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高频感应加热电源相位跟踪系统

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高频感应加热电源相位跟踪系统

周美兰;徐泽卿;李艳萍

【摘 要】针对感应加热电源工作在高频状态时,存在相位跟踪困难、工作功率小和工作状态不稳定等问题,采用基于TMS320F2812的高频感应加热电源的相位跟踪方法,使负载等效阻抗时刻处于弱感性状态,解决了感应加热电源工作在高频状态所遇到的问题.设计了功率MOSFET的驱动电路、电压和电流相位信号的采集与处理电路,给出了TMS320F2812处理负载电压相位信号和电流相位信号的方法和产生移相PWM信号的方法,最后搭建实验平台进行了实验验证.实验结果表明,所设计的相位信号处理电路能够快速稳定地向TMS320F2812发送电压和电流的相位信号,且延迟小;TMS320 F2812可以生成移相PWM信号,其移相范围大、工作稳定.

【期刊名称】《哈尔滨理工大学学报》

【年(卷),期】2014(019)003

【总页数】5页(P84-88)

【关键词】感应加热;相位匹配;MOSFET;移相调制

【作 者】周美兰;徐泽卿;李艳萍

【作者单位】哈尔滨理工大学电气与电子工程学院,黑龙江哈尔滨150080;哈尔滨理工大学电气与电子工程学院,黑龙江哈尔滨150080;哈尔滨理工大学电气与电子工程学院,黑龙江哈尔滨150080

【正文语种】中 文

【中图分类】TM924.5

0 引言

感应加热电源具有高效、大功率、不接触和低污染等优点，多用于工业上紫铜钎焊、晶体生长、晶体拉伸等多个领域［1－2］.高频感应加热电源工作在高频大功率状态就必须要有高速可靠的控制系统、大功率的驱动系统和快速的信号采集与传输系统［3］.但是目前广泛使用的隔离信号传感器的响应时间很长，并不适合使用在高频电源中［4］.本文提出了一种对于负载两端电压和负载内电流的相位跟踪处理方法，该方法通过监控开关管的工作状态来获得负载两端电压的相位信号;通过功率采样电阻将负载中的电流信号变换为电压信号，再通过信号处理电路转化为电流相位信号.这两个相位信号再通过TMS320F2812进行信号处理，并通过控制策略改变PWM频率，来达到控制电压和电流相位差的目的.

1 串联谐振负载工作原理

高频感应电源的二阶负载有串联谐振型和并联谐振型两种.由于并联谐振逆变器是电流型逆变器，需要在逆变器直流侧串联大电感，并且MOSFET需要串联大功率快速回复二极管，这样一来在器件的选择方面和控制系统的实现上都有难度［5－6］.所以本文选用RLC串联谐振作为负载电路.串联谐振型逆变器的结构如图1所示.

图1 串联谐振型逆变器主电路图

RLC串联谐振负载阻抗Z(jω)如式1所示.

其中:ω为角频率，其大小ω=2πf，f为谐振频率;R为串联谐振回路中等效电阻;L为串联谐振回路中等效电感;C串联谐振回路中等效电容.

谐振电路的工作特征还可以用品质因数Q来体现，其大小如式(2)所示.

以负载电流I为输出量，负载两端电压U为输入量，则系统传递函数如式(3)所示.

当式1中负载阻抗Z(jω)的虚部为零时，负载阻抗Z(jω)的模最小.当输入电压U不变的情况下，此时负载中的电流I最大，电路处于谐振状态，谐振频率f0如式(4)所示.

根据式(3)所推导的传递函数，在保持负载电阻R和谐振频率f0不变的情况下，得到如图2所示的一系列相同共振频率和不同品质因数的RLC频率特性曲线，其中Q1＞Q2＞Q3＞Q4.

图2 RLC串联谐振频率特性曲线

从图2中可以看到，当输入电压U的频率略大于负载谐振频率f0时，负载电路的等效阻抗为弱感性.在实际应用中，使负载工作在弱感性状态可以实现功率MOSFET的零电压开通，有利于减小开关损耗、提高开关频率［7－8］.

