賈涵博等

【摘 要】本文根據(jù)電流型PWM控制芯片KA3525的特點，并利用三星單片機S3F9454的輔助控制功能，設計了一種高頻感應加熱電源電路，并可實現(xiàn)輸出功率可調。本文詳細介紹了它的功率調整電路、主電路、控制電路等，并描述了它們的實現(xiàn)原理與方法。

【關鍵詞】KA3525；三星單片機S3F9454；PWM；感應加熱電源

0.引言

在當今工業(yè)生產中，很多地方都要用到中小功率的感應加熱電源，例如對工件進行淬火、熔煉貴金屬等。這類電源大多為并聯(lián)諧振型電源，由電流源直接供電，通過直流側的控制電路實現(xiàn)功率調節(jié)，即通過調節(jié)整流晶閘管的移相觸發(fā)角來實現(xiàn)功率調節(jié)。這類電源在制作時需要消耗大量材料，入端功率因數(shù)低，包含比較大的平波電抗器，對電網也有較大的諧波干擾，效率低。因此，這類電源如今越來越不符合人們對具有高品質的感應加熱電源的要求。本文就這一問題，設計出了一種容易實現(xiàn)、高品質的中小功率感應加熱電源。

本文結合KA3525和三星單片機S3F9454的特點，研制出了一種基于KA3525并利用單片機輔助控制的高頻感應加熱電源。對高頻感應加熱電源的工作原理作了詳細分析，并對它的功率調整電路、主電路、控制電路等作了主要闡述。

1.感應加熱電源原理及總體結構

首先通過不控整流電路，將220V的交流電轉換為脈動直流，再經過電容濾波得到平直的直流電壓，然后通過高速V-MOS功率場效應管組成的橋式逆變電路，得到高頻方波交流電壓，利用變壓器隔離實現(xiàn)阻抗匹配，將高頻高壓電變?yōu)榈蛪捍箅娏鳎瑥亩鴮饘龠M行加熱。

系統(tǒng)主要由七個部分組成：

不控整流電路：本文采用不控整流將220V的交流電變?yōu)椴豢烧{的直流電。

濾波電路：逆變諧振一般采用電容濾波，這里為減小體積，采用了電感，為防止電流沖擊破壞電路，特在電路中設置了延遲環(huán)節(jié)。

橋式逆變電路：本文裝置頻率較高，必須采用高速V-MOS場效應管；由于單管電流容量受到限制，而場效應管具有易并聯(lián)的特點，因此在滿足耐壓的前提下，采用多管并聯(lián)方式來滿足輸出功率的要求。

高頻變壓器隔離：串聯(lián)諧振一般Q值較大，諧振時，電壓可達千伏以上，須采用變壓器隔離，同時變壓器還能起到阻抗匹配作用。在高頻條件下，一般選用高頻鐵氧體磁芯作為變壓器磁芯。

調控電路：控制電路、保護電路構成了調控電路的主體，負責調整控制感應加熱電源的輸出功率，而且使IGBT始終工作在準零電流開關狀態(tài)，提高整機的工作效率。

控制電源：將交流電壓轉換為VDD，18V和5V直流電。其中，VDD給風扇供電，18V電壓給IGBT驅動，5V電壓用于單片機、顯示板、信號采樣提供基準電壓等電路。本文設計采用VIPER12A構成的5V電源和18V電源。

2.PWM控制芯片KA3525簡介

隨著電子科學技術的發(fā)展，功率MOSFET越來越多的被應用于開關變換器中。為此，美國硅通用半導體公司推出了KA3525芯片，用來驅動n溝道功率MOSFET。KA3525是電流控制型PWM控制芯片，可在其脈寬比較器的輸入端直接用流過輸出電感線圈的信號與誤差放大器的輸出信號進行比較，來調節(jié)輸出占空比，使輸出的電感峰值電流隨誤差電壓變化而發(fā)生變化。內部結構上有電壓環(huán)和電流環(huán)雙環(huán)系統(tǒng)，大大提高了開關電源的電壓調整率、負載調整率和瞬態(tài)響應特性。KA3525脈寬調制控制器，不僅能夠控制調整死區(qū)時間，而且還有可編式軟起動，脈沖控制封鎖保護等功能。通過改變KA3525第5腳上的電容值和第6腳上的電阻值，可以改變輸出控制信號PWM波的頻率；改變第9腳COMP的電壓可改變輸出脈寬，這些功能大大改善開關電源的動態(tài)性能，簡化了控制電路的設計。

3.調控電路設計

逆變器的調功方式有很多，但所有的方式都有其自身的優(yōu)缺點，如逆變調功由于不用可控整流，控制電路大大簡化，但此時逆變的角度會隨著功率的改變而改變（PDM方式除外）。在大角度換流時，逆變管的損耗會很大，這樣的話，要想進一步提高功率和工作頻率，效果會不很理想。在PDM方式調功時，功率為有級調節(jié)。直流調功方法與移相調功方法相比，后者可以不用可控整流，這樣控制電路會大大簡化，而且輸出功率的速度比采用可控整流要快。但是此時的逆變角度會隨功率的改變而改變，頻率的跟蹤不易實現(xiàn)，負載不易保持在諧振頻率附近工作。

