基于SG3525调频控制的半桥串联感应加热电源

　　引 言

　　传统的注塑机加热方法是利用电阻丝加热，这种方法的特点是通过热传递加热，热量损耗大，热效率低。中频感应加热技术是利用被加热工件在交变磁场中产生的涡流进行加热，使得在感应磁场范围内的工件温度急速上升，达到快速加热的目的。该技术的特点是：温控区精确、热量损耗小、热效率高、加热时间短、功率密集和容易控制，节约电能。

　　1 桥感应加热主电路拓扑结构及控制原理

　　1.1 主电路拓扑

　　本文所述中频感应加热电源采用交—直—交的变频原理，三相50Hz的正弦交流输入电压经过整流滤波为540V平滑直流电压，再经逆变器将直流电压变成不同频率的交流电压供负载使用。本文采用半桥串联谐振逆变结构，与全桥串联谐振相比，简单可靠。

　　半桥感应加热电源为串联谐振型逆变电源，其主电路结构如图1所示。输入采用三相AC/DC不可控整流，输出采用半桥逆变电路，负载回路采用LC串联谐振电路。

　　图1中，C1、C2是高频无感电容，R1、R2是均压电阻，保证C1、C2两端电压相等。当功率管VT1导通时，VT1、L、R、C2与直流母线构成回路，L与C2发生串联谐振，电流方向如图所示；当功率管VT2导通时亦然，电流方向相反。通过控制电路输出交替的驱动波形，驱动功率管VT1、VT2交替导通，在LC串联负载两端产生交流电压，负载中流过交变电流，线圈L中铁质工件在交变电流感应的交变磁场内产生涡流而发热。

　　1.2控制原理

　　调频调功（PFM）是通过改变开关频率俩改变负载功率的控制方式，在LCR串联谐振中，在负载等效参数R、L和C一定的情况下，串联谐振的等效电路如图2所示。

        由式（4）可知，负载的等效阻抗随着负载电流的频率f变化，其变化曲线如图3所示。当负载电压一定时，负载的电流频率越偏离负载谐振频率f0，等效阻抗越大，输出的功率越小。当f=f0时，负载等效阻抗最小，即|Z|=R，此时负载的功率最大；f》f0时，负载等效阻抗呈感性，且频率越大感抗越大，输出功率越小；f《f0时，负载等效阻抗呈容性，且频率越小容抗越大，输出功率越小。串联谐振负载功率分布特性曲线如图4所示

 

　　图4说明通过改变负载电流频率即可改变串联谐振负载回路输出功率。发生串联谐振时，负载输出功率最大，为了避免工作点滑向容性谐振状态，导致开关器件换流开通时造成较大的尖峰电流以及续流二极管反向恢复引起的桥臂直通，控制逆变器开关工作频率略大于负载固有谐振频率f0，以保证加热电源LRC负载回路工作在弱感性谐振状态。

　　2 SG3525的功能特点

　　SG3525是美国半导体公司生产的一种功能齐全、通用性强的单片集成PWM芯片。采用恒频脉宽调制方案，适用于多种开关电源的控制。如图5所示，内部集成了振荡器、PWM比较器、误差放大器、欠压锁定电路、软启动控制电路、基准电压产生电路，频率可调，同时能限制最大占空比，并且其输出为推拉输出形式，增加了驱动能力。其突出的特点是：

　　（1）频率可调，改变引脚5外接电容CT、引脚6外接电阻RT以及引脚5和7之间的电阻RD来调节芯片的PWM输出频率，即

　　（2）具有PWM脉冲信号锁存功能，当引脚10的电压大于2.5V时，可以及时封锁脉冲输出，防止出现过压过流等故障。

　　3 控制电路设计

　　3.1 控制电路的组成

　　控制电路框图如图6所示。采用SG3525更容易地实现了调频调功，解决了不同注塑机料筒加热直径变化造成负载谐振频率不匹配且功率不稳定的问题。其中，由单片机给出负载电流给定，通过PI调节器产生电压信号，通过该电压信号控制SG3525调节驱动电路的频率，从而改变负载电流的频率，使负载电流与给定电流大小一致，即改变负载回路的等效阻抗。保护电路通过单片机控制SG3525输出PWM信号，有过压、过流、过热等故障时，关闭PWM输出。单片机采样电压、电流、频率和温度等信号，通过显示器显示，键盘操作可以设定加热模式及温度。

