姜翔文，馬俊清，徐秀平

（1.五邑大學 信息工程學院，廣東 江門529000；2.華南理工大學 電信學院，廣東 廣州510640）

0 引 言

感應加熱是相對于傳統(tǒng)電阻的電流熱效應加熱及火焰加熱的一種新型加熱方式，具有高效節(jié)能的特點［1］。感應加熱電源屬于非接觸式加熱，和電阻加熱相比減少了由于熱量的傳導而損失的能量，熱效率高。它是利用交變電磁場在鐵質(zhì)材料中產(chǎn)生的渦流進行加熱的，對溫度可以進行分段和局部控制。

1 半橋主電路拓撲及工作狀態(tài)

1.1 半橋串聯(lián)感應加熱拓撲

感應加熱電源采用市電220 V交流輸入，半橋串聯(lián)諧振。電路拓撲如圖1所示，采用了交－直－交變頻工作原理。市電輸入后經(jīng)過整流濾波變?yōu)?00 V左右的直流電，經(jīng)過逆變電路，輸出高頻交流電，整流部分采用不可控整流。工作過程如下：當S1導通時，直流母線電流流經(jīng)S1、電感L和C2。當S2導通時，直流母線電流流經(jīng)C1、電感L和S2。通過LC串聯(lián)諧振，產(chǎn)生高頻正弦交流電，交變的電流產(chǎn)生交變的磁場，在負載中產(chǎn)生交變電流，產(chǎn)生熱量。

圖1 半橋串聯(lián)感應加熱電源拓撲

1.2 半橋感應加熱的三種工作狀態(tài)

半橋感應加熱有三種工作狀態(tài)，即阻性狀態(tài)、感性狀態(tài)和容性狀態(tài)。

（1）阻性狀態(tài)。逆變器的工作頻率等于諧振回路的諧振頻率，IGBT可以實現(xiàn)零電流開通和關斷。此時電路等效電阻最小。但是電路容易滑向容性工作狀態(tài)，其工作波形如圖2（a）所示。

（2）感性狀態(tài)。其工作波形如圖2（b）所示，電壓超前電流一個角度。首先D1續(xù)流，電流過零時，給S1導通信號使S1零電流開通，S1導通一段時間后，給S2驅(qū)動信號，但是電感電流不能突變，D2經(jīng)行續(xù)流，當電感電流降到0時，S2才有電流流過。可見負載電流由續(xù)流二極管向功率管換流發(fā)生在同一橋臂上，不存在續(xù)流管反向截止問題引起的上下橋臂直通問題。

（3）容性狀態(tài)。其工作波形如圖2（c）所示，電流超前電壓一個角度。首先D2續(xù)流，給S1開通信號，使S1導通，D2反向截止。如果D2反向恢復時間慢，容易引起上下橋臂直通。所以應該避免工作在容性狀態(tài)。

圖2 半橋感應加熱的三種工作狀態(tài)

2 總體設計方案

總體電路如圖3所示，它是由軟啟動電路、74HC4046AD鎖相電路、電流整形電路、相位補償電路、同步脈沖提取電路和SG3525驅(qū)動電路組成。其中軟啟動電路是由C3、R5和D1組成。工作過程如下：霍爾采樣負載電流，經(jīng)過波形變換后得到方波信號送入74HC4046AD的14腳，4腳輸出信號經(jīng)過相位補償電路送入3腳。在74HC4046AD內(nèi)部，經(jīng)過相位比較器產(chǎn)生相位差信號。根據(jù)相位差信號控制4腳方波的輸出頻率，4腳信號經(jīng)過同步提取電路產(chǎn)生同步脈沖，控制SG3525的PWM波的輸出頻率。

圖3 總體設計圖

3 鎖相環(huán)電路的設計

3.1 74HC4046AD電路設計

74HC4046AD鎖相器由3部分組成，即鑒相器、低通濾波器和壓控振蕩器（VCO）。鑒相器用于將信號相位差轉(zhuǎn)化為相位差電平，該電平經(jīng)過低通濾波器后，輸入到壓控振蕩器輸入端來控制輸出頻率。74HC4046AD有三個鑒相器，鑒相器I、鑒相器II和鑒相器Ⅲ。14腳和3腳的輸入信號送入鑒相器中，如果14腳信號超前3腳信號，13腳輸出高電平。如果14腳信號滯后3腳信號，13腳輸出低電平。如果兩腳信號相位差為0，13腳輸出高阻態(tài)。不論14腳和3腳間相位是超前還是滯后，只要有相位差，1腳就輸出低電平。鑒相器I對輸入信號占空比有要求，均為50%，所以選擇對占空比沒有要求的鑒相器II。

