感應加熱電源頻率跟蹤控制電路的設計

遼寧科技大學電子與信息工程學院 吳麗娟 李學松

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感應加熱電源頻率跟蹤控制電路的設計

遼寧科技大學電子與信息工程學院 吳麗娟 李學松

【摘要】感應加熱電源運行過程中由于負載的工作特性隨溫度變化，為了提高電能傳輸到負載的效率，保證負載工作在串聯諧振狀態，需要實現對負載的頻率跟蹤。通過對負載的頻率跟蹤有效地減少了功率開關器件的開關損耗，實現了零電壓開通。本文首先介紹了串聯諧振的感應加熱電源的主電路結構，采用IGBT作為功率開關器件。其次介紹了鎖相環電路，闡述了其結構和工作原理。最后提出了基于SG3525的頻率跟蹤電路，經過實驗證明此電路工作穩定、可靠，現以投入到實際產品中。

【關鍵詞】感應加熱電源；鎖相環；SG3525；頻率跟蹤；軟開關

引言

電磁感應加熱電源在工作的過程中，輸入的電能經過整個系統被轉化為負載中的熱能，隨著負載溫度的不斷升高，負載的電阻、電感參數不斷的變化，負載的工作頻率也在發生改變。為了使感應加熱電源的逆變器輸出的功率因數接近于1，負載工作在串聯諧振狀態，功率開關器件IGBT的開關損耗降到最低，實現零電壓開通（Zero Voltage Switch）。功率開關器件控制電路的工作頻率需與負載的串聯諧振電路頻率一致。隨著感應加熱頻率要求的不斷提高，對負載頻率跟蹤的準確度和精度的要求也不斷提高。因此，鎖相環（PLL）技術越來越廣泛的應用到感應加熱電源的頻率跟蹤系統中。本文采用IGBT作為功率開關器件，設計了一種基于SG3525的頻率跟蹤電路，經過實踐證明此電路工作穩定，跟蹤頻率變化快速、準確。

1 主電路結構

本設計的感應加熱電源逆變器輸出部分采用串聯諧振工作方式，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，最后經過串聯諧振電路,電感線圈通過纏繞在負載上，通過電磁感應進行能量傳遞。

感應加熱電源主電路的結構如圖1所示，L為線圈的電感值，C2是串聯回路的諧振電容，TA1是串聯在諧振電路上的高頻電流互感器，將檢測到的高頻電流信號傳送給單片機控制電路，控制電路在控制驅動電路從而改變柵極控制信號。當濾波電容C1很大時，輸出的直流電壓變化比較平穩，電容C1的充電電流連續的臨界點是C1RLw=,其中RL是電容C1右側的等效負載。但是當C1RLw增大時，電路的基波因數、功率因數等都減小。因此在保證直流電壓平穩、功率因數不太低、脈動小的情況下，C1的電容值不應取太大。C3、C4、C5、C6分別并聯在開關器件上，有效的改善了器件在開關過程中電壓波形的變化，實現開關器件的軟開關工作狀態，減小了開關損耗。

圖1　感應加熱電源主電路結構

當忽略各次諧波時，直流側輸出的電壓的基波有效值約為：

其中，基波有效值Uo1約為：

2 鎖相環原理

相位同步自動控制叫做鎖相，能完成兩個電信號相位同步的自動控制閉環系統成為鎖相環。當鎖相環進入鎖相狀態時，它具有自動捕捉信號的能力，在一定的電壓范圍內壓控振蕩器能夠自動無限接近不斷變化的輸入信號。當輸入信號的頻率在鎖相環的頻率捕捉范圍內變化時，鎖相環能夠捕捉到輸入信號的頻率，同時強迫壓控振蕩器鎖定在這個頻率上[2]。

鎖相環的結構如下圖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成。

圖2　鎖相環原理框圖

鎖相環技術在感應加熱電源的頻率跟蹤中應用極為廣泛，頻率跟蹤電路的作用是使功率開關器件的開關頻率能夠實時跟蹤諧振電路的諧振頻率，特別是當溫度不斷變化或者其他因素引起的負載諧振頻率改變時。這樣才能提高電能的效率，達到最大輸出功率。感應加熱電源的頻率跟蹤電路通常采用鎖相環集成電路CD4046構成，而本文則采用基于SG3525設計的新型鎖相環電路。

3 基于SG3525的鎖相環電路設計

3.1 控制電路的組成

控制電路的結構框圖如圖3所示，由單片機給負載電流給定值，通過頻率調節電路給SG3525電壓信號，然后控制兩路PWM信號的頻率輸出，作用到功率開關器件的驅動電路從而改變了主電路的負載電流頻率，從而使負載電流和給定的電流頻率和相位一致。當負載溫度過高時或者電流過大時，保護電路可以給單片機一個報警信號，直接關斷SG3525的運行。切斷PWM輸出信號，從而功率開關器件停止工作。單片機實時采樣頻率信號、電流信號、器件溫度，并且輸出到顯示界面。

圖3　控制電路結構

3.2 頻率調節電路

如圖4所示，整個系統通電開始時，單片機發出一個觸發信號，此時三極管Q1導通，此時R2與R3并聯，SG3525 的6腳外接電阻為R，此時SG3525輸出的兩路PWM信號頻率為f1。