　　3.2 故障保护电路

　　为了使感应加热电源能在恶劣的工业现场以及突发故障情况下安全可靠地工作，本文在实际电路设计中，利用SG3525的特性，设计了过压、过流等保护电路。

　　过压保护电路如图7所示。其中，LM393所设定的电压值与通过采样的直流母线电压比较，当电压高于所设定的电压时，运放输出低电平，保护电路切断驱动电源。

　　过流保护电路如图8所示。通过霍尔电流传感器采样的负载电流所对应的电压信号与所设定的过流保护动作对应的电压比较，当负载电流大于设定保护动作电流时，保护电路切断驱动电路电源。

　　3.3 功率调节电路

　　控制电路以负载电流作为反馈量，通过改变电流给定值可以改变负载电流，从而实现功率调节。

　　SG3525引脚6的电位在频率变化过程中几乎不变，保持在3.5V左右，故设计功率调节电路如图9所示。

　　功率调节是以负载电流作为反馈量的，通过电流闭环控制改变电流给定值，则可以改变负载电流，从而实现功率调节。

　　电路工作原理是：负载回路电流经过霍尔电流传感器取样整流，经过信号调理输出一个电压信号Ua；Ua与电流给定信号Ub进行加法运算，经过PI调节产生-3V～0V的电压Uc。Uc反相后产生0~3V的电压信号Ud。SG3525引脚6固定输出的3.5V电压与Ud的电压差加在RT上，改变Ud大小即改变流过RT的电流，从而改变SG3525振荡电容的振荡频率，改变SG3525的输出频率。当负载电流大于电流给定时，PI调节器使Ud电压降低，3525引脚6电流变大，其输出频率增大，负载等效阻抗变大，使负载电流变小；反之，当负载电流小于电流给定值时，SG 3525输出频率减小，负载等效阻抗变小，负载电流增大，即实现电流闭环的控制。

　　4 软件部分

　　电源系统采用单片机实现智能温度控制和人机交互。通过如图6所示的电压、电流、频率、温度等采集模块将信号送入单片机，通过程序设置过压、过流、过热等软件保护。

　　由于注塑机对于进料筒的温度要求非常严格，每一个温区的温度误差要求为±2℃。本文设计的中频感应加热电源通过单片机PID算法实现温度闭环和功率闭环控制，将负载温度精确控制在±0.5℃。

　　5 试验结果

　　本文根据调频调功的控制理论，结合了负载LC串联谐振式逆变器，研制了20kHz/10kW的中频感应加热电源，对注塑机进料筒进行加热试验，其功率曲线如图10所示。

　　从图10中可知，负载功率随着驱动频率的变化而变化，说明了所设计的PI调节器调频调功的方法是可行的该加热电源工作在10kW时，功率因数为0.99，其功率管的驱动电压、功率管的工作电压和负载电流波形如图11所示。其中ug是功率管VT1驱动电压波形，工作频率f=17.16kHz，uVT1是功率管VT1的电压波形，io是负载电流。从图11中可知，输出电流为标准正弦波，且波形连续，电压uVT1与负载电流io波形均无尖峰，开关管工作在准软开关状态；功率管两端电压波形稍稍超前电流波形，这表明串联谐振回路工作在弱感性状态，实测结果与理论设计要求相符合。并且对不同直径的注塑机进料筒加热时，电源系统能顺利实现智能温度控制和功率控制。

　　6 结束语

　　通过试验10kW注塑机用感应加热电源，验证了本文所设计的工作原理是正确的，所得的结果也是可信和可行的，尤其是所设计的PI调节电路，通过硬件电流闭环和软件功率闭环，解决了不同注塑机料筒加热直径变化造成负载谐振频率不匹配且功率不稳定的问题；而且将直流母线电压、负载电流、工作频率等实时显示出来，对于了解负载变化等起到一目了然的作用，并且该电源使用、调试方便，易于维修。