基于KA3525的高頻感應(yīng)加熱電源的設(shè)計(jì)

賈涵博等

【摘 要】本文根據(jù)電流型PWM控制芯片KA3525的特點(diǎn)，并利用三星單片機(jī)S3F9454的輔助控制功能，設(shè)計(jì)了一種高頻感應(yīng)加熱電源電路，并可實(shí)現(xiàn)輸出功率可調(diào)。本文詳細(xì)介紹了它的功率調(diào)整電路、主電路、控制電路等，并描述了它們的實(shí)現(xiàn)原理與方法。

【關(guān)鍵詞】KA3525；三星單片機(jī)S3F9454；PWM；感應(yīng)加熱電源

0.引言

在當(dāng)今工業(yè)生產(chǎn)中，很多地方都要用到中小功率的感應(yīng)加熱電源，例如對(duì)工件進(jìn)行淬火、熔煉貴金屬等。這類電源大多為并聯(lián)諧振型電源，由電流源直接供電，通過(guò)直流側(cè)的控制電路實(shí)現(xiàn)功率調(diào)節(jié)，即通過(guò)調(diào)節(jié)整流晶閘管的移相觸發(fā)角來(lái)實(shí)現(xiàn)功率調(diào)節(jié)。這類電源在制作時(shí)需要消耗大量材料，入端功率因數(shù)低，包含比較大的平波電抗器，對(duì)電網(wǎng)也有較大的諧波干擾，效率低。因此，這類電源如今越來(lái)越不符合人們對(duì)具有高品質(zhì)的感應(yīng)加熱電源的要求。本文就這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)出了一種容易實(shí)現(xiàn)、高品質(zhì)的中小功率感應(yīng)加熱電源。

本文結(jié)合KA3525和三星單片機(jī)S3F9454的特點(diǎn)，研制出了一種基于KA3525并利用單片機(jī)輔助控制的高頻感應(yīng)加熱電源。對(duì)高頻感應(yīng)加熱電源的工作原理作了詳細(xì)分析，并對(duì)它的功率調(diào)整電路、主電路、控制電路等作了主要闡述。

1.感應(yīng)加熱電源原理及總體結(jié)構(gòu)

首先通過(guò)不控整流電路，將220V的交流電轉(zhuǎn)換為脈動(dòng)直流，再經(jīng)過(guò)電容濾波得到平直的直流電壓，然后通過(guò)高速V-MOS功率場(chǎng)效應(yīng)管組成的橋式逆變電路，得到高頻方波交流電壓，利用變壓器隔離實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，將高頻高壓電變?yōu)榈蛪捍箅娏?，從而?duì)金屬進(jìn)行加熱。

系統(tǒng)主要由七個(gè)部分組成：

不控整流電路：本文采用不控整流將220V的交流電變?yōu)椴豢烧{(diào)的直流電。

濾波電路：逆變諧振一般采用電容濾波，這里為減小體積，采用了電感，為防止電流沖擊破壞電路，特在電路中設(shè)置了延遲環(huán)節(jié)。

橋式逆變電路：本文裝置頻率較高，必須采用高速V-MOS場(chǎng)效應(yīng)管；由于單管電流容量受到限制，而場(chǎng)效應(yīng)管具有易并聯(lián)的特點(diǎn)，因此在滿足耐壓的前提下，采用多管并聯(lián)方式來(lái)滿足輸出功率的要求。

高頻變壓器隔離：串聯(lián)諧振一般Q值較大，諧振時(shí)，電壓可達(dá)千伏以上，須采用變壓器隔離，同時(shí)變壓器還能起到阻抗匹配作用。在高頻條件下，一般選用高頻鐵氧體磁芯作為變壓器磁芯。

調(diào)控電路：控制電路、保護(hù)電路構(gòu)成了調(diào)控電路的主體，負(fù)責(zé)調(diào)整控制感應(yīng)加熱電源的輸出功率，而且使IGBT始終工作在準(zhǔn)零電流開(kāi)關(guān)狀態(tài)，提高整機(jī)的工作效率。