穩定后三極管Q1變為不導通，此時SG3525的6腳外接電阻為最大值，即為R2，由于5腳外接的時基電容和5腳、6腳之間連接的放電電阻不會改變，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的方波信號給驅動電路，頻率為f2。

PWM輸出信號頻率從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。于是主回路和負載開始工作，外接的電能轉化為負載的熱能。

其中：

隨著負載溫度的升高，負載的感性參數逐漸變大，而諧振電容固定不變，負載的諧振頻率開始升高。這時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，然后將高頻電流信號通過與上電時刻的初始電流信號進行比較，當采集的負載高頻電流頻率大于上一時刻的電流時，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，從而更加接近負載電流頻率。相反，當采集的負載高頻電流小于上一時刻的電流時，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，于是功率開關器件的頻率向負載工作頻率更加靠近。即實現了電流的閉環控制[3]。

圖5　互鎖電路

圖4　頻率調節電路

高頻電流信號采用SG3525作為頻率跟蹤電路的控制器，能夠更好的實現感應加熱電源主回路與負載的諧振頻率保持一致，以改變輸出阻抗，實現最大功率的輸出。

3.3 互鎖電路

為了防止在同一時刻一橋臂的上下兩個開關器件同時導通，造成直流電壓短路，燒毀IGBT導致逆變失敗，兩路PWM輸出脈沖需要添加互鎖電路，來確保同一時刻一橋臂的上下兩個開關器件只有一個工作。互鎖電路如圖5所示。

SG3525的11腳和14腳的輸出信號先經過反相器同時取反，然后11腳信號經過一次取反的輸出信號和14腳經過兩次取反的信號同時經過與門，最終輸出和14腳同相的信號。同理另一個與門輸出和11腳同相的信號，實現了兩路信號的互鎖。最后兩路信號分別同時和SG3525的10腳相與并輸出，于是當SG3525的10腳變為高電平時，關斷芯片，禁止兩路PWM信號的輸出。

3.4 驅動電路

本設計中感應加熱電源的功率開關器件是IGBT，由于IGBT的輸入為容性網絡，對器件驅動時需要進行充電、放電，來驅動電荷負載。因此對IGBT驅動的實質就是利用驅動電路產生的脈沖信號對其柵極進行充電、放電，并強迫其在規定的柵極電荷或柵極門檻電壓范圍內，控制IGBT的開通、關斷狀態。驅動電路如圖6所示。

圖6　驅動電路

采用光耦隔離驅動電路，使PWM輸出信號經光耦合器隔離傳輸到主回路開關器件的柵極。驅動電路與主回路開關器件隔離，可以有效減小信號干擾。當PWM信號輸入高電平時，光耦器件導通，IGBT-G端輸出正電壓，IGBT器件導通；當PWM信號輸入低電平時，光耦器件關斷，IGBT-G輸出負電壓，IGBT器件關斷。

4 實驗波形

通過利用串聯諧振感應加熱電源的原理，以及采用SG3525對感應加熱電源負載實現的頻率跟蹤，成功研制了一臺30KW，20Khz的感應加熱電源，通過它可以實現對需要加熱的場合進行加熱。

在沒有接通380V高壓電時，IGBT驅動電路輸出兩個互補的PWM信號如圖7所示，兩路PWM信號的頻率為12.56Khz，嚴格互補，開啟電壓約為13V，關斷電壓約為-8V。

圖7　兩路PWM驅動信號

將兩路信號中間放大，如圖8所示，兩路PWM脈沖信號之間留有一定的死區時間，即為一路PWM上升時間與另一路下降時間之和，約為2.4s，留有死區時間可以有效防止同一時刻IGBT的兩個開關管同時導通造成短路燒毀IGBT。

圖8　死區時刻波形

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

圖9　功率開關管VT3輸入驅動信號和輸出電壓信號波形

將兩路信號的中間放大，如圖10所示CH1柵極驅動信號由低電平變為高電平時，即開通過程，功率開關管VT3的電壓為零，實現了零電壓開通（ZVS），即實現了軟開關。

圖10　零電壓開通（ZVS）波形圖

5 結論

實驗表明，基于SG3525的串聯諧振感應加熱電源電路結構簡單，工作運行可靠，諧振回路電壓為標準的方波。電路實現了軟開關，開關損耗大大的減少。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跟蹤負載回路諧振頻率迅速可靠。此感應加熱電源可以放心的投入到生產當中。

參考文獻

[1]王兆安,劉進軍主編.電力電子技術(第5版)[M].北京:機械工業出版社,2009.07.

[2]李定宣,丁增敏編著.現代高頻感應加熱電源工程設計與應用[M].北京:中國電力出版社,2010.09.

[3]李春卉,周京京,付蘭芳.感應加熱電源中頻率跟蹤控制電路的設計與分析[J].電源技術應用,2011(12).

吳麗娟, 女，研究生，教授，研究方向為復雜系統結構分析與分散控制、機器人控制及路徑規劃、車組系統控制及組隊等。

李學松（通信作者），男，遼寧科技大學碩士研究生，研究方向為電力電子開關電源、感應加熱等。

作者簡介：