基于FPGA的小功率感应加热逆变电源的研究

摘要

感应加热技术,近些年来成为现代加热技术中的新兴力量,尤其是感应加热电源这一重要应用在工业生产和实际生活中发挥了巨大作用。小功率级感应加热逆变电源的控制主要包括拓扑电路的改进与输出功率的调节,单一的传统调功方法满足不了现代社会对高效、节能、数字化的要求,这使得电源控制技术向着高效率、智能化方向发展。本文围绕着感应加热电源在小功率级水平的输出功率的控制展开了技术研究。
　　首先,介绍了感应加热特点、逆变电源的发展现状及其总体结构图。半桥逆变器具有结构简单、鲁棒性好、电磁辐射低等特点,适合于小功率级电源。在传统的半桥逆变器基础上,提出了多分支负载的改进型半桥逆变拓扑结构。以半桥串联谐振感应加热逆变电源为研究对象,对感应加热电源的功率控制方式作了具体的分析与介绍,并选取了非对称脉冲宽度控制方式作为电源的调功方式。
　　其次,重点分析了改进型半桥串联谐振逆变器的运行模态和系统典型波形,并应用Matlab/simulink仿真环境对此系统进行建模与仿真实验,结合仿真结果进行对比分析,验证了工作模态分析的合理性。本文使得逆变器的零电压软开关得以实现,降低了损耗,但是半桥逆变器的效率仍然需要进一步验证。因此,本文在第四章确定了缓冲电容和开关死区时间,进一步对逆变器的一个运行周期内功率器件的损耗(导通损耗和关断损耗)进行分析计算。
　　最后,对电源的数字化方向进行设计。随着加热工艺的进行,感应负载的电路参数发生变化,谐振频率随之改变,因此设计数字锁相环(Digital Phased-locked Loop,简称DPLL)使开关频率能够实时跟踪负载谐振频率。系统的功率调节以Altera FPGA(Field Programmable Gate Array,简称FPGA)为平台、Verilog HDL(Hardware Description Language)硬件语言来完成,实现对开关器件驱动脉冲占空比和开关频率的控制,其主要优点是FPGA的灵活性很强,具备模块化设计且可重构,设计周期短等等。

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第一章 绪论

1.1 感应加热技术基础概述

1.2 感应加热电源逆变技术的发展现状和前景

1.3 本课题主要完成的工作

第二章 感应加热电源系统的结构与调功分析

2.1 感应加热电源的总体结构

2.2 感应负载系统的特性分析

2.3 调功方式分析

2.4 本章小结

第三章 改进型半桥串联谐振逆变器的研究

3.1 改进型半桥串联谐振逆变拓扑分析

3.2 电路仿真与分析

3.3 本章小结

第四章 半桥逆变器的开关损耗分析

4.1 功率器件IGBT的特性

4.2 软开关技术

4.3 半桥逆变器中相关参数的确定

4.4 效率分析

4.5 本章小结

第五章 逆变电源控制系统的数字化设计

5.1 数字控制系统概述

5.2 频率调控设计

5.3 功率调节的FPGA设计

5.4 其他电路设计

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