而且橋臂開關在工作的時候屬于硬開關狀態(tài)，在大角度換流時，逆變管的損耗很大，這樣的話對于進一步提高功率和工作頻率很不利。結合本文，選用脈沖頻率調制方式調功。同時選擇PWM控制芯片KA3525，使用該芯片可以簡化控制電路。KA3525具有可調整的死區(qū)時間控制、可編式軟啟動和脈沖控制封鎖保護等功能，這些功能均可以簡化整體電路。

調控電路框圖如圖三所示。系統(tǒng)由KA3525產生兩路反向方波來控制IGBT的導通與關閉，IGBT驅動采用由MOSFET構成圖騰柱輸出的直接推挽方式，增強了驅動能力。采用推挽式功率變換電路，由于開關電源中的兩個開關管交替工作，其輸出電壓波形對稱。開關電源在整個工作周期之內都向負載提供功率輸出，因此，輸出電流瞬間響應速度高、電壓輸出特性良好。

3.1啟動和關斷

軟啟動電容接入端接入一個4.7uF的軟啟動電容。當軟啟動電容充電至其上邊的電壓使得引腳8處于高電平時，KA3525開始工作。負載端反饋的電壓與單片機的控制輸出端19的輸出的信號通過比較器比較，并將結果送到KA3525的外部關斷信號輸入端10引腳。如果結果為高電平，芯片內部工作被關斷，11腳和14腳輸出的PWM驅動信號被關閉，主電路IGBT關斷，從而實現(xiàn)主電路的保護功能。

3.2調功和輸出

將單片機的功率調整信號輸出端13與Rt連接起來，即可通過單片機控制PWM波的頻率，從而對輸出功率進行調整。它的輸出級11、14引腳輸出兩路互補的PWM波，采用圖騰柱式結構，拉電流和灌電流最大可達400mA。

4.主電路結構及設計

逆變電路分為單相和三相兩大類。單相逆變電路采用橋式接法。主要有：單相半橋和單相全橋逆變電路。而三相電壓型逆變電路則是由三個單相逆變電路組成。這里我們采用單相半橋串聯(lián)諧振逆變電路。

KA3525的11腳和14腳輸出都采用圖騰柱輸出。但KA3525產生的驅動信號電壓較低，基本上在4-5V之間，不能驅動IGBT，所以要將這個電壓放大到18V，以便更好地驅動IGBT。本電路采用的是外加驅動隔離電路，使其經過推挽電路以及變壓器的放大，增強其驅動能力和電源的可靠性。

為了給交流側向直流側反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂都并聯(lián)了續(xù)流二極管D10，D11，D12，D13。

穩(wěn)壓管ZD2、ZD3、ZD4、ZD5并聯(lián)在輸出電路上，目的是使輸出維持一個穩(wěn)定的電壓。

末端采用推挽式功率變換電路。由于開關電源中的兩個開關管IGBT1和IGBT2交替工作，使得輸出電壓波形對稱。并且開關電源在整個工作周期之內都向負載提供功率輸出，因此，輸出電流瞬間響應速度高，電壓輸出特性好。兩個對稱的功率開關管每次只有一個導通，所以導通損耗小。推挽式變壓器開關電源是所有開關電源中電壓利用率最高的開關電源，即使在輸入電壓低的情況下，仍能維持較大功率輸出。

4.1電流檢測電路

互感器串聯(lián)在市電電路中，可將整個電路工作時電流的變化情況如實地轉換成交流電壓值。交流電壓通過由4個二極管組成的全波整流橋整流后，送入由R35、R37和C8組成的RC濾波器。再經R35和R37分壓，R3限流，電容C1濾波，送入CPU的17引腳，CPU通過判斷此點電壓來檢測電路中電流的變化情況，以達到調節(jié)實際功率、防止過流的目的。該電路又稱為電流反饋電路。整機若要正常工作，則該點電壓正常是滿足正常加熱的條件之一。

CPU根據(jù)檢測此電壓信號的變化情況來檢測電磁爐的輸入電流，從而自動做出各種動作：

（1）檢測到待加熱金屬后，會用1秒鐘的時間來檢測電流的變化，通過電流變化的差值，確定待加熱金屬的材質和尺寸。

（2）工作時，單片機時刻檢測電流的變化情況，根據(jù)檢測到的電壓和電流信號，自動調整PWM做功率恒定處理。

4.2電壓檢測電路

電壓信號取自電磁爐電源交流輸入端，交流信號由整流橋輸出的整流脈動電壓通過R34和R36分壓后傳到單片機的16引腳。

工作時，單片機時刻檢測電壓的變化，若電壓過高或過低（一般150V-250V電壓為正常），單片機將會發(fā)出保護的指令，停止加熱，并顯示代碼。電壓恢復正常后，加熱爐自動恢復，繼續(xù)工作。

5.電路整體設計

6.總結

本文通過對感應加熱電源原理及總體結構做簡單介紹，設計了一種采用電流型PWM控制芯片KA3525和三星單片機S3F9454控制實現(xiàn)輸出功率可調的高頻感應加熱電源電路，并對其調控電路和主電路的原理和實現(xiàn)作了詳細介紹，設計了相應的硬件電（下轉第227頁）（上接第222頁）路，具有簡單高效等特點。 [科]

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