遼寧科技大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 吳麗娟 李學(xué)松

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感應(yīng)加熱電源頻率跟蹤控制電路的設(shè)計(jì)

遼寧科技大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 吳麗娟 李學(xué)松

【摘要】感應(yīng)加熱電源運(yùn)行過程中由于負(fù)載的工作特性隨溫度變化，為了提高電能傳輸?shù)截?fù)載的效率，保證負(fù)載工作在串聯(lián)諧振狀態(tài)，需要實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的頻率跟蹤。通過對(duì)負(fù)載的頻率跟蹤有效地減少了功率開關(guān)器件的開關(guān)損耗，實(shí)現(xiàn)了零電壓開通。本文首先介紹了串聯(lián)諧振的感應(yīng)加熱電源的主電路結(jié)構(gòu)，采用IGBT作為功率開關(guān)器件。其次介紹了鎖相環(huán)電路，闡述了其結(jié)構(gòu)和工作原理。最后提出了基于SG3525的頻率跟蹤電路，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明此電路工作穩(wěn)定、可靠，現(xiàn)以投入到實(shí)際產(chǎn)品中。

【關(guān)鍵詞】感應(yīng)加熱電源；鎖相環(huán)；SG3525；頻率跟蹤；軟開關(guān)

引言

電磁感應(yīng)加熱電源在工作的過程中，輸入的電能經(jīng)過整個(gè)系統(tǒng)被轉(zhuǎn)化為負(fù)載中的熱能，隨著負(fù)載溫度的不斷升高，負(fù)載的電阻、電感參數(shù)不斷的變化，負(fù)載的工作頻率也在發(fā)生改變。為了使感應(yīng)加熱電源的逆變器輸出的功率因數(shù)接近于1，負(fù)載工作在串聯(lián)諧振狀態(tài)，功率開關(guān)器件IGBT的開關(guān)損耗降到最低，實(shí)現(xiàn)零電壓開通（Zero Voltage Switch）。功率開關(guān)器件控制電路的工作頻率需與負(fù)載的串聯(lián)諧振電路頻率一致。隨著感應(yīng)加熱頻率要求的不斷提高，對(duì)負(fù)載頻率跟蹤的準(zhǔn)確度和精度的要求也不斷提高。因此，鎖相環(huán)（PLL）技術(shù)越來越廣泛的應(yīng)用到感應(yīng)加熱電源的頻率跟蹤系統(tǒng)中。本文采用IGBT作為功率開關(guān)器件，設(shè)計(jì)了一種基于SG3525的頻率跟蹤電路，經(jīng)過實(shí)踐證明此電路工作穩(wěn)定，跟蹤頻率變化快速、準(zhǔn)確。

1 主電路結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)的感應(yīng)加熱電源逆變器輸出部分采用串聯(lián)諧振工作方式，輸入交流電壓通過三相橋式整流橋整流成帶有紋波的直流電壓，然后在通過高壓電容C1濾波后成為比較平穩(wěn)的直流電壓。直流電壓通過全橋IGBT逆變器逆變成交流電壓，最后經(jīng)過串聯(lián)諧振電路,電感線圈通過纏繞在負(fù)載上，通過電磁感應(yīng)進(jìn)行能量傳遞。

感應(yīng)加熱電源主電路的結(jié)構(gòu)如圖1所示，L為線圈的電感值，C2是串聯(lián)回路的諧振電容，TA1是串聯(lián)在諧振電路上的高頻電流互感器，將檢測(cè)到的高頻電流信號(hào)傳送給單片機(jī)控制電路，控制電路在控制驅(qū)動(dòng)電路從而改變柵極控制信號(hào)。當(dāng)濾波電容C1很大時(shí)，輸出的直流電壓變化比較平穩(wěn)，電容C1的充電電流連續(xù)的臨界點(diǎn)是C1RLw=,其中RL是電容C1右側(cè)的等效負(fù)載。但是當(dāng)C1RLw增大時(shí)，電路的基波因數(shù)、功率因數(shù)等都減小。因此在保證直流電壓平穩(wěn)、功率因數(shù)不太低、脈動(dòng)小的情況下，C1的電容值不應(yīng)取太大。C3、C4、C5、C6分別并聯(lián)在開關(guān)器件上，有效的改善了器件在開關(guān)過程中電壓波形的變化，實(shí)現(xiàn)開關(guān)器件的軟開關(guān)工作狀態(tài)，減小了開關(guān)損耗。

