感应加热电源频率跟踪控制电路的设计

2015-03-05辽宁科技大学电子与信息工程学院吴丽娟李学松

电子世界 2015年17期

辽宁科技大学电子与信息工程学院吴丽娟李学松

感应加热电源频率跟踪控制电路的设计

辽宁科技大学电子与信息工程学院吴丽娟李学松

【摘要】感应加热电源运行过程中由于负载的工作特性随温度变化，为了提高电能传输到负载的效率，保证负载工作在串联谐振状态，需要实现对负载的频率跟踪。通过对负载的频率跟踪有效地减少了功率开关器件的开关损耗，实现了零电压开通。本文首先介绍了串联谐振的感应加热电源的主电路结构，采用IGBT作为功率开关器件。其次介绍了锁相环电路，阐述了其结构和工作原理。最后提出了基于SG3525的频率跟踪电路，经过实验证明此电路工作稳定、可靠，现以投入到实际产品中。

【关键词】感应加热电源；锁相环；SG3525；频率跟踪；软开关

引言

电磁感应加热电源在工作的过程中，输入的电能经过整个系统被转化为负载中的热能，随着负载温度的不断升高，负载的电阻、电感参数不断的变化，负载的工作频率也在发生改变。为了使感应加热电源的逆变器输出的功率因数接近于1，负载工作在串联谐振状态，功率开关器件IGBT的开关损耗降到最低，实现零电压开通（Zero Voltage Switch）。功率开关器件控制电路的工作频率需与负载的串联谐振电路频率一致。随着感应加热频率要求的不断提高，对负载频率跟踪的准确度和精度的要求也不断提高。因此，锁相环（PLL）技术越来越广泛的应用到感应加热电源的频率跟踪系统中。本文采用IGBT作为功率开关器件，设计了一种基于SG3525的频率跟踪电路，经过实践证明此电路工作稳定，跟踪频率变化快速、准确。

1 主电路结构

本设计的感应加热电源逆变器输出部分采用串联谐振工作方式，输入交流电压通过三相桥式整流桥整流成带有纹波的直流电压，然后在通过高压电容C1滤波后成为比较平稳的直流电压。直流电压通过全桥IGBT逆变器逆变成交流电压，最后经过串联谐振电路,电感线圈通过缠绕在负载上，通过电磁感应进行能量传递。

感应加热电源主电路的结构如图1所示，L为线圈的电感值，C2是串联回路的谐振电容，TA1是串联在谐振电路上的高频电流互感器，将检测到的高频电流信号传送给单片机控制电路，控制电路在控制驱动电路从而改变栅极控制信号。当滤波电容C1很大时，输出的直流电压变化比较平稳，电容C1的充电电流连续的临界点是C1RLw=,其中RL是电容C1右侧的等效负载。但是当C1RLw增大时，电路的基波因数、功率因数等都减小。因此在保证直流电压平稳、功率因数不太低、脉动小的情况下，C1的电容值不应取太大。C3、C4、C5、C6分别并联在开关器件上，有效的改善了器件在开关过程中电压波形的变化，实现开关器件的软开关工作状态，减小了开关损耗。

图1　感应加热电源主电路结构

当忽略各次谐波时，直流侧输出的电压的基波有效值约为：

其中，基波有效值Uo1约为：

2 锁相环原理

相位同步自动控制叫做锁相，能完成两个电信号相位同步的自动控制闭环系统成为锁相环。当锁相环进入锁相状态时，它具有自动捕捉信号的能力，在一定的电压范围内压控振荡器能够自动无限接近不断变化的输入信号。当输入信号的频率在锁相环的频率捕捉范围内变化时，锁相环能够捕捉到输入信号的频率，同时强迫压控振荡器锁定在这个频率上[2]。

