一種串聯(lián)諧振脈沖調(diào)制感應加熱變換電路

丘 嶸，趙小靈，蒙 楠，陳延明

（1.廣東科學技術職業(yè)學院，廣東 廣州 510640；2.廣西機電工程學校，廣西 南寧 530001；3.廣西大學，廣西 南寧 530004）

針對中小功率的應用場合，以串聯(lián)諧振脈沖調(diào)制感應加熱電源作為研究對象，分析串聯(lián)諧振工作原理以及比較分析感應加熱功率調(diào)節(jié)方式脈沖頻率調(diào)制法（PFM）、脈沖密度調(diào)制法（PDM）、脈寬移相調(diào)制（PS-PWM），采用鎖相環(huán)4046的PFM頻率調(diào)制方式，并采取相位限制的控制策略，研制了一臺30 kHz/2 kW的串聯(lián)諧振感應加熱電源，最后給出了樣機的實驗結(jié)果與實驗波形。

1 電路工作原理及設計

1.1 串聯(lián)諧振電路特性分析

LRC串聯(lián)諧振變換電路原理圖如圖1所示。

圖1 串聯(lián)諧振變換電路

電路正常工作時，電阻上的電壓與輸出電壓的關系為

1.2 電路實現(xiàn)

（1）電流檢測信號。逆變器的輸出交流電流信號i0經(jīng)過匝比為1:n=1:150的電路互感器，得到降低的檢測電流信號i0/n，通過過零檢測電路，得到含相位的電流信號，橋式整流器RS406得到直流信號，通過檢測電阻Rs=10 Ω，將電流信號變?yōu)殡妷盒盘査腿氲诫妷焊S器U1，提高采樣電阻的帶負載能力，再經(jīng)過由R1C1組成的一階低通濾波器，獲得平穩(wěn)的電壓信號，再經(jīng)過誤差放大器U2，同相放大R4/R2=2倍后，將含相位的電流信號送入電流調(diào)節(jié)器。具體實現(xiàn)如圖2所示。

圖2 電流采樣電路

（2）限相電路的實現(xiàn)。整個頻域范圍內(nèi)電壓電流相位是在-90°～90°之間變化的，而對于相位比較器，輸入信號與輸出信號相位差范圍0～180°對應0～VCC的單調(diào)關系。本文通過采用了電流信號相位不變、電壓信號滯后90°的方案，輸入輸出在整個頻域范圍內(nèi)得到單邊變化的相位差，實現(xiàn)限相控制。限相電路的實現(xiàn)過程：同步信號給D觸發(fā)器提供VT1、VT4驅(qū)動信號的上升沿，在VCO輸出信號反相處理后的CLK信號觸發(fā)下，實現(xiàn)VT1、VT4驅(qū)動信號滯后90°的輸出。限相電路調(diào)節(jié)器本質(zhì)上就是一個PI調(diào)節(jié)器，電路如圖3所示。

圖3 限相電路調(diào)節(jié)器

在保證電路的正常工作條件下，限相PI調(diào)節(jié)器設計時，保持限相PI輸出始終為負值，這樣，在逆變器工作頻率高于諧振頻率的范圍內(nèi)，4046鑒相器輸出的平均直流電壓，始終低于反相端基準（理論值為6 V，實際中要留有裕量）。

（3）調(diào)功電路的實現(xiàn)。輸出的含相位的電流信號經(jīng)過零檢測得到的相位輸入到芯片CD4046的14腳，與3腳諧振電容電壓信號即VT1、VT4驅(qū)動信號滯后90°的相位比較得到誤差電壓信號，再經(jīng)過R25、R27、C31無源比例積分濾波器得到直流電壓信號，與電壓給定信號作比較，得到其誤差信號經(jīng)過電壓調(diào)節(jié)器，之后得到直流電壓控制信號，輸出的直流電壓控制信號控制壓控振蕩器的輸出頻率，從而控制變換器的輸出功率。二極管 D1、D2、D3、D4構成 4 輸入或門，其開環(huán)調(diào)試時需要斷開 D1、D2、D3，只開通 D4；而閉環(huán)調(diào)試時則只斷開D4。

圖4 PFM電路

2 實驗結(jié)果

本文感應加熱電源樣機主要技術指標如下：

輸入電壓（220±10%）V，AC；

線路頻率50 Hz；

逆變器工作頻率10～50 kHz；

諧振頻率30 kHz；

輸出功率2 kW。

PFM感應加熱電源整體電路結(jié)構如圖5所示。

圖5 感應加熱電源整體電路結(jié)構

（1）逆變橋的驅(qū)動波形。圖6中，對角開關管的驅(qū)動波形保持一致，同時開通、關斷，同一橋臂上下管的死區(qū)時間為1 μs，滿足開關管47N60C3的要求。

圖6 控制電路驅(qū)動波形

（2）開關管驅(qū)動和漏源極電壓波形。圖7中，在超前管驅(qū)動電壓（CH1）上升沿到來之前，開關管的漏源極電壓（CH2）已經(jīng)降為零，實現(xiàn)了零電壓開通，在吸收電容的作用下，管子關斷時所產(chǎn)生的電壓尖峰被很好地抑制。

圖7 感性狀態(tài)下開關管驅(qū)動與漏源極電壓波形

（3）閉環(huán)控制下調(diào)節(jié)器的輸出。圖8所示，限相PI（CH1）、電流PI（CH2）調(diào)節(jié)器正常工作。同一時刻只有一個調(diào)節(jié)器起作用，兩個調(diào)節(jié)器的切換銜接正常，無振蕩。

圖8 限相PI與電流PI的切換

（4）逆變器輸出電壓電流波形。圖9中，逆變器輸出電壓（CH1）為方波，電流（CH2）為正弦波；感性狀態(tài)下電壓超前電流，諧振狀態(tài)下電壓電流同相位。

圖9 輸出電壓、電流波形

3 結(jié)束語

本文提出了一種基于串聯(lián)諧振電路拓撲結(jié)構，設計了一臺30 kHz/2 kW的串聯(lián)諧振感應加熱變換電路，實現(xiàn)輸出電壓穩(wěn)定，交流電網(wǎng)側(cè)電壓、電流同相位且為正弦波。4個開關管均實現(xiàn)了零電壓開通（ZVS），有效地減少了開關損耗，電流調(diào)節(jié)器功率閉環(huán)正常工作，限相環(huán)節(jié)亦可把逆變器很好地限制在弱感性的準諧振狀態(tài)。

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