圖1　感應(yīng)加熱電源主電路結(jié)構(gòu)

當(dāng)忽略各次諧波時(shí)，直流側(cè)輸出的電壓的基波有效值約為：

其中，基波有效值Uo1約為：

2 鎖相環(huán)原理

相位同步自動(dòng)控制叫做鎖相，能完成兩個(gè)電信號(hào)相位同步的自動(dòng)控制閉環(huán)系統(tǒng)成為鎖相環(huán)。當(dāng)鎖相環(huán)進(jìn)入鎖相狀態(tài)時(shí)，它具有自動(dòng)捕捉信號(hào)的能力，在一定的電壓范圍內(nèi)壓控振蕩器能夠自動(dòng)無限接近不斷變化的輸入信號(hào)。當(dāng)輸入信號(hào)的頻率在鎖相環(huán)的頻率捕捉范圍內(nèi)變化時(shí)，鎖相環(huán)能夠捕捉到輸入信號(hào)的頻率，同時(shí)強(qiáng)迫壓控振蕩器鎖定在這個(gè)頻率上[2]。

鎖相環(huán)的結(jié)構(gòu)如下圖2所示，主要包括壓控振蕩器（VCO）、相位比較器（PC）和低通濾波器等部分構(gòu)成。

圖2　鎖相環(huán)原理框圖

鎖相環(huán)技術(shù)在感應(yīng)加熱電源的頻率跟蹤中應(yīng)用極為廣泛，頻率跟蹤電路的作用是使功率開關(guān)器件的開關(guān)頻率能夠?qū)崟r(shí)跟蹤諧振電路的諧振頻率，特別是當(dāng)溫度不斷變化或者其他因素引起的負(fù)載諧振頻率改變時(shí)。這樣才能提高電能的效率，達(dá)到最大輸出功率。感應(yīng)加熱電源的頻率跟蹤電路通常采用鎖相環(huán)集成電路CD4046構(gòu)成，而本文則采用基于SG3525設(shè)計(jì)的新型鎖相環(huán)電路。

3 基于SG3525的鎖相環(huán)電路設(shè)計(jì)

3.1 控制電路的組成

控制電路的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，由單片機(jī)給負(fù)載電流給定值，通過頻率調(diào)節(jié)電路給SG3525電壓信號(hào)，然后控制兩路PWM信號(hào)的頻率輸出，作用到功率開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)電路從而改變了主電路的負(fù)載電流頻率，從而使負(fù)載電流和給定的電流頻率和相位一致。當(dāng)負(fù)載溫度過高時(shí)或者電流過大時(shí)，保護(hù)電路可以給單片機(jī)一個(gè)報(bào)警信號(hào)，直接關(guān)斷SG3525的運(yùn)行。切斷PWM輸出信號(hào)，從而功率開關(guān)器件停止工作。單片機(jī)實(shí)時(shí)采樣頻率信號(hào)、電流信號(hào)、器件溫度，并且輸出到顯示界面。

圖3　控制電路結(jié)構(gòu)

3.2 頻率調(diào)節(jié)電路

如圖4所示，整個(gè)系統(tǒng)通電開始時(shí)，單片機(jī)發(fā)出一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，此時(shí)三極管Q1導(dǎo)通，此時(shí)R2與R3并聯(lián)，SG3525 的6腳外接電阻為R，此時(shí)SG3525輸出的兩路PWM信號(hào)頻率為f1。

