超音頻感應加熱電源技術設計與應用

丁慶洪

（江蘇省江陰中等專業學校，江蘇 無錫 214433）

0 引 言

1970年光纖通信系統正式問世，經過多年的發展，光纖系統已經成為網絡體系建設的重要內容，我國逐步加強對光纖體系的建設。在光纖熱源的生產中，大功率超音頻感應加熱電源是重要組成部分，在生產過程中主要應用拓撲結構與并聯諧振的方式實現對產品的設計[1]。然而不同的系統設計對電源技術提出了更高的要求，在此背景下探究超音頻感應加熱電源技術的設計與應用具有重要的價值，可以促進光纖通信系統建設的可持續發展[2]。

1 并聯諧振逆變器的拓撲結構的設計

在并聯諧振逆變器的整體拓撲結構設計中，根據感應電流的設計方案，在斬波整流方案的設計基礎上，經過220 V的交流電熔斷以及空氣開關的處理，將電流傳遞到整流橋。之后經過單相整流橋的電壓輸出與電容器處理，形成高頻無功電流[3]。在逆變器的處理環節，電流通過IGBT二極管與濾波電容器的處理，形成續流回路，之后經過電容器的處理形成有感電容[4]。

在整流處理環節，經過對直流電的處理，斬波到逆變橋，之后經過IGBT模塊的處理將IGBT與二極管串聯，同時電容以及二極管構成的保護電路與原電路之間實現并聯。逆變器通過控制電路實現對脈沖信號的驅動管理和周期性管理，同時添加補償電容器，從而構建諧振回路[5]。在電路的設計中，串聯設計了電流互感器，經過整流處理后可以實現對功率的調節，并且在出現電路故障的情況下會切斷斬波電路，從而確保電源整體的安全性。

2 超音頻感應加熱電源系統整體設計

2.1 整體結構設計

在超音頻感應加熱電源的整體系統設計中，采用整流器電力二極管的控制模式，通過逆變器實現對IGBT并聯諧振的設計，且系統整體在弱溶性的狀態下工作[6]。感應加熱電源結構設計如圖1所示。

圖1 感應加熱電源結構設計

從圖1可以看出，在交流輸入的環境下，通過整流器的處理，之后經過濾波器和逆變器的處理來確定負載。此外，斬波器需要通過功率調節，負責實現對逆變器數據的調整。系統的整體結構包括交流輸入、整流器、斬波器、濾波器、逆變器、負載、電壓采樣、鎖相環、重疊區、驅動、保護電路以及功率調節等模塊。

2.2 電路原理設計

在感應加熱電源的整體電路設計中，IGBT的管子驅動方式可以實現對信號的采集，經過逆變控制器的處理獲取反饋信號，之后經過逆變橋的處理實現對系統的加熱和對諧振頻率的有效管理。在逆變控制電路的設計中，要實現對控制電路的跟蹤，且要在信號的處理與傳輸環節應用時間補償方式實現對脈沖信號的調節[7]。系統運行過程中會在電路上產生重疊的時間，經過調整可以實現對系統信號的控制。在系統剛開始運行階段，負載并未運行電壓，需要添加信號，在建立電壓后經過檢測會切換到激活狀態，之后經過低通濾波器、逆變器以及振蕩器等實現對系統的操控。系統控制結構如圖2所示。

圖2 逆變器整體控制結構

在鎖相閉環電路設計中，信號輸入后會經過相位比較器的處理，之后經過低通濾波器和壓控振蕩器的處理，實現對信號的輸出和反饋。鎖相閉環電路控制如圖3所示。

圖3 鎖相閉環電路控制

根據參數的變化對負載諧振頻率進行綜合設計，其相位傳遞函數為：

式中，K表示總增益，F(·)表示傳遞函數，s表示參數變量，k表示系數。在鎖相環結構設計中，采用信號跟隨器與穩壓管，型號選擇CD4046，在壓控振蕩器的處理中，負載諧振頻率受到多方面因素的影響，具體包括電容C1、電阻R1和R2。在僅R1運行工作時，系統壓控中心頻率最高；在R1和R2均運行時，系統中心頻率最小。其最低和最高頻率分別為：

其中，10 kΩ≤R1≤1 MΩ，R2＜1 MΩ，C1＞50 pF。經過中心頻率的處理，可以消除環路震蕩，確保系統的有效運行。在自激信號電路的設計中，通過諧振電壓同步信號的電路控制模式在零比較器的信號轉換基礎上應用變壓器采樣，之后經過去耦電容，在零比較器LM319的信號處理下形成同步信號。此外，二極管通過反并聯限制的方式實現對LM319的保護。

2.3 PWM集成控制器設計

集成控制器主要包括基準、振蕩器以及觸發器3種控制結構，本次電源設計中選擇通用公司生產的SG3524型號集成控制器[8-10]。應用MOS管作為變換器，系統在占空比50%的環境下可以實現調節，電流最大值可以達到200 mA。經過振蕩器與誤差放大器的處理后，正常工作電壓為5.1 V，溫度為0～70 ℃。在30 kHz斬波頻率工作環境下，振蕩器的頻率僅需要調節在15 kHz即可，具體計算公式為：

2.4 保護電路設計

在保護電路設計中，逆變器存在負載短路等狀況。為了實現對電路的過流保護，需要經過斬波驅動脈沖封鎖實現對電壓的控制，在降低電壓的基礎上將電流控制在系統可承受的范圍內，從而實現電流過流保護。

3 實驗驗證及結果分析

3.1 實驗結果

3.1.1 整機測試

在整機測試結果中，選擇40 A/1200 V整流橋，IGBT選擇600 V/27 A電路，同時選擇0.1 μF電容并聯和15 mH濾波電感。經過整機測試，發現PWM占空比和負載均逐漸增加。經過整流濾波處理后，電壓如果超過閾值，逆變器將會轉化為自激的發展模式。為了進一步驗證SG3525的工作可靠性，需要對電網進行擾動實驗，在電壓不變時，逆變器的諧振頻率有所降低。經過綜合測試，系統在1.5～4 V的工作環境下，在輸入150 V工作電壓時，輸出電壓為32～175 V。

3.1.2 逆變器和斬波電路實驗結果

在本次逆變器實驗中，通過調整掃頻范圍，設定系統中心頻率為30～70 kHz。在加入正弦波信號的情況下，可以確保與負載信號的同步。在閾值實驗環節，測試發現未建立負載時為低電平，當達到閾值后則為高電平。

在斬波控制器的調節環節，對SG3525進行測試。在1.4 V時，占空比達到8.3%；在2.8 V時，占空比達到64.8%；在1.4V時，占空比達到8.3%；在3.6 V時，占空比達到89.1%；在3.9 V時，占空比達到97.8%。經過綜合測試發現，系統具有較高的可行性和可操作性。

3.2 調試問題及改進

經過綜合測試，在實驗中發現存在放大器的處理、自激電路以及主電路等問題。在運算放大器的使用環節，當信號超過7 kHz時出現波峰下陷，之后經過頻率不斷增加才恢復正常，因而需要考慮運算放大器的頻率問題。另外在主電路設計中，散熱片之間存在絕緣問題，需要進一步加以完善。

4 結 論

在感應加熱環節，設計超音頻感應加熱電源技術，有利于提升系統的應用效果。基于此，論文主要探究超音頻感應加熱電源技術的設計。對系統拓撲結構、整體結構、電路原理、集成控制器以及保護電路展開綜合設計，之后對系統整體進行調試，驗證了系統的可行性和可靠性。同時進一步完善系統的調節問題，實現對系統的優化，提升了系統的整體性能。