2 信号检测电路

由于感应加热的负载谐振电感的大小受温度影响时刻变化［9－10］，所以负载的谐振频率也随着温度的变化而时刻变化.通过控制负载中电压和电流的相位差是感应加热电源稳定工作的重要保证.使用传统的电压互感器实现信号采样或者使用MOSFET驱动信号来替代电压相位信号，这两种方法都会有较大的响应时间和信号延迟，采集得到的信号严重失真，实际相位与TMS320F2812接收到的相位信号没有实际的对应关系，信号采集失去了意义，相位跟踪失败，逆变器中功率MOSFET工作在硬开关状态，开关损耗加大，甚至烧毁器件.

2.1 电压相位信号监测处理电路

如果只是需要电压和电流的相位信息，并不需要完整的信号数据，那么可以将信号在高压侧处理完成后得到需要的相位信号.获得的相位信息是数字信号，数字信号的隔离转送具有速度快、延迟小等特点，所以这样一来TMS320F2812可以获得优质的电压和电流的相位信号.本文提出了一种相位跟踪的方法，该方法对于电压信号的处理是检测逆变器中所有4个功率MOSFET的工作状态.通过检测电路将信号发送给TMS320F2812来判断负载两端的工作电压的相位.

图3(a)给出了1个功率MOSFET的信号监控处理电路，其他功率MOSFET的信号监控处理电路的原理与其相同.当开关管导通时，由于功率MOSFET的通态电阻非常小，所以高速比较器TLV3502的正输入端只有非常微小的电压，比较器输出低电平;当开关管闭合后，快速恢复二极管D40承受反向电压不在导通，这时电源通过电阻R69给电容C93充电，其电压持续升高，当大于负端电压时，比较器输出高电平.其中二极管D35的功能是防止快速恢复二极管D40反向恢复电流对C93充电而引起的比较器正端电压过高烧毁比较器;D36的功能是防止负载通过功率MOSFET的体二极管续流时，造成比较器正端电压过低烧毁比较器.总之，D35和D36起到了钳位比较器正端电压的作用.

图3 功率MOSFET检测和驱动电路

MOSFET工作在高频状态必须要有足够大的驱动功率和驱动速度［11－13］.本文使用了TI公司高速大功率驱动芯片UCC27322，该芯片具有±9A驱动能力，并且只有25ns的驱动延迟时间，足以工作在1MHZ的开关频率下，其电路原理如图3(b)所示.图3(c)是功率MOSFET的驱动信号和MOSFET工作状态信号隔离电路，使用了TI公司的ISO7221M隔离芯片，该芯片具有两个数字信号传送通道，并且方向相反，正好传送MOSFET的驱动信号和状态信号.图3中的电路除了隔离芯片的一侧使用与TMS320F2812共地的电源外，其他电路同时使用一套电源，并且与其他检测电路之间要使用相互隔离的电源供电.

2.2 电流相位信号监测处理电路

对于电流信号的处理本文采用的是直接通过采样电阻将电流信号转换为电压信号，再通过信号处理电路最终转换为电流相位信号.采用功率采样电阻对电流信号进行处理，虽然会有比较大功率的损耗，但是采集的信号与实际的信号没有相位延迟，这个特点是高频感应加热电源相位跟踪的关键.图4(a)给出了电流信号处理电路，插头两端接功率采样电阻，电阻两端的电压通过中心频率为1MHZ增益为20dB的带通滤波器处理，处理后的信号通过比较器输出电流相位信号.图4(b)为数字信号隔离电路，这里由于只需要单方向传送一路数字信号，所以使用了TI公司的ISO7220M隔离芯片.

图4 电流信号采样处理电路

图5 频率特性曲线

图5给出了使用MULTISIM仿真得到的带通滤波器的频率特性曲线［14－15］.通过分析特性曲线可以发现，当输入信号频率小于带通滤波器中心频率时，输出信号的相位超前于输入信号.如果使滤波器中心频率略高于负载谐振频率，那么可以起到一定的相位补偿作用，进一步减小信号在传送过程中造成的相位延迟.