穩(wěn)定后三極管Q1變?yōu)椴粚?dǎo)通，此時(shí)SG3525的6腳外接電阻為最大值，即為R2，由于5腳外接的時(shí)基電容和5腳、6腳之間連接的放電電阻不會(huì)改變，且SG3525的6腳電流大小不再改變，SG3525輸出以固定頻率的兩路互補(bǔ)的方波信號(hào)給驅(qū)動(dòng)電路，頻率為f2。

PWM輸出信號(hào)頻率從f1到f2的變化過程中，由于6腳外接電容C2，因此SG3525的6腳電流、電壓均勻地變化。于是主回路和負(fù)載開始工作，外接的電能轉(zhuǎn)化為負(fù)載的熱能。

其中：

隨著負(fù)載溫度的升高，負(fù)載的感性參數(shù)逐漸變大，而諧振電容固定不變，負(fù)載的諧振頻率開始升高。這時(shí)主回路電感線圈上的高頻霍爾電流互感器采集高頻電流信號(hào)，然后將高頻電流信號(hào)通過與上電時(shí)刻的初始電流信號(hào)進(jìn)行比較，當(dāng)采集的負(fù)載高頻電流頻率大于上一時(shí)刻的電流時(shí)，通過三極管基極輸入電流變大，從而使SG3525的6腳電流變大，PWM輸出方波的頻率變高，從而更加接近負(fù)載電流頻率。相反，當(dāng)采集的負(fù)載高頻電流小于上一時(shí)刻的電流時(shí)，通過三極管基極的輸入電流變小，從而使SG3525的6腳電流變小，PWM輸出方波的頻率變低，于是功率開關(guān)器件的頻率向負(fù)載工作頻率更加靠近。即實(shí)現(xiàn)了電流的閉環(huán)控制[3]。

圖5　互鎖電路

圖4　頻率調(diào)節(jié)電路

高頻電流信號(hào)采用SG3525作為頻率跟蹤電路的控制器，能夠更好的實(shí)現(xiàn)感應(yīng)加熱電源主回路與負(fù)載的諧振頻率保持一致，以改變輸出阻抗，實(shí)現(xiàn)最大功率的輸出。

3.3 互鎖電路

為了防止在同一時(shí)刻一橋臂的上下兩個(gè)開關(guān)器件同時(shí)導(dǎo)通，造成直流電壓短路，燒毀IGBT導(dǎo)致逆變失敗，兩路PWM輸出脈沖需要添加互鎖電路，來確保同一時(shí)刻一橋臂的上下兩個(gè)開關(guān)器件只有一個(gè)工作。互鎖電路如圖5所示。

SG3525的11腳和14腳的輸出信號(hào)先經(jīng)過反相器同時(shí)取反，然后11腳信號(hào)經(jīng)過一次取反的輸出信號(hào)和14腳經(jīng)過兩次取反的信號(hào)同時(shí)經(jīng)過與門，最終輸出和14腳同相的信號(hào)。同理另一個(gè)與門輸出和11腳同相的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了兩路信號(hào)的互鎖。最后兩路信號(hào)分別同時(shí)和SG3525的10腳相與并輸出，于是當(dāng)SG3525的10腳變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，關(guān)斷芯片，禁止兩路PWM信號(hào)的輸出。

3.4 驅(qū)動(dòng)電路

本設(shè)計(jì)中感應(yīng)加熱電源的功率開關(guān)器件是IGBT，由于IGBT的輸入為容性網(wǎng)絡(luò)，對(duì)器件驅(qū)動(dòng)時(shí)需要進(jìn)行充電、放電，來驅(qū)動(dòng)電荷負(fù)載。因此對(duì)IGBT驅(qū)動(dòng)的實(shí)質(zhì)就是利用驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生的脈沖信號(hào)對(duì)其柵極進(jìn)行充電、放電，并強(qiáng)迫其在規(guī)定的柵極電荷或柵極門檻電壓范圍內(nèi)，控制IGBT的開通、關(guān)斷狀態(tài)。驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示。