控制電源：將交流電壓轉(zhuǎn)換為VDD，18V和5V直流電。其中，VDD給風(fēng)扇供電，18V電壓給IGBT驅(qū)動(dòng)，5V電壓用于單片機(jī)、顯示板、信號(hào)采樣提供基準(zhǔn)電壓等電路。本文設(shè)計(jì)采用VIPER12A構(gòu)成的5V電源和18V電源。

2.PWM控制芯片KA3525簡(jiǎn)介

隨著電子科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，功率MOSFET越來(lái)越多的被應(yīng)用于開(kāi)關(guān)變換器中。為此，美國(guó)硅通用半導(dǎo)體公司推出了KA3525芯片，用來(lái)驅(qū)動(dòng)n溝道功率MOSFET。KA3525是電流控制型PWM控制芯片，可在其脈寬比較器的輸入端直接用流過(guò)輸出電感線圈的信號(hào)與誤差放大器的輸出信號(hào)進(jìn)行比較，來(lái)調(diào)節(jié)輸出占空比，使輸出的電感峰值電流隨誤差電壓變化而發(fā)生變化。內(nèi)部結(jié)構(gòu)上有電壓環(huán)和電流環(huán)雙環(huán)系統(tǒng)，大大提高了開(kāi)關(guān)電源的電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率和瞬態(tài)響應(yīng)特性。KA3525脈寬調(diào)制控制器，不僅能夠控制調(diào)整死區(qū)時(shí)間，而且還有可編式軟起動(dòng)，脈沖控制封鎖保護(hù)等功能。通過(guò)改變KA3525第5腳上的電容值和第6腳上的電阻值，可以改變輸出控制信號(hào)PWM波的頻率；改變第9腳COMP的電壓可改變輸出脈寬，這些功能大大改善開(kāi)關(guān)電源的動(dòng)態(tài)性能，簡(jiǎn)化了控制電路的設(shè)計(jì)。

3.調(diào)控電路設(shè)計(jì)

逆變器的調(diào)功方式有很多，但所有的方式都有其自身的優(yōu)缺點(diǎn)，如逆變調(diào)功由于不用可控整流，控制電路大大簡(jiǎn)化，但此時(shí)逆變的角度會(huì)隨著功率的改變而改變（PDM方式除外）。在大角度換流時(shí)，逆變管的損耗會(huì)很大，這樣的話，要想進(jìn)一步提高功率和工作頻率，效果會(huì)不很理想。在PDM方式調(diào)功時(shí)，功率為有級(jí)調(diào)節(jié)。直流調(diào)功方法與移相調(diào)功方法相比，后者可以不用可控整流，這樣控制電路會(huì)大大簡(jiǎn)化，而且輸出功率的速度比采用可控整流要快。但是此時(shí)的逆變角度會(huì)隨功率的改變而改變，頻率的跟蹤不易實(shí)現(xiàn)，負(fù)載不易保持在諧振頻率附近工作。

而且橋臂開(kāi)關(guān)在工作的時(shí)候?qū)儆谟查_(kāi)關(guān)狀態(tài)，在大角度換流時(shí)，逆變管的損耗很大，這樣的話對(duì)于進(jìn)一步提高功率和工作頻率很不利。結(jié)合本文，選用脈沖頻率調(diào)制方式調(diào)功。同時(shí)選擇PWM控制芯片KA3525，使用該芯片可以簡(jiǎn)化控制電路。KA3525具有可調(diào)整的死區(qū)時(shí)間控制、可編式軟啟動(dòng)和脈沖控制封鎖保護(hù)等功能，這些功能均可以簡(jiǎn)化整體電路。

調(diào)控電路框圖如圖三所示。系統(tǒng)由KA3525產(chǎn)生兩路反向方波來(lái)控制IGBT的導(dǎo)通與關(guān)閉，IGBT驅(qū)動(dòng)采用由MOSFET構(gòu)成圖騰柱輸出的直接推挽方式，增強(qiáng)了驅(qū)動(dòng)能力。采用推挽式功率變換電路，由于開(kāi)關(guān)電源中的兩個(gè)開(kāi)關(guān)管交替工作，其輸出電壓波形對(duì)稱。開(kāi)關(guān)電源在整個(gè)工作周期之內(nèi)都向負(fù)載提供功率輸出，因此，輸出電流瞬間響應(yīng)速度高、電壓輸出特性良好。