3 相位信号的处理和移相PWM信号的产生

3.1 相位信号的处理

电压相位信号的处理方法是通过使用TMS320F2812的EV事件管理器的捕获单元CAP1和CAP2捕获Q1和Q3两个MOSFET工作状态信号的上升沿［16－17］，其中CAP1捕获到有效信号后认为是负载两端电压为负，CAP2捕获后认为是负载两端电压为正［18－19］.

电流相位信号的处理方法是使用CAP3捕获电流相位信号的上升沿和下降沿［20］.当CAP3捕获到有效信号后，比较CAP1和CAP2中FIFO数值的大小，判断相位差.运用控制策略控制全桥逆变器的开关频率［21］，使FIFO中的数据减小，达到了控制相位差的目的.

3.2 移相PWM信号的产生 由于TMS320F2812的自身局限性，其EV事件管理器不具有移相PWM功能，需要利用中断事件，将寄存器的数据进行适时适当的改写来实现移相PWM功能.具体实施方法是使用TMS320F2812的全比较单元产生PWM信号，使通用定时器工作在增减计数状态，在通用定时器发生下溢中断和周期中断时，分别对比较寄存器的数值进行改写.再利用TMS320F2812的影子寄存器功能，在下一个下溢中断和周期中断时，对新数据载入，最终使TMS320F2812产生了移相PWM信号.

4 实验结果

图6 系统实验平台

图6所示为系统实验平台，图中左侧电路为相位信号跟踪处理电路，中间为全桥逆变电路，右侧为辅助开关电源电路.

4.1 移相PWM信号实验波形

图7是TMS320F2812产生的4路移相PWM信号的实验波形，其中CH1、CH2、CH3和CH4分别是Q1、Q3、Q4和Q2的驱动信号，4幅实验波形图展示了移相PWM信号移相角度越来愈大的过程，其中图7(a)的移相角度为11.96°，图7(b)为23.92°，图7(c)为44.85°，图7(d)为65.78°.从实验波形图中可以看到TMS320F2812产生的移相PWM信号移相范围大、工作稳定可靠，可以作为全桥4个功率MOSFET的驱动信号使用.

图7 移相PWM信号实验波形图

4.2 电压相位信号监测电路实验波形

功率MOSFET信号监控电路实验波形如图8所示，其中:CH1通道是开关信号;CH2通道是MOSFET漏源极电压;CH3通道是监控电路输出信号;CH4通道是MOSFET栅极驱动电压.从实验结果可以看出，监控电路输出信号的上升沿与MOSFET漏源极电压上升沿的相位延迟只有极微小的差别.本文提出的电压相位检测电路起到了监控MOSFET工作状态并且有输出小延迟相位信号的功能. 图8 MOSFET信号监控电路实验波形

4.3 电流相位信号监测电路实验波形

负载电流信号采样处理电路实验波形如图9所示，其中CH1通道是输入信号;CH2通道是滤波输出;CH3通道是比较器输出信号.从实验结果可以看出，CH1通道输入信号有较大的干扰但是经过滤波电路之后，CH2通道的输出信号有了明显的改善.由于输入信号频率略小于带通滤波器中心极限频率，所以输出信号的相位相对于输入信号的反相有微小的前移，这也起到了相位补偿的作用.从实验结果可以看出，本文提出的电流相位信号处理电路，达到了预想的效果.

图9 负载电流信号采样处理电路实验波形

5 结语

相位跟踪系统是高频感应加热电源高效稳定工作的重要保证.本文设计的相位跟踪系统经过实验验证，并对实验结果进行分析，分析结果表明:该系统实现了理论分析所需要的功能，能够对电压和电流的相位信号进行检测和处理;并且TMS320F2812也产生了大范围移相PWM信号.

