IGBT半桥串联谐振型感应加热电源调频调功技术研究
【摘要】针对IGBT半桥串联谐振型感应加热电源，详细分析了其在弱感性状态下的工作过程，提出了一种基于单片机S3F9454和SG3525来实现调频调功的方案。通过该方案可以实现对负载固有谐振频率及时跟踪，系统能自动按照设定的功率实现恒功率的输出。经过样机试验验证了该方案的可行性，试验结果表明该装置加热速度快、效率高、节能环保。
【关键词】IGBT半桥串联谐振；SG3525；S3F9454；调频调功
1引言
现阶段市场上加热型设备所用的加热方式普遍为电热圈发热，通过接触传导方式把热量传到被加热体上，存在加热速度慢、热传导损失、无法满足一些温度需要较高的场合等缺点。电磁感应加热技术是利用金属被加热体在交变磁场中产生的涡流进行加热，使得被加热体快速发热，并且可以根据实际情况在加热体外部包裹一定的隔热保温材料，以减少热量的散失，从而提高热效率。该方法具有易实现自动控制、热效率高、节电效果显著等优点。
感应加热电源常用的功率调节方式有两种：调压调功方式和调频调功方式[1]。本设计中采用调频调功方式，这种调功方式简单，可对电路的工作频率直接调整，连续调节功率，不需要调压环节，控制简单。因此提出了一种单片机S3F9454和SG3525相结合的调频调功控制方案，既减少了逆变器的开关损耗，又确保了主电路安全可靠的工作。
2 主电路工作原理
本文所述的电磁感应加热电源采用半桥串联谐振型拓扑结构，主电路如图1所示。电磁感应加热电源将220V工频交流电整流、滤波、逆变成18～30KHz的高频交流电，通过连接线连接到电磁加热线圈上，高频交流电透过保温材料作用于金属被加热体，使金属自身发热。
在半桥谐振型感应加热电源电路中，一个周期可以分为6个工作模态，由于前一半开关周期和后一半开关周期的电路工作过程完全对称，所以只分析前一半开关周期中的电路模态。图2为逆变电路工作在弱感性状态下开关管S1驱动电压、负载电流的波形。
在IGBT开关管被触发前，C2、C3已被充电到1/2Ud。下面进行电路的工作状态分析：
第一个开关模态。t0～t1时段：S1开通，C2经S1向Lr放电，直到t1时刻，C2放电完毕，即Uc2=0，此时流经Lr的电流达到谐振峰值。同时，Ud经Lr向C3充电，Uc3逐渐增大至Ud时，Ud不再继续向C3充电。
第二个开关模态。t1～t2时段：Lr向C2开始反向充电，同时也向C3充电，直到t2时刻，iLr将降为零，S1关断，此时，Uc2＜0，Uc3＞Ud。
第三个开关模态。t2～t3时段：S1关断，Lr通过D2续流，直到t3时刻，iLr下降至零，Uc3 =1/2Ud。
控制S1和S2在电流过零关断，可实现负载谐振，而这种状态是理想的。但在实际工作中，由于负载受环境变化等众多因素的影响，负载固有谐振频率会不断变化，逆变器容易偏离到容性状态，可能会因续流二极管反向电流的存在而引起上下桥臂的直通，导致开
关管的烧毁。因此，逆变器需工作在弱感性状态下，才能保证器件的可靠开通与关断，而且大大减小了开关损耗。
3 控制电路设计
3.1控制原理
本设计中采用调频调功方式，其控制原理为：采用IGBT的逆变电路，逆变电路可工作在任何开关频率情况下，在负载R、L、C一定的情况下，输出阻抗Z随逆变电路开关频率f的变化而变化，输出功率P也发生相应变化。当逆变电路的开关频率等于负载固有谐振频率时，输出功率P最大，输出功率P随逆变电路的开关频率f变化的特性如图6所示。半桥串联谐振电路的等效电路如图7所示。
3.1.1 谐振频率的计算：
该电路的输入阻抗随频率变化的特性：
(1)
当时，电路发生串联谐振，发生谐振时的角频率和频率分别为：
(2)此谐振频率为电路的固有频率。
3.1.2 输出功率的计算：
(3)
当发生串联谐振时：
(4)
控制电路采用功率闭环控制，正常工作时，系统能自动按照设定的功率实现恒功率的输出，通过改变功率设定值来调节功率的输出。当实际输出功率小于功率设定值时，数字PI调节器输出电压增加，单片机管脚13输出的PWM脉冲信号的占空比增加，流过SG3525 管脚6的电流减小，SG3525输出的PWM脉冲信号的频率减小，功率增大；反之, 当实际输出功率大于功率设定值时，数字PI调节器输出电压减小，单片机管脚13输出的PWM脉冲信号的占空比减小，流过SG3525 管脚6的电流增大，SG3525输出的PWM脉冲信号的频率增大，功率减小。故障保护分为电流硬件保护电路和过压、欠压、过流、过温软件保护。当有过压、欠压、过流、过温故障发生时，关闭SG3525的PWM脉冲信号输出。控制电路原理框图如图8所示。
3.2 SG3525变频控制等效电路
变频控制电路采用的核心芯片是SG3525，它包括两路的相位相反的PWM脉冲信号输出电路，具有外围电路简单、频率可调、驱动电流大和工作稳定等优点。
逆变器控制电路原理图如图9所示。SG3525输出的脉冲信号的频率为，其中CT是管脚5上连接的电容，RT是管脚6上连接的电阻，RD是管脚5和管脚7之间连接的电阻。管脚11、14输出两路互补的PWM脉冲信号。通过调节单片机产生的电压信号Uc，即可改变流过RT的电流，从而改变了SG3525的PWM脉冲控制信号的输出频率。
SG3525变频控制等效电路图如图10所示。SG3525的6管脚流出电流的一定范围内
不变，可以看成一个+3.9V的电压源。
由KCL可得：
(5)
即：
(6)
可得：
(7)
锯齿波周期为：
(8)
由于在实际电路中， ＜＜，故≈
PWM脉冲输出信号频率：
(9)
4 控制软件设计
三星S3F9454是一款8位CMOS型微控制器，这款单片机向用户提供了高效快速的CPU处理，有计时/定数模块、PWM发生模块、多路A/D转换模块等。控制软件由主程序、过压、过流、过热保护子程序、电压、电流采集子程序、功率调整子程序等模块组成。
5 实验结果
基于以上理论分析和控制电路的设计，制作了一台2.5KW的高频感应加热电源实验样机。主要参数：谐振电感L为110uH，谐振电容C为0.47uF，经计算谐振频率 。
负载电流信号为标准的正弦波，波形连续，驱动信号波形的频率fs为22.57KHz，即fs>f0。驱动脉冲信号波形稍稍超前于电流波形，这表明实验结果与理论相符合。
【参考文献】
[1] 戚宗刚,柳鹏,陈辉明.感应加热调功方式探讨[J].金属热处理, 2003,28(7) : 54-57.
[2] 陈辉明,钱照明.感应加热电源的最新发展[J].电工技术学报, 1999，14（增刊）: 50- 53.
[3] 潘天明.现代感应加热装置[M].北京:冶金工业出版社,1996.45-86.
[4] 毛鸿,侯振程,吴昕.半桥型IGBT移相调功感应加热电源[J].工业加热,1997:25-27.