它激過程如下：上電后電容C3電壓不能突變，電容兩端電壓為0［2］。9腳輸入電壓為5 V，這時壓控振蕩器輸出最高頻率。5 V電源通過RC回路對電容C3充電，9腳電壓慢慢下降，壓控振蕩器輸出頻率降低，直到壓控振蕩器輸出方波頻率是諧振頻率后，二極管D1反向截止。鎖相電路進入自激狀態(tài)，9腳電壓會跟蹤負載變化，使輸出頻率跟隨負載頻率變化。C1、R1、R2用來設置壓控振蕩器的鎖相頻率范圍。調(diào)整C1、R2的大小確定鎖相環(huán)輸出的最低頻率，再確定R1的大小，使鎖相環(huán)輸出的中心頻率和最高頻率達到要求［3］。這里取C1＝33 pF，R1＝7.5 kΩ，R2＝100 kΩ。

3.2 低通濾波器

式中，Kd表示鑒相器增益 Kd＝Ucc/（4π）（V/r），Ucc表示74HC4046AD的供電電壓；F（s）表示無源比例積分濾波器傳遞函數(shù)，在圖3中，它是由R3、R4、C2組成的，其傳遞函數(shù)為

式中，τ1＝R3C2，τ2＝R4C2表示壓控振蕩器增益；Kv＝2π×2fL/UVCOrange（r/s/V）。UVCOrange＝ （4.1－0.9）V，2fL＝Umax－Umin，Umax表示壓控振蕩器最大輸出頻率時壓控振蕩器的輸入電壓。Umin表示壓控振蕩器輸出最低頻率時壓控振蕩器的輸入電壓。圖4中系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為［4］

這是一個二階系統(tǒng)，系統(tǒng)特征方程是

圖4 鎖相環(huán)系統(tǒng)框圖

4 同步信號提取電路和驅(qū)動電路

圖5為同步信號提取電路。如果SG3525的PWM頻率是f，那么同步端頻率必須是2f，可以提取同步方波的上升沿和下降沿來實現(xiàn)。74HC4046AD的4腳輸出信號經(jīng)過圖7所示電路后產(chǎn)生窄脈沖同步信號，其中可以通過RC延時電路來設置同步信號的脈寬。

圖5 同步信號提取電路

SG3525內(nèi)部結構圖如圖6所示。它是由振蕩器、PWM比較器、誤差放大器、欠壓鎖定電路、基準電壓源和輸出驅(qū)動等組成。其突出特點：

圖6 SG3525內(nèi)部結構

（1）SG3525的振蕩頻率為fosc＝1/CT（0.7RT＋3RD）其中CT是5腳外接振蕩電容，RT是6腳外接振蕩電阻，RD跨接5腳和7腳間，用來控制驅(qū)動的死區(qū)時間［5］。

（2）SG3525具有軟啟動、外部同步和外部關斷功能。SG3525產(chǎn)生IGBT的驅(qū)動脈沖，PWM發(fā)生電路如圖7所示。少

圖7 PWM發(fā)生電路

在沒有外部同步信號輸入時，SG3525按照數(shù)據(jù)手冊中CT和RT設定的值，輸出對應頻率的驅(qū)動方波。當有外部同步信號，并且同步信號的頻率高于CT和RT的設定頻率時，同步信號有效。此外要求同步脈沖寬度小于200 ns［6］。所以在沒有同步信號輸入時，可以把頻率設定的低一些，這樣可以在較大范圍內(nèi)跟蹤同步信號。

5 實驗結果

本文用上述方案設計了一臺2.5 kW/20 kHz感應加熱電源，對注塑機料筒經(jīng)行加熱試驗。從圖8中可以看到同步信號提取電路可以完全提取74HC4046AD的4腳方波的上升沿和下降沿，同步脈沖頻率是2倍方波信號。圖9是由SG3525根據(jù)同步信號產(chǎn)生的PWM驅(qū)動信號，其頻率是同步信號的一半。根據(jù)圖10可以看出，IGBT是工作在零電流開關狀態(tài)。試驗結果符合設計要求。

圖8 74HC4046的4腳波形和SG3525的3腳波形

圖9 SG3525的3腳波形和SG3525的PWM輸出

圖10 S1和S2的驅(qū)動、S2漏源極電壓和負載電流波形

6 結束語

通過2.5 kW/20 kHz感應加熱樣機實驗結果可以看出，負載電流是正弦波，IGBT滿足零電流開關，減少了IGBT開關損耗。該方案解決了負載變化引起的鎖相頻率變化問題，對全橋感應加熱電源的設計有一定的指導意義。

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