IGBT半橋串聯(lián)諧振型感應(yīng)加熱電源調(diào)頻調(diào)功技術(shù)研究

陳 建

（承德石油高等?？茖W(xué)校 電氣與電子系，河北 承德 067000）

1 引言

現(xiàn)階段市場上加熱型設(shè)備所用的加熱方式普遍為電熱圈發(fā)熱，通過接觸傳導(dǎo)方式把熱量傳到被加熱體上，存在加熱速度慢、熱傳導(dǎo)損失、無法滿足一些溫度需要較高的場合等缺點(diǎn)。電磁感應(yīng)加熱技術(shù)是利用金屬被加熱體在交變磁場中產(chǎn)生的渦流進(jìn)行加熱，使得被加熱體快速發(fā)熱，并且可以根據(jù)實(shí)際情況在加熱體外部包裹一定的隔熱保溫材料，以減少熱量的散失，從而提高熱效率。該方法具有易實(shí)現(xiàn)自動控制、熱效率高、節(jié)電效果顯著等優(yōu)點(diǎn)。

感應(yīng)加熱電源常用的功率調(diào)節(jié)方式有兩種：調(diào)壓調(diào)功方式和調(diào)頻調(diào)功方式[1]。本設(shè)計(jì)中采用調(diào)頻調(diào)功方式，這種調(diào)功方式簡單，可對電路的工作頻率直接調(diào)整，連續(xù)調(diào)節(jié)功率，不需要調(diào)壓環(huán)節(jié)，控制簡單。因此提出了一種單片機(jī)S3F9454和SG3525相結(jié)合的調(diào)頻調(diào)功控制方案，既減少了逆變器的開關(guān)損耗，又確保了主電路安全可靠的工作。

2 主電路工作原理

圖1 半橋諧振型感應(yīng)加熱電源主電路

本文所述的電磁感應(yīng)加熱電源采用半橋串聯(lián)諧振型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主電路如圖1所示。電磁感應(yīng)加熱電源將220V工頻交流電整流、濾波、逆變成18～30KHz的高頻交流電，通過連接線連接到電磁加熱線圈上，高頻交流電透過保溫材料作用于金屬被加熱體，使金屬自身發(fā)熱。

圖2 開關(guān)管S1驅(qū)動電壓、負(fù)載電流波形

在半橋諧振型感應(yīng)加熱電源電路中，一個(gè)周期可以分為6個(gè)工作模態(tài)，由于前一半開關(guān)周期和后一半開關(guān)周期的電路工作過程完全對稱，所以只分析前一半開關(guān)周期中的電路模態(tài)。圖2為逆變電路工作在弱感性狀態(tài)下開關(guān)管S1驅(qū)動電壓、負(fù)載電流的波形。

在IGBT開關(guān)管被觸發(fā)前，C2、C3已被充電到1/2Ud。下面進(jìn)行電路的工作狀態(tài)分析：

第一個(gè)開關(guān)模態(tài)。t0～t1時(shí)段：S1開通，C2經(jīng)S1向Lr放電，直到t1時(shí)刻，C2放電完畢，即Uc2=0，此時(shí)流經(jīng)Lr的電流達(dá)到諧振峰值。同時(shí)，Ud經(jīng)Lr向C3充電，Uc3逐漸增大至Ud時(shí)，Ud不再繼續(xù)向C3充電。

圖3 (t0～t1)時(shí)段主電路導(dǎo)通示意圖

第二個(gè)開關(guān)模態(tài)。t1～t2時(shí)段：Lr向C2開始反向充電，同時(shí)也向C3充電，直到t2時(shí)刻，iLr將降為零，S1關(guān)斷，此時(shí)，Uc2＜0，Uc3＞Ud。

圖4 (t1～t2)時(shí)段主電路導(dǎo)通示意圖

第三個(gè)開關(guān)模態(tài)。t2～t3時(shí)段：S1關(guān)斷，Lr通過D2續(xù)流，直到t3時(shí)刻，iLr下降至零，Uc3=1/2Ud。

圖5 (t2～t3)時(shí)段主電路導(dǎo)通示意圖

控制S1和S2在電流過零關(guān)斷，可實(shí)現(xiàn)負(fù)載諧振，而這種狀態(tài)是理想的。但在實(shí)際工作中，由于負(fù)載受環(huán)境變化等眾多因素的影響，負(fù)載固有諧振頻率會不斷變化，逆變器容易偏離到容性狀態(tài)，可能會因續(xù)流二極管反向電流的存在而引起上下橋臂的直通，導(dǎo)致開關(guān)管的燒毀。因此，逆變器需工作在弱感性狀態(tài)下，才能保證器件的可靠開通與關(guān)斷，而且大大減小了開關(guān)損耗。

