PI调节逆变式IGBT感应加热电源频率自动跟踪技术

PI 调节逆变式IGBT 感应加热电源频率自动跟踪技术赵　晶,齐铂金,张　伟,吴红杰(北京航空航天大学,北京　100083) 摘要:针对感应加热过程中谐振频率不断变化的问题,采用以SG 3525A 为核心的感应加热电源,检测电源输出电压与输出电流之间的相位差大小,并以此信号作为PI 调节的输入,通过该调节器控制感应加热电源的工作频率,实现了系统谐振频率的自动跟踪。

该方法具有跟随速度快、频率跟踪准确、电路设计简单、工作可靠等优点。

对上述方法的原理、电路设计以及实验结果等做了详细的分析和介绍。

关键词:感应加热;调节/频率跟踪中图分类号:TN86;TM924.5 文献标识码:A 文章编号:1000-100X (2003)02-0012-03R esonance Frequency Auto 2tracing T echnology B ased on PI Control for IGBT Induction H eating Pow er SourceZHAO Jing ,Q I Bo 2jin ,ZHAN G Wei ,WU Hong 2jie(Beijing U niversity of Aeronautics and Ast ronautics ,Beijing 100083,China )Abstract :In order to solve the problem about the variety of resonance frequency ,an induction heating power source is designed based on SG 3525A PWM control circuit ,which detects the phasic difference of output voltage and current.A PI control circuit which adjusts the power operation frequency based on the phasic difference is designed ,and it can trace the resonance frequency autometicly.The operating principle ,circuit design and experiment results are introduced.K eyw ords :induction heating ;adjustment ;frequency Tracing1　引　言感应加热技术具有升温快、功率高、易于控制、工艺质量可靠、氧化脱碳少,环境和作业条件良好等优点,因此其应用已涉及黑色或有色金属的熔炼、加热、淬火及回火等多种处理,钎焊、直缝管材高速焊接、电真空器件排气加热等领域。

对需要进行加热的工件而言,其电阻率和磁导率等物理常数与温度是密切相关的,随着加热温度的变化,感应加热电源输出回路中的感抗将发生变化,从而导致输出回路谐振工作点的变化,因此,为了提高加热效率和加热速度,感应加热电源需要具备频率自动跟踪的控制。

2　传统频率自动跟踪技术传统的频率自动跟踪控制常采用锁相环(PLL )电路[1],它主要由鉴相器PD ,压控振荡器VCO 和外接R 、C 的无源低通滤波器L PF 组成,其电路原理框图如图1所示。

锁相环电路是一个相位误差的控制系统,它通过比较输入信号和压控振荡器输出信号之间的基金项目:北京市自然科学基金资助项目(3022007)收稿日期:2002-06-18定稿日期:2002-08-12作者简介:赵　晶(1974-),男,湖北襄樊人,博士生,研究方向为大功率开关电源及微机控制技术。

相位差来调整压控振荡器的频率,从而达到输入、输出信号的同频。

显然,为了使锁相环电路输出的控制信号驱动IG B T 开关器件,必须另外设计死区时间生成电路和控制信号封锁保护电路等,使整个电路设计复杂化。

图1　锁相环频率跟踪电路原理框图在开关电源中常采用PWM 芯片SG 3525A ,它可以通过控制6脚上的电流大小来调节输出脉冲频率的高低。

文中以锁相环控制原理为基础,采用PI 调节与SG 3525A 芯片相结合的方法,实现了感应加热过程中谐振频率的自动跟踪。

3　基于PI 调节的频率自动跟踪技术3.1　控制原理文中设计的感应加热电源为串联谐振式全桥IG B T 逆变电源,其主电路如图2所示。

IG B T 的控制电路采用SG 3525A 及其外围电路构成,实现控制脉冲信号的生成和电源的保护功能。

SG 3525A 生成的控制脉冲信号频率f 由下式21第37卷第2期2003年4月 电力电子技术Power Electronics Vol.37,No.2April ,2003决定[2]:f =1C T (0.7R T +3RD )(1)式中　C T5脚上的连接电容R T 6脚上的连接电阻R D5脚和7脚之间的连接电阻图3是SG 3525A 部分管脚连线图,设计中采用三极管和电阻串联的方式来代替6脚上的电阻R T ,通过调节三极管的基极电压U b 改变三极管集电极上的电流大小,实际上就等效于改变R T 的大小,这样就调节了SG 3525A 输出的控制信号频率。

图2　串联谐振式全桥IG B T逆变电源原理框图图3　SG 3525A 部分管脚连线图以锁相环频率自动跟踪技术相比,以SG 3525A为核心的控制电路,不仅具有可调整的死区时间控制功能,而且电路还具有可编程式软启动,脉冲控制封锁保护等功能。

对于SG 3525A 而言,调节6脚上的电流大小可以改变输出控制信号的频率,调节9脚电压可以改变输出脉宽,这些功能可以改善加热电源的动态性能和简化控制电路的设计,从而提高整机工作的可靠性。