圖6　驅(qū)動(dòng)電路

采用光耦隔離驅(qū)動(dòng)電路，使PWM輸出信號(hào)經(jīng)光耦合器隔離傳輸?shù)街骰芈烽_關(guān)器件的柵極。驅(qū)動(dòng)電路與主回路開關(guān)器件隔離，可以有效減小信號(hào)干擾。當(dāng)PWM信號(hào)輸入高電平時(shí)，光耦器件導(dǎo)通，IGBT-G端輸出正電壓，IGBT器件導(dǎo)通；當(dāng)PWM信號(hào)輸入低電平時(shí)，光耦器件關(guān)斷，IGBT-G輸出負(fù)電壓，IGBT器件關(guān)斷。

4 實(shí)驗(yàn)波形

通過利用串聯(lián)諧振感應(yīng)加熱電源的原理，以及采用SG3525對(duì)感應(yīng)加熱電源負(fù)載實(shí)現(xiàn)的頻率跟蹤，成功研制了一臺(tái)30KW，20Khz的感應(yīng)加熱電源，通過它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)需要加熱的場合進(jìn)行加熱。

在沒有接通380V高壓電時(shí)，IGBT驅(qū)動(dòng)電路輸出兩個(gè)互補(bǔ)的PWM信號(hào)如圖7所示，兩路PWM信號(hào)的頻率為12.56Khz，嚴(yán)格互補(bǔ)，開啟電壓約為13V，關(guān)斷電壓約為-8V。

圖7　兩路PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)

將兩路信號(hào)中間放大，如圖8所示，兩路PWM脈沖信號(hào)之間留有一定的死區(qū)時(shí)間，即為一路PWM上升時(shí)間與另一路下降時(shí)間之和，約為2.4s，留有死區(qū)時(shí)間可以有效防止同一時(shí)刻IGBT的兩個(gè)開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通造成短路燒毀IGBT。

圖8　死區(qū)時(shí)刻波形

接通380V高壓電后，如圖9所示，CH1為一個(gè)開關(guān)管VT3的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)，CH2為開關(guān)管VT3的漏極和源極之間的電壓信號(hào)，幅值約為480V（衰減10倍后顯示為48V）。此時(shí)整個(gè)系統(tǒng)工作在諧振狀態(tài)，主回路諧振頻率和功率開關(guān)管開關(guān)頻率幾乎相等。說明此頻率跟蹤電路工作可靠。

圖9　功率開關(guān)管VT3輸入驅(qū)動(dòng)信號(hào)和輸出電壓信號(hào)波形

將兩路信號(hào)的中間放大，如圖10所示CH1柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)由低電平變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，即開通過程，功率開關(guān)管VT3的電壓為零，實(shí)現(xiàn)了零電壓開通（ZVS），即實(shí)現(xiàn)了軟開關(guān)。

圖10　零電壓開通（ZVS）波形圖

5 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)表明，基于SG3525的串聯(lián)諧振感應(yīng)加熱電源電路結(jié)構(gòu)簡單，工作運(yùn)行可靠，諧振回路電壓為標(biāo)準(zhǔn)的方波。電路實(shí)現(xiàn)了軟開關(guān)，開關(guān)損耗大大的減少。而且采用全橋逆變器可以獲得兩倍半橋逆變器的輸出功率，提高了輸入電源的效率。SG3525跟蹤負(fù)載回路諧振頻率迅速可靠。此感應(yīng)加熱電源可以放心的投入到生產(chǎn)當(dāng)中。

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吳麗娟, 女，研究生，教授，研究方向?yàn)閺?fù)雜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析與分散控制、機(jī)器人控制及路徑規(guī)劃、車組系統(tǒng)控制及組隊(duì)等。

李學(xué)松（通信作者），男，遼寧科技大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮娱_關(guān)電源、感應(yīng)加熱等。

作者簡介：