3.1啟動(dòng)和關(guān)斷

軟啟動(dòng)電容接入端接入一個(gè)4.7uF的軟啟動(dòng)電容。當(dāng)軟啟動(dòng)電容充電至其上邊的電壓使得引腳8處于高電平時(shí)，KA3525開(kāi)始工作。負(fù)載端反饋的電壓與單片機(jī)的控制輸出端19的輸出的信號(hào)通過(guò)比較器比較，并將結(jié)果送到KA3525的外部關(guān)斷信號(hào)輸入端10引腳。如果結(jié)果為高電平，芯片內(nèi)部工作被關(guān)斷，11腳和14腳輸出的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)被關(guān)閉，主電路IGBT關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)主電路的保護(hù)功能。

3.2調(diào)功和輸出

將單片機(jī)的功率調(diào)整信號(hào)輸出端13與Rt連接起來(lái)，即可通過(guò)單片機(jī)控制PWM波的頻率，從而對(duì)輸出功率進(jìn)行調(diào)整。它的輸出級(jí)11、14引腳輸出兩路互補(bǔ)的PWM波，采用圖騰柱式結(jié)構(gòu)，拉電流和灌電流最大可達(dá)400mA。

4.主電路結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)

逆變電路分為單相和三相兩大類。單相逆變電路采用橋式接法。主要有：?jiǎn)蜗喟霕蚝蛦蜗嗳珮蚰孀冸娐?。而三相電壓型逆變電路則是由三個(gè)單相逆變電路組成。這里我們采用單相半橋串聯(lián)諧振逆變電路。

KA3525的11腳和14腳輸出都采用圖騰柱輸出。但KA3525產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)信號(hào)電壓較低，基本上在4-5V之間，不能驅(qū)動(dòng)IGBT，所以要將這個(gè)電壓放大到18V，以便更好地驅(qū)動(dòng)IGBT。本電路采用的是外加驅(qū)動(dòng)隔離電路，使其經(jīng)過(guò)推挽電路以及變壓器的放大，增強(qiáng)其驅(qū)動(dòng)能力和電源的可靠性。

為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無(wú)功能量提供通道，逆變橋各臂都并聯(lián)了續(xù)流二極管D10，D11，D12，D13。

穩(wěn)壓管ZD2、ZD3、ZD4、ZD5并聯(lián)在輸出電路上，目的是使輸出維持一個(gè)穩(wěn)定的電壓。

末端采用推挽式功率變換電路。由于開(kāi)關(guān)電源中的兩個(gè)開(kāi)關(guān)管IGBT1和IGBT2交替工作，使得輸出電壓波形對(duì)稱。并且開(kāi)關(guān)電源在整個(gè)工作周期之內(nèi)都向負(fù)載提供功率輸出，因此，輸出電流瞬間響應(yīng)速度高，電壓輸出特性好。兩個(gè)對(duì)稱的功率開(kāi)關(guān)管每次只有一個(gè)導(dǎo)通，所以導(dǎo)通損耗小。推挽式變壓器開(kāi)關(guān)電源是所有開(kāi)關(guān)電源中電壓利用率最高的開(kāi)關(guān)電源，即使在輸入電壓低的情況下，仍能維持較大功率輸出。

4.1電流檢測(cè)電路

互感器串聯(lián)在市電電路中，可將整個(gè)電路工作時(shí)電流的變化情況如實(shí)地轉(zhuǎn)換成交流電壓值。交流電壓通過(guò)由4個(gè)二極管組成的全波整流橋整流后，送入由R35、R37和C8組成的RC濾波器。再經(jīng)R35和R37分壓，R3限流，電容C1濾波，送入CPU的17引腳，CPU通過(guò)判斷此點(diǎn)電壓來(lái)檢測(cè)電路中電流的變化情況，以達(dá)到調(diào)節(jié)實(shí)際功率、防止過(guò)流的目的。該電路又稱為電流反饋電路。整機(jī)若要正常工作，則該點(diǎn)電壓正常是滿足正常加熱的條件之一。