锁相环的结构如下图2所示，主要包括压控振荡器（VCO）、相位比较器（PC）和低通滤波器等部分构成。

图2　锁相环原理框图

锁相环技术在感应加热电源的频率跟踪中应用极为广泛，频率跟踪电路的作用是使功率开关器件的开关频率能够实时跟踪谐振电路的谐振频率，特别是当温度不断变化或者其他因素引起的负载谐振频率改变时。这样才能提高电能的效率，达到最大输出功率。感应加热电源的频率跟踪电路通常采用锁相环集成电路CD4046构成，而本文则采用基于SG3525设计的新型锁相环电路。

3 基于SG3525的锁相环电路设计

3.1 控制电路的组成

控制电路的结构框图如图3所示，由单片机给负载电流给定值，通过频率调节电路给SG3525电压信号，然后控制两路PWM信号的频率输出，作用到功率开关器件的驱动电路从而改变了主电路的负载电流频率，从而使负载电流和给定的电流频率和相位一致。当负载温度过高时或者电流过大时，保护电路可以给单片机一个报警信号，直接关断SG3525的运行。切断PWM输出信号，从而功率开关器件停止工作。单片机实时采样频率信号、电流信号、器件温度，并且输出到显示界面。

图3　控制电路结构

3.2 频率调节电路

如图4所示，整个系统通电开始时，单片机发出一个触发信号，此时三极管Q1导通，此时R2与R3并联，SG3525 的6脚外接电阻为R，此时SG3525输出的两路PWM信号频率为f1。

稳定后三极管Q1变为不导通，此时SG3525的6脚外接电阻为最大值，即为R2，由于5脚外接的时基电容和5脚、6脚之间连接的放电电阻不会改变，且SG3525的6脚电流大小不再改变，SG3525输出以固定频率的两路互补的方波信号给驱动电路，频率为f2。

PWM输出信号频率从f1到f2的变化过程中，由于6脚外接电容C2，因此SG3525的6脚电流、电压均匀地变化。于是主回路和负载开始工作，外接的电能转化为负载的热能。

其中：

随着负载温度的升高，负载的感性参数逐渐变大，而谐振电容固定不变，负载的谐振频率开始升高。这时主回路电感线圈上的高频霍尔电流互感器采集高频电流信号，然后将高频电流信号通过与上电时刻的初始电流信号进行比较，当采集的负载高频电流频率大于上一时刻的电流时，通过三极管基极输入电流变大，从而使SG3525的6脚电流变大，PWM输出方波的频率变高，从而更加接近负载电流频率。相反，当采集的负载高频电流小于上一时刻的电流时，通过三极管基极的输入电流变小，从而使SG3525的6脚电流变小，PWM输出方波的频率变低，于是功率开关器件的频率向负载工作频率更加靠近。即实现了电流的闭环控制[3]。

图5　互锁电路

图4　频率调节电路

高频电流信号采用SG3525作为频率跟踪电路的控制器，能够更好的实现感应加热电源主回路与负载的谐振频率保持一致，以改变输出阻抗，实现最大功率的输出。

3.3 互锁电路

为了防止在同一时刻一桥臂的上下两个开关器件同时导通，造成直流电压短路，烧毁IGBT导致逆变失败，两路PWM输出脉冲需要添加互锁电路，来确保同一时刻一桥臂的上下两个开关器件只有一个工作。互锁电路如图5所示。

SG3525的11脚和14脚的输出信号先经过反相器同时取反，然后11脚信号经过一次取反的输出信号和14脚经过两次取反的信号同时经过与门，最终输出和14脚同相的信号。同理另一个与门输出和11脚同相的信号，实现了两路信号的互锁。最后两路信号分别同时和SG3525的10脚相与并输出，于是当SG3525的10脚变为高电平时，关断芯片，禁止两路PWM信号的输出。

3.4 驱动电路

本设计中感应加热电源的功率开关器件是IGBT，由于IGBT的输入为容性网络，对器件驱动时需要进行充电、放电，来驱动电荷负载。因此对IGBT驱动的实质就是利用驱动电路产生的脉冲信号对其栅极进行充电、放电，并强迫其在规定的栅极电荷或栅极门槛电压范围内，控制IGBT的开通、关断状态。驱动电路如图6所示。