固态高频感应加热电源数字化控制技术的研究

感应加热电源具有效率高、绿色无污染、控制方式灵活和加热速度快等优点，在工业热处理领域中得到了广泛的应用。本文首先对感应加热的基本机理和特性，以及目前的主要功率调节方式进行了介绍。针对传统脉冲密度控制输出功率有级性以及输出负载电流断续的缺点，易导致锁相环电路无法可靠工作，提出了一种改进脉冲密度控制方法，并进行了深入的研究和分析，论文完成的主要工作如下：1.针对传统脉冲密度控制感应加热电源功率输出有级性的缺点，提出了一种改进脉冲密度控制方法。与均匀脉冲密度控制方法进行比较研究，详细分析了改进脉冲密度控制脉冲的产生机理和逆变电路换流过程，并采用有限状态机的方法产生功率开关器件的控制脉冲。结合Matlab和ModelSim联合仿真工具进一步验证了控制脉冲产生的合理性和有效性。2.针对脉冲密度控制在负载品质因数小于等于2时负载输出电流容易出现波动或者断续的问题，设计了一种改进的锁相环频率跟踪控制电路。引入了负载峰值电流检测和比较环节，并在锁相环电路中加入了采样保持器。相比传统锁相环控制电路进一步提高了逆变器对负载电流相位的跟踪捕捉性能，改善了功率开关器件在零电流和零电压状态时的开关特性。3.为了提高逆变电路输出功率的稳定性，设计了基于输出功率闭环的完整感应加热电源拓扑结构和详细的控制电路。由一个内嵌于FPGA内的查找表完成功率给定值和脉冲密度调制序列的匹配。通过加入三态滞环比较电路和预期算法模块，提高了负载输出功率实际值对参考值的跟踪速率。为了避免滞环反馈控制在两个调制序列之间重复振荡的问题，对输出功率进行平均化处理，进一步减小了输出电流纹波和电流偏置，克服了传统脉冲密度控制输出功率非线性和离散性的缺点。4.结合改进脉冲密度控制原理和仿真分析，研制了一台基于数字化控制技术的固态高频感应加热电源试验样机。功率开关器件控制脉冲产生、锁相环频率跟踪控制均由一片现场可编程门阵列（FPGA）芯片完成，实现了控制系统的数字化。同时通过试验与脉冲移相控制方法在开关损耗方面进行了对比分析，验证了改进脉冲密度控制方法的优势性。