CPU根據(jù)檢測(cè)此電壓信號(hào)的變化情況來(lái)檢測(cè)電磁爐的輸入電流，從而自動(dòng)做出各種動(dòng)作：

（1）檢測(cè)到待加熱金屬后，會(huì)用1秒鐘的時(shí)間來(lái)檢測(cè)電流的變化，通過(guò)電流變化的差值，確定待加熱金屬的材質(zhì)和尺寸。

（2）工作時(shí)，單片機(jī)時(shí)刻檢測(cè)電流的變化情況，根據(jù)檢測(cè)到的電壓和電流信號(hào)，自動(dòng)調(diào)整PWM做功率恒定處理。

4.2電壓檢測(cè)電路

電壓信號(hào)取自電磁爐電源交流輸入端，交流信號(hào)由整流橋輸出的整流脈動(dòng)電壓通過(guò)R34和R36分壓后傳到單片機(jī)的16引腳。

工作時(shí)，單片機(jī)時(shí)刻檢測(cè)電壓的變化，若電壓過(guò)高或過(guò)低（一般150V-250V電壓為正常），單片機(jī)將會(huì)發(fā)出保護(hù)的指令，停止加熱，并顯示代碼。電壓恢復(fù)正常后，加熱爐自動(dòng)恢復(fù)，繼續(xù)工作。

5.電路整體設(shè)計(jì)

6.總結(jié)

本文通過(guò)對(duì)感應(yīng)加熱電源原理及總體結(jié)構(gòu)做簡(jiǎn)單介紹，設(shè)計(jì)了一種采用電流型PWM控制芯片KA3525和三星單片機(jī)S3F9454控制實(shí)現(xiàn)輸出功率可調(diào)的高頻感應(yīng)加熱電源電路，并對(duì)其調(diào)控電路和主電路的原理和實(shí)現(xiàn)作了詳細(xì)介紹，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的硬件電（下轉(zhuǎn)第227頁(yè)）（上接第222頁(yè)）路，具有簡(jiǎn)單高效等特點(diǎn)。 [科]

【參考文獻(xiàn)】

[1]張占松.開(kāi)關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[2]張學(xué)勤，金天均，陳輝明.基于IGBT的100KHz高頻感應(yīng)加熱電源研制[J].電力電子技術(shù)，2006，40（2）：79-80.

[3]高傳德，林信智.我國(guó)感應(yīng)加熱設(shè)備企業(yè)的發(fā)展[J].金屬熱處理，2007，32（4）：103.

[4]熊一頻，沈錦飛，初中原.基于IGBT倍頻式180KHz感應(yīng)加熱電源的研究[J].電力電子技術(shù)，2008，42（11）：58-59.

[5]E.J. Dede，On the Design of High Frequency Series ResonantConverters for Induction Heating Applications.[z].IEEE.1993.

[6]潘大明.現(xiàn)代感應(yīng)加熱裝置[M].冶金工業(yè)出版社，1996.

[7]應(yīng)建平，賈愛(ài)民，徐玲玲等.串聯(lián)諧振逆變器中諧振極的慮用和設(shè)計(jì)方法[J].電力電子技術(shù)，2000（2）：7-9.

[8]張仲超，陳輝明.50kHz IGBT超音頻感應(yīng)加熱電源[J].電力電子技術(shù)，1995.

[9]全亞杰.感應(yīng)加熱電源的發(fā)展歷程與動(dòng)向[J].電焊機(jī)，2001，131（11）：36.

[10]熊臘森，全亞杰.高頻感應(yīng)加熱逆變電源的研究[J].電焊機(jī)，1999，29（12）：18-20.

[11]李東倉(cāng)，呂振肅，楊磊.串聯(lián)諧振并聯(lián)輸出IGBT 逆變器研究[J].電力電子技術(shù)，2000，34（2）：16-18.

[12]胡剛，陳為.IGBT 高頻感應(yīng)加熱電源的研制[J].青島海洋大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，24：88-89.

[13]劉星平.采用脈寬調(diào)制器SG3525 控制的新型單相交流調(diào)壓電路[J].機(jī)床電器，2002，29（2）：43-44.

[14]田健，王華民，郭會(huì)軍等.串聯(lián)聯(lián)諧振感應(yīng)加熱電源頻率跟蹤控制的研究[J].工業(yè)加熱2000，31（2）：4-7.