图4为基于PI 调节的谐振频率自动跟踪电路的原理框图,谐振电流i 经霍尔电流传感器进行电隔离采样,然后由过零比较器将正弦波信号变换成同频率的方波信号i a ,同样地,可以得到电压采样信号u α,最后电压信号u a 和电流信号i a 输入鉴相电路得到相位差信号,经RC 滤波器滤波及相位后置处理后,输出信号进入PI 调节器,之后输出的电压信号用于调节SG 3525A 6脚上所连接的三极管的基极电压U b ,从而实现谐振频率的自动跟踪。

图4　基于PI 调节的频率自动跟踪电路图原理框3.2　PI 调节器的工作原理及控制效果比例2积分调节网络简称PI 调节器,其输出信号与输入信号基本关系为[3]:u out (t )=K p u in (t )+K pτ∫tuin (t )d t (2)式中　K p比例增益τ积分时间PI 调节电路输入为单位阶跃信号时其输出为:u out (t )=K p +K pτt {t(3)可见,比例2积分调节电路输入为单位阶跃响应,是一条起始值为K P 的直线,其输出电压不会立即变得很大,而是随着时间的推移而增加,这样就能保证系统平稳工作。

当时间t 足够长时,调节电路将达到饱和状态,输出电压为u om ,如图5b 所示。

图5　PI 调节器的基本特性示意图反相型比例2积分调节电路如图6所示,电路比例增益为K p =R fR 1,积分时间为τ=R f C f 。

适当地调节积分电路的参数,即可改变比例2积分调节电路中的比例增益和积分时间,满足控制特性的要求。

在正常工作状态下,PI 调节器工作在一种动平衡状态,输出电压在图5b 中稳定工作点u o 附近振荡,使得加热回路能够工作在谐振状态。

当加热过程中谐振回路的参数发生变化时,将导致加热回路偏离最佳谐振状态,电压信号u a 与电流信号i a 之间将产生相位差。

当电压信号u a 超前于电流信号i a 时,电源工作频率高于回路的谐振频率,相位差信号直接进入PI 调节器的反相端,根据PI 调节器的特性,所出现的相位差阶跃信号使PI 调节器的输出电压降低,即降低了三极管基极电压U b ,从而使31PI 调节逆变式IG B T 感应加热电源频率自动跟踪技术电源的工作频率降低,并向回路的谐振频率逼近;当电压信号u a 滞后于电流信号i a 时,电源工作频率低于回路的谐振频率,相位差信号反相后进入PI 调节器反相端,PI 调节器的输出电压将增加,从而提高电源的工作频率,使其趋近于回路的谐振频率。

因此,PI 调节器的调节作用使电源的工作频率能够动态地逼近回路的谐振频率,从而实现谐振频率的自动跟踪,图7为调节后的谐振回路工作情况。

图6　反向PI 调节器电路示意图图7　PI 调节后的电流和电压波形4　感应加热电源的起动问题本文采用的频率跟踪控制技术,充分利用了SG 3525A 芯片的功能,不需外加振荡器电路,就能实现由他激向自激的转换。

工作原理叙述如下:在电源起动时,屏蔽PI 调节的积分部分,以比例部分运算所得的电压去控制SG 3525A 6脚上所连三极管的基极,以设定的频率进行电源的起动,而后通过电子开关接入PI 调节的积分部分,开始谐振频率的自动跟踪。

选择合适的参数以设定SG 3525A 6脚上所连三极管的基极的控制电压范围,从而确定电源的工作频率范围。

5　结　论实验证明,基于PI 调节的频率自动跟随技术具有电路简单、工作可靠等优点,能实现感应加热电源的可靠起动,并且能在加热过程中自动跟踪回路谐振频率,最终达到提高工作效率和质量的目的。

参考文献:[1]毛　鸿,等.感应加热电源无相差频率跟踪控制电路[J ].电力电子技术,1998(2):69～72.[2]Motorola Inc.Linear/Switchmode Voltage Regulator Handbook[M ],1989.[3]严楣辉.集成运算放大器分析与应用[M ].四川:电子科技大学出版社,1992.(上接第16页)了分布参数的影响,提高了变换器工作可靠性和电磁兼容性。

另外,VD 2、VD 3也用IG B T 的好处是可以实现输出电流正负极性的方便转换,需要换向时,只需将V 1、V 4上的驱动脉冲切换至VD 2、VD 3上即可,这时V 1、V 4充当续流二极管,VD 2、VD 3变成开关管,整个换向过程主电路不需添加任何换向元件,且可以在远控信号的控制下自动完成。

3.3　样机实验结果对样机组各项指标的测试结果表明,电流长期稳定度和电流纹波已超过设计指标。

测试结果见表1和图3。

表1　电源测试结果8小时电流稳定度7.9×10-5电流纹波7×10-5跟踪误差 1.4×10-4效率85% 图3为动态测试波形,上图为基准波形,中图为输出电流波形,下图为跟踪误差波形。

跟踪误差在输出电流刚上升时较大,之后逐渐减小,在下降拐弯时又变大,可以算出跟踪误差约为1×10-4,已超过设计指标。