参考文献:

【相关文献】

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CD4046集成锁相环在感应加热电源中的应用1

CD4046集成锁相环在感应加热电源中的应用1

© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. CD4046集成锁相环在感应加热电源中的应用

重庆大学(630044)　毛　鸿

成都铁路分局供电段(610081)　王　翔

摘　要:提出一种由CD4046集成锁相环设计的应用于感应加热电源的无相差频率跟踪控

制系统,并就控制系统的相位补偿、电源的起动等问题进行了分析讨论。

关键词:锁相环　频率跟踪　相位补偿

感应加热电源在加热过程中,由于温度的变化和

炉料熔化等因素,负载等效参数发生变化,负载固有频

率也发生变化。对可控硅中频逆变器而言,为了保证感

应加热电源逆变器件可靠换流(可控硅中频电源要求

它的负载为电容性)和电源工作在较高的功率因数,逆

变器输出频率需要随负载频率而变化,也就是说,控制

电路必须具有自动频率跟踪功能〔2〕。由可关断器件构

成的逆变器件,虽然不象可控硅那样存在换流问题,但

为了使逆变器始终工作在功率因数接近或等于1的准

谐振或谐振状态,以实现逆变器件的零电流换流

(ZCS)或零电压换流(ZVS),频率跟踪电路也是不可

图2　频率跟踪控制电路与主电路缺少的。而且,由于逆变器输出频率的提高,频

率跟踪电路的快速性和准确性要求也相应提

高,为此,本文提出一种用集成锁相环CD4046,

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率跟踪控制系统,该控制电路具有跟踪快速、准

确、保护容易、抗干扰能力强等优点。

1　CD4046集成锁相环的特点

锁相环(PLL)主要由鉴相器PD,压控振荡器

VCO和外接无源R、C低通滤波器(也可接有源低通

滤波器)组成,如图1所示。・

图1锁相环原理iV

CVCOUVCORPD

CD4046具有两个独立的鉴相器PD󰂪与PD󰂫。

PD󰂪是异或门鉴相器,若采用无源低通滤波器,信号

锁定时输入信号和输出信号(反馈输入)之间的相角将

感应加热电源中频率跟踪控制电路的设计与分析

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技术应用・特种电源　

感应加热电源中频率跟踪控制　

电路的设计与分析　

李春卉周京京付兰芳　

（军事交通学院军事物流系，天津５Ｏｏ１　６１）　

摘要：为使感应加热电源中的逆变器始终工作在功率因数接近或等于ｌ的准谐振或谐振状态，设计出一种　

适合中频感应加热电源的频率跟踪控制电路。控制电路通过压控振荡器和逻辑电路实现了频率跟踪，经　

过示波器的测试，电路稳定性得到了提高，捕捉速度明显改善。　

关键词：感应加热；频率跟踪；计数器　

Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｔｒａｃｋｉｎｇ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　

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一种适合高频感应加热电源的触发控制电路

一种适合高频感应加热电源的触发控制电路

第４０卷第６期　

２００６年１２月　电力电子技术　

ＰｏＷｅｔ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｖｏｌ，４０，Ｎｏ．６　

Ｄｅｃｅｍｂｅｒ，２００６　

一种适合高频感应加热电源的触发控制电路　

胡聪权，王兰勋，石军广，黄亚丽　

（河北大学，河北保定０７１００２）　

摘要：为了提高感应加热电源逆变器的工作和触发控制质量，并满足高频条件下的应用。提出了采用精密波形　发生器ＩＣＬ８０３８解决这一问题的新方法。设计了感应加热电源逆变触发电路，对触发脉冲的相位补偿、重叠区、死区　的产生，以及启动电路进行了分析和设计；对其工作原理、电路结构及应用问题作了详细描述，给出了实验结果。　

关键词：感应加热；频率；跟踪；逆变器；触发电路　中图分类号：ＴＭ９２４．５，ＴＭ４６４　文献标识码：Ａ　文章编号：１０００—１００Ｘ（２００６）０６—００６０—０３　

Ａ　Ｔｒｉｇｇｅｒ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｃｉｒｃｕｉｔ　Ｓｕｉｔａｂｌｅ　ｆｏｒ　Ｈｉｇｈ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　

Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ－ｈｅａｔｉｎｇ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｕｐｐｌｙ　

