高频感应加热电源控制电路优化设计

李庆州

保定四方三伊电气有限公司 河北省保定市 071000

摘要：感应加热电源是一种变压变频装置，广泛应用于机械行业中。 感应加热电源的负载是感应圈和工件共同组成的，实际应用时负载参数随被加热材料温度和量而变，其变化涉及磁、电 、热传导等物理过程，影响因素很多，目前尚无实用的数学模型进行描述。基于以上原因通常采用锁相环频率跟踪电路去控制逆变，让逆变器工作频率自动跟踪负载固有谐振频率，保证负载侧在高功率因数下运行。但传统的控制电路存在许多缺点，下面本文对优化设计高频感应加热电源的控制电路进行研究。

关键词：感应加热；数字控制；自动保护；模块化设计

前言：高频感应加热由于敏感度高，节能型好，近些年来备受人们的关注。本文详细分析了半桥谐振逆变电路的工作原理，给出了其负载工作在感性、容性和电阻状态下的电路工作条件，并选择电路工作在感性状态才能确保主电路安全可靠的工作。最后制作了样机并给出了实验结果，实验结果验证了理论分析的正确性。

1、概述 感应加热相对于燃气、和煤等传统加热方式，它具有以下优点：（1）加热速度快；（2）热损少和加热效率高；（3）绿色环保无污染；（4）易于实现自动控制；（5）实现了加热部分和变换器部分的隔离，避免了因保护层的损坏而导致的漏电，在安全性上大大提高。目前科研人员在感应加热电源方面做了大量的工作，利用全桥谐振电路设计了2kW的感应加热电源，能够实现开关器件的软开通，设计了数字控制的感应加热电磁炉，相对于模拟控制的感应加热电源，可以实现更多的控制功能，而且便于升级和维护。

2、感应加热电磁炉主电路的工作原理

输入交流电为380V，经过二极管整流桥以及滤波后变为510V左右的直流，然后经过半桥逆变电路作用后，可以在负载两端的感应线圈中产生变化的磁场，从而使金属材料中产生涡流，最终产生热量。接下来详细分析感应加热电磁炉所采用的半桥电路处在谐振工作情况下的工作原理。开关管S1和S2为IGBT，并且S1和S2两端都反并联一个二极管D1和D2。第1种情况，当变换器工作频率高于谐振频率时，电流相位滞后电压，此时负载特性表现为感性负载。如果这个时候令开关管S1处于开通，S2关断，负载中流过电流。当S1关断时，由于电感对电流起阻碍作用，此时电流方向不能突变，电流方向还是保持原来的流向，这个时候让二极管D2开通，电流通过D2续流。二极管D2开通，此时D2导通压降为1V，因为D2跟开关管S2并联，所以开关管S2两端电压保持为1V左右，此时如果给S2高电平，S2实现开通，同时D2关断，如果能够正好在续流结束之前让S2开通，则可以让S2实现软开关，即零电压开通，同时二极管D2也可以实现了零电流关断，减少了电路的开关损耗，可以提高系统的效率。第2种情况当变换器的工作频率低于谐振频率时，电压相位滞后电流，此时负载特性表现为容性负载。如果这个时候令开关管S1处于导通状态，负载中流过电流。由于负载呈容性，所以电压相位滞后电流，因此在S1仍保持开通，然后电流减小直至到零，然后电流反向流过二极管D。二极管D1开通后，S1失去对电流的控制作用，当S1保持关断，S2保持开通，此时D1将承受反向电压而关断，由于二极管自身的特性，其在关断过程中有反向电流流过D1，其反向电流也会经过S2，从而会使电源VCC短路，而致使开关器件IGBT损坏。另外，如果当S2保持关断，电流会再次反向，D2保持导通。如果S1保持开通，此时二极管D2由于承受负电压，致使其关断，同理由于二极管D2本身的特性，有反向恢复电流流过D2，继而使D2和S2使电源VCC短路，从而损坏IGBT。第3种情况，当变换器的工作频率和谐振频率相同时，电流与电压相位相同，负载呈纯电阻性，此时电路工作模式与常规半桥电路工作原理完全一致，相当于S1与S2反并联二极管D1与D2不存在。从以上分析可得出：当变换器的负载呈容性阻抗时，开关器件IGBT的轮流开通，此时二极管反向恢复电流较大，因此开关器件IGBT功率损耗比较大，在工作频率较高的场合不太合适。当变换器的负载呈感性负载时，开关器件IGBT可以实现软开关，不但能保证变换器的安全，而且系统损耗也比较低。最后可以得出在谐振变换器工作在感性负载时，才能确保变换器安全工作。

3、基于DSP的控制电路设计 硬件电路除了半桥谐振逆变电路的主电路以外，还包括由DSPTMS320F2812构成的控制电路，DSP及其外围电路、输入电压和电流检测和调理电路、驱动电路和故障与保护电路，其中DSP外围电路包括DSP外接SRAM电路、复位电路、系统时钟电路和DSP供电电源电路。TPS767D318是德州仪器公司出品的线形低压降LDO高精度数字稳压电源，TPS767D318主要是为DSP的应用而设计，它可以提供两路电压输出，一路为固定3.3V，另外一路为可变的可设置为1.8V或者2.5V；其中每一路最大可提供最大为1A的直流电流，足以满足TMS320F2812的供电要求。TMS320F2812所需求的电源种类：（1）内核数字电源为1.8V；（2）I/O数字电源3.3V；（3）I/O模拟电源3.3V；（4）ADC数字电源3.3V；（5）ADC模拟电源3.3V；（6）FLASH编程电源3.3V。故障和保护电路设计在感应加热电磁炉工作过程中，如果由于外部原因，如电网波动，或者内部原因，如控制回路和驱动电路误动作造成输出电路短路，此时电路会流过大电流，从而会损坏开关器件IGBT。由于电流变化快，而且开关器件承受高压和高电流，在保护电路中需要设计具有快速检测出过流的电路。具体设计运用2SD315A自身检测和检测直流母线的双重保护方法。并在故障发生的时候，采用软件和硬件同步保护的方法。

4、软件程序设计 数字控制感应加热电磁炉的软件设计主要由主程序和各类功能实现程序构成。由于需要实现的功能众多，逻辑关系复杂，因此采取目前通用的模块化的程序设计方法，将独立的功能设计为程序模块，例如软件锁相环（SPLL）、A/D转换、485通讯、键盘采样，显示、故障中断处理等。数字控制感应加热电磁炉的技术指标如下：输入电压三相380V，输出功率15kW，系统效率为85%。为了验证理论分析的正确性，制做了实物，并给出了实验波形，谐振电流和反馈电压波形。可以看出电流为正弦波形，电压波形为矩形波，而且电压相位超前与电流相位，说明半桥电路工作频率高于谐振频率，变换器工作在阻感性负载状态。此时可以使电路工作在零电压开通状态，可以降低开关损耗，提升系统效率。

结语：本文详细的介绍大功率数字控制感应加热电磁炉主电路半桥谐振变换器的工作原理，并重点阐述其控制电路的设计，最后制作了实验机并给出了实验结果。采用DSP数字控制，能够使感应加热电磁炉体积更小，更容易升级和维护，值得推广。

参考文献：

[1]付东翔，潘金柱，FUDong-xiang，等.感应加热电源锁相电路分析与设计[J].电源技术，2015，39（12）：2732-2733.

[2]吴丽娟，李学松.感应加热电源频率跟踪控制电路的设计[J].电子世界，2015（17）：94-97.

[3]邱燕.500kW IGBT并联谐振感应加热电源主电路参数设计[J].科技创新与应用，2017（1）：41-41.