由成千上万个重复单元(即元胞)组成，并采用大规模集成电路技术和功率器件技术制造的一种大功率集成器件。IGBT既有MOSFET的输入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单、开关速度高、热温度性好的优点，又具有GTR的电流密度大、饱和压降低、电流处理能力强、阻断电压高的优点。所以IGBT功率器件的三大特点就是高压、大电流、高速。这是其它功率器件不能比拟的它是电力电子领域非常理想的开关器件15。考虑到本高频电磁加热器工作电压、电流、功率等参数的设置，同时为提高加热器的工作频率，降低开关损耗，本系统选用富士U系列第五代的IGBT模块2MBI75UA12018，富士U系列第五代的IGBT模块通过完善的设计降低了损耗，并实现了较高的环保效益。更重要的是，产品的功率周期寿命获得大大提升。由于采用了沟槽结构和FS(Field Stop电场截止)结构，因此导通切换速度快、饱和压降低。小于等于2.25V、小于等于1.2微秒。小于等于1.0微秒。小于等于0.3微秒。芯片导通切换的速度提高了40，损耗较之前的产品降低了20。而在芯片和DBC板之间通过采用高强度无铅焊料，与之前的产品比较，功率周期寿命可提升10倍。2MBI75UA-120模块等级为1200V，电流等级为75A。其内部结构如图3-5所示。图3-5 2MBI75UA-120的内部结构图3.4 IGBT驱动电路的设计3.4.1 驱动模块2SD106AI的特点为保证输出电路的高频率、高效率稳定可靠工作，采用集成IGBT驱动模块2SDl06AI20，它是瑞士CONCEPT公司生产的SCALE系列驱动模块之一，是驱动大功率IGBT和MOSFET专用模块，内部集成了短路和过流保护电路、欠压监测电路。该SCALE驱动板采用ASIC设计，仅用15V电源驱动，开关频率可大于100kHz，具有多功能、低成本、易使用、高可靠性和使用寿命长等特性。它有两个驱动输出通道，可以选择两种不同的工作模式，适合两个单管和图3-6 SCALE系列驱动模块内部结构半桥驱动，曾获得1998年度ABB优秀电力电子项目称号。SCALE系列驱动模块内部结构如图3-6所示，驱动器由3个功能单元组成8。第一个功能单元是逻辑与驱动电路接口(LDI)，用于驱动两个通道。当加在输入端INA和INB的PWM信号经过处理后，其驱动信息被分别送到每个驱动通道的脉冲变压器。因为PWM信号的频率和占空比变化较大，所以不能简单地通过变压器传送。为此，SCALE系列集成驱动器配备了LDI001逻辑驱动接口。第二个功能单元是智能栅极驱动器(IGD)，对应于每个驱动通道都有一个IGD。第三个功能单元是集成DC/DC变换器。所有标准的SCALE驱动器都有一个DC/DC变换器，以便为各个驱动通道提供工作电源。因此，该驱动器只需一个稳定的15V直流电源。各个单元的具体功能如下：1电子接口LDI001因为PWM信号的频率和占空比变化较大，所以不能简单地通过变压器传送。为此，SCALE驱动器配备了LDI001逻辑驱动接口。LDI001的结构如图3-7所示。图3-7 LDI001的结构图它具有以下功能：可为用户提供一个简单的接口，两个信号输入端都具有施密特触发器特性；与5V、15V的逻辑电平相匹配；产生半桥所需的死区时间；对PWM信号进行编码，以使其可通过脉冲变压器传送；识别脉冲编码器传送的编码信号并予以放大，以为用户提供一个准静态的状态信号。SCALE驱动器可不加任何元器件而直接与逻辑电路相连，也可通过较长的电缆相连。脉冲变压器负责驱动信号的隔离，同时可将来自每个通道的信息反馈给LDI。在这种情况下，为了获得较高的信噪比，应使用15V电平。同时，应通过外接的RC网络来获得所要求的死区时间。2智能栅极驱动器IGDSCALE驱动器的第二个功能单元IGD具有所有必需的智能驱动功能，如变压器接口、过载和短路保护、锁定时间逻辑、状态识别、对电源电压和输出级的监测等。IGD驱动器的内部结构框图如图3-8所示。该驱动器主要用于完成如下功能：接受来自脉冲变压器的脉冲信号，对从脉冲变压器接受的编码信号进行解码，并将其复原成PWM信号；对PWM信号进行放大，用功率放大后的PWM信号驱动IGBT；监测IGBT的过载和短路；欠压监测；产生响应和锁定时间；传输状态识别信号给LDI，接受LDI发出的状态信号。智能驱动块IGD所有的保护、监测功能(如过流、短路保护和欠压保护)都置于次级。这样在出现故障时，电路将立即被关闭并锁定。图3-8 IGD驱动器的内部结构框图SCALE驱动器的保护功能主要包括短路保护、过流保护以及电源监测。对于短路和过流保护来说，SCALE驱动器中的每一路都有一个监测电路。为关断阙值的参考电阻。在IGBT开通后的一段响应时间内，监测电路不起作用；而当出现异常后，锁定时间功能开始启动，并在锁定时间内使驱动器锁定IGBT，而不再接受输入信号。模块中的各路都具有自己的锁定功能，并均有各路的LGD001实现。一旦超过由设定的阙值，锁定功能将立即启动。SCALE系列集成驱动器中的每一路都具有一个欠压监测电路，当电源电压降至10V或1lV时，IGBT将执行负压关断并进行故障报警。SCALE驱动器工作过程为：当外部输入PWM信号后，由LDI进行