ＨＵ　Ｃｏｎｇ—ｑｕａｒｔ，ＷＡＮＧ　Ｌａｎ—ｘｕｎ，ＳＨＩ　Ｊｕｎ－ｇｕａｎｇ，ＨＵＡＮＧ　Ｙａ—ｌｉ　

（Ｈｅｂｅｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂａｏｄｉｎｇ　０７１００２，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｗｏｒｋ　ａｎｄ　ｔｒｉｇｇｅｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｏｆ　ｈｉｇｈ—ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ　ｈｅａｔｉｎｇ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ，ａｎｄ　ｓａｔｉｓｌｙ　ｔｈｅ　ｕｓｅｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ａ　ｎｅｗ　ｗａｙ　ｔｏ　ｓｏｌｖｅ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｕｓｉｎｇ　ＩＣＬ８０３８　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｗａｖｅｆｏｉＴｎ　

ｇｅｎｅｒａｔｏｒ／ｖｏｌｔａｇｅ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ　ｉｓ　ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ．Ｔｈｅ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ　ｔｒｉｇｇｅｒ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｏｆ　ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ　ｈｅａｔｉｎｇ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅ　ｐｈａｓｅ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｎｄ　ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｏｖｅｒｌａｐｐｅｄ　ｒｅｇｉｏｎ　ａｎｄ　ｃｌｏｓｅｄ　ｒｅｇｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｒｉｇｇｅｒ　ｐｕｌｓｅｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｔａｒｔｉｎｇ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ａｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ａｎｄ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｗｏｒｋｉｎｇ，ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　

感应加热电源的控制与驱动电路

感应加热电源的控制与驱动电路

东莞市力华机械设备有限公司

感应加热电源的控制与驱动电路

感应加热电源中电力电子控制电路的构成, 显现出多样化组成方式, 其控制方案主要是根据感应电源调功方式、 加热负载特性要求等不同, 控制电路的结构会有所不同 。

感应加热电源的功率控制调节方式总体上可分为直流侧调功和逆变侧调功两种 。 直流侧调功又分为三相全控整流器调功和直流斩波器调压调功 。 逆变侧调功的控制电路方案根据加热工艺特性要求, 可以采用的控制方式更灵活, 常用的有调频功（PFM）、移相调功（PSM)、脉宽调制恒频调功（PWM）、脉冲密度调制调功（PDM）、调宽调制加调频调功（PWM+PFM）、脉宽调制加脉冲密度调制调功（PWM+PDM）等各种调功方式。

下面就感应加热电源控制电路的基本组成和原则作简单叙述，其具体内容将在相关章节中介绍。

(1)控制方式根据感应加热电源负载特性不同,调功方法不同,通常可采用电压反馈控制、电流反馈控制。

1)采用电压控制,其目的是保证输出直流母线电压恒定，也就是说加在感应加热绕组的端电压恒定。 控制采样可以取自直流母线电压或逆变器电感绕组或谐振补偿电容上的电压。取样一般采用隔离式电压传感器(TV)，经道算、比较处理,控制品闸管的导通角或逆变器开关管PWM驱动脉冲的相移或脉宽, 达到改变直流输出到逆变器直流母线上的电压或改变逆变器输出电压的平均值(或有效值),最终因闭环负反馈的作用维持输出电压恒定。输人电压的波动,对加热电源的输出功率也就是对工件的加热温度产生较大影响,将直接影响到加热工件的产品工艺质量要求。

加热电源的输出功率为P=u2/Z,在负载不变的条件下,功率P与电压组或谐振补偿电容上的电压。u的平方成正比。也就是说,加热温度与电压的平方成正比。如果电压不稳定,加热温度就不均匀,对于毛坯工件加热、淬火要求温度稳定性较高的场合,必须要有自动稳压功能,否则产品质單得不到保证。

2)采用电流控制,其目的是保证输出直流或高频输出电流恒定。控制采样可取自直流母线电流或逆变器感应加热绕组中的电流。取样一般采用隔离式电流传感器感（TA），电流反馈信号控制的对象同电压控制，目的是达到输出电流的变化，也就是输出功率P的变化、加热温度的变化。这是因为P=IUuzuzu2,因此可以看出，电压U或负载阻抗Z的变化，会引起电流I的变化，即功率或加热温度的变化。