3 控制電路設(shè)計(jì)

3.1 控制原理

本設(shè)計(jì)中采用調(diào)頻調(diào)功方式，其控制原理為：采用IGBT的逆變電路，逆變電路可工作在任何開關(guān)頻率情況下，在負(fù)載R、L、C一定的情況下，輸出阻抗Z隨逆變電路開關(guān)頻率f的變化而變化，輸出功率P也發(fā)生相應(yīng)變化。當(dāng)逆變電路的開關(guān)頻率等于負(fù)載固有諧振頻率時(shí)，輸出功率P最大，輸出功率P隨逆變電路的開關(guān)頻率f變化的特性如圖6所示。半橋串聯(lián)諧振電路的等效電路如圖7所示。

圖6 輸出功率隨開關(guān)頻率變化特性圖

圖7 半橋串聯(lián)諧振電路的等效電路

3.1.1 諧振頻率的計(jì)算：

3.1.2 輸出功率的計(jì)算：

當(dāng)發(fā)生串聯(lián)諧振時(shí)：

控制電路采用功率閉環(huán)控制，正常工作時(shí)，系統(tǒng)能自動按照設(shè)定的功率實(shí)現(xiàn)恒功率的輸出，通過改變功率設(shè)定值來調(diào)節(jié)功率的輸出。當(dāng)實(shí)際輸出功率小于功率設(shè)定值時(shí)，數(shù)字PI調(diào)節(jié)器輸出電壓增加，單片機(jī)管腳13輸出的PWM脈沖信號的占空比增加，流過SG3525 管腳6的電流減小，SG3525輸出的PWM脈沖信號的頻率減小，功率增大；反之, 當(dāng)實(shí)際輸出功率大于功率設(shè)定值時(shí)，數(shù)字PI調(diào)節(jié)器輸出電壓減小，單片機(jī)管腳13輸出的PWM脈沖信號的占空比減小，流過SG3525 管腳6的電流增大，SG3525輸出的PWM脈沖信號的頻率增大，功率減小。故障保護(hù)分為電流硬件保護(hù)電路和過壓、欠壓、過流、過溫軟件保護(hù)。當(dāng)有過壓、欠壓、過流、過溫故障發(fā)生時(shí)，關(guān)閉SG3525的PWM脈沖信號輸出?？刂齐娐吩砜驁D如圖8所示。

圖8 控制電路原理框圖

3.2 SG3525變頻控制等效電路

變頻控制電路采用的核心芯片是SG3525，它包括兩路獨(dú)立的相位相反的PWM脈沖信號輸出電路，具有外圍電路簡單、頻率可調(diào)、驅(qū)動電流大和工作穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

圖9 SG3525外圍電路設(shè)計(jì)

SG3525變頻控制等效電路圖如圖10所示。SG3525的6管腳流出電流的一定范圍內(nèi)不變，可以看成一個(gè)+3.9V的電壓源。

圖10 SG3525變頻控制等效電路圖

由KCL可得：

即：

可得：

鋸齒波周期為：

4 控制軟件設(shè)計(jì)

三星S3F9454是一款8位CMOS型微控制器，這款單片機(jī)向用戶提供了高效快速的CPU處理，有計(jì)時(shí)/定數(shù)模塊、PWM發(fā)生模塊、多路A/D轉(zhuǎn)換模塊等。控制軟件由主程序、過壓、過流、過熱保護(hù)子程序、電壓、電流采集子程序、功率調(diào)整子程序等模塊組成。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于以上理論分析和控制電路的設(shè)計(jì)，制作了一臺2.5KW的高頻感應(yīng)加熱電源實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。主要參數(shù)：諧振電感L為110uH，諧振電容C為0.47uF，經(jīng)計(jì)算諧振頻率

負(fù)載電流信號為標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，波形連續(xù)，驅(qū)動信號波形的頻率fs為22.57KHz，即fs>f0。驅(qū)動脈沖信號波形稍稍超前于電流波形，這表明實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論相符合。

[1] 戚宗剛,柳鵬,陳輝明.感應(yīng)加熱調(diào)功方式探討[J] .金屬熱處理, 2003,28(7) : 54-57.

[2] 陳輝明,錢照明.感應(yīng)加熱電源的最新發(fā)展[J] .電工技術(shù)學(xué)報(bào), 1999，14（增刊）: 50- 53.

[3] 潘天明.現(xiàn)代感應(yīng)加熱裝置[M] .北京:冶金工業(yè)出版社,1996.45-86.

[4] 毛鴻,侯振程,吳昕.半橋型IGBT移相調(diào)功感應(yīng)加熱電源[J] .工業(yè)加熱,1997:25-27.