基于KA3525的高频感应加热电源的设计

基于KA3525的高频感应加热电源的设计
【摘要】本文根据电流型PWM控制芯片KA3525的特点，并利用三星单片机S3F9454的辅助控制功能，设计了一种高频感应加热电源电路，并可实现输出功率可调。

本文详细介绍了它的功率调整电路、主电路、控制电路等，并描述了它们的实现原理与方法。

【关键词】KA3525；三星单片机S3F9454；PWM；感应加热电源
0.引言
在当今工业生产中，很多地方都要用到中小功率的感应加热电源，例如对工件进行淬火、熔炼贵金属等。

这类电源大多为并联谐振型电源，由电流源直接供电，通过直流侧的控制电路实现功率调节，即通过调节整流晶闸管的移相触发角来实现功率调节。

这类电源在制作时需要消耗大量材料，入端功率因数低，包含比较大的平波电抗器，对电网也有较大的谐波干扰，效率低。

因此，这类电源如今越来越不符合人们对具有高品质的感应加热电源的要求。

本文就这一问题，设计出了一种容易实现、高品质的中小功率感应加热电源。

本文结合KA3525和三星单片机S3F9454的特点，研制出了一种基于KA3525并利用单片机辅助控制的高频感应加热电源。

对高频感应加热电源的工作原理作了详细分析，并对它的功率调整电路、主电路、控制电路等作了主要阐述。

1.感应加热电源原理及总体结构
首先通过不控整流电路，将220V的交流电转换为脉动直流，再经过电容滤波得到平直的直流电压，然后通过高速V-MOS功率场效应管组成的桥式逆变电路，得到高频方波交流电压，利用变压器隔离实现阻抗匹配，将高频高压电变为低压大电流，从而对金属进行加热。

系统主要由七个部分组成：
不控整流电路：本文采用不控整流将220V的交流电变为不可调的直流电。

滤波电路：逆变谐振一般采用电容滤波，这里为减小体积，采用了电感，为防止电流冲击破坏电路，特在电路中设置了延迟环节。

桥式逆变电路：本文装置频率较高，必须采用高速V-MOS场效应管；由于单管电流容量受到限制，而场效应管具有易并联的特点，因此在满足耐压的前提下，采用多管并联方式来满足输出功率的要求。

高频变压器隔离：串联谐振一般Q值较大，谐振时，电压可达千伏以上，
须采用变压器隔离，同时变压器还能起到阻抗匹配作用。

在高频条件下，一般选用高频铁氧体磁芯作为变压器磁芯。

调控电路：控制电路、保护电路构成了调控电路的主体，负责调整控制感应加热电源的输出功率，而且使IGBT始终工作在准零电流开关状态，提高整机的工作效率。

控制电源：将交流电压转换为VDD，18V和5V直流电。

其中，VDD给风扇供电，18V电压给IGBT驱动，5V电压用于单片机、显示板、信号采样提供基准电压等电路。

本文设计采用VIPER12A构成的5V电源和18V电源。

2.PWM控制芯片KA3525简介
随着电子科学技术的发展，功率MOSFET越来越多的被应用于开关变换器中。

为此，美国硅通用半导体公司推出了KA3525芯片，用来驱动n沟道功率MOSFET。

KA3525是电流控制型PWM控制芯片，可在其脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈的信号与误差放大器的输出信号进行比较，来调节输出占空比，使输出的电感峰值电流随误差电压变化而发生变化。

内部结构上有电压环和电流环双环系统，大大提高了开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性。

KA3525脉宽调制控制器，不仅能够控制调整死区时间，而且还有可编式软起动，脉冲控制封锁保护等功能。

通过改变KA3525第5脚上的电容值和第6脚上的电阻值，可以改变输出控制信号PWM波的频率；改变第9脚COMP的电压可改变输出脉宽，这些功能大大改善开关电源的动态性能，简化了控制电路的设计。

3.调控电路设计
逆变器的调功方式有很多，但所有的方式都有其自身的优缺点，如逆变调功由于不用可控整流，控制电路大大简化，但此时逆变的角度会随着功率的改变而改变（PDM方式除外）。

在大角度换流时，逆变管的损耗会很大，这样的话，要想进一步提高功率和工作频率，效果会不很理想。

在PDM方式调功时，功率为有级调节。

直流调功方法与移相调功方法相比，后者可以不用可控整流，这样控制电路会大大简化，而且输出功率的速度比采用可控整流要快。

但是此时的逆变角度会随功率的改变而改变，频率的跟踪不易实现，负载不易保持在谐振频率附近工作。

而且桥臂开关在工作的时候属于硬开关状态，在大角度换流时，逆变管的损耗很大，这样的话对于进一步提高功率和工作频率很不利。

结合本文，选用脉冲频率调制方式调功。

同时选择PWM控制芯片KA3525，使用该芯片可以简化控制电路。

KA3525具有可调整的死区时间控制、可编式软启动和脉冲控制封锁保护等功能，这些功能均可以简化整体电路。

调控电路框图如图三所示。

系统由KA3525产生两路反向方波来控制IGBT 的导通与关闭，IGBT驱动采用由MOSFET构成图腾柱输出的直接推挽方式，增
强了驱动能力。

采用推挽式功率变换电路，由于开关电源中的两个开关管交替工作，其输出电压波形对称。

开关电源在整个工作周期之内都向负载提供功率输出，因此，输出电流瞬间响应速度高、电压输出特性良好。

3.1启动和关断
软启动电容接入端接入一个4.7uF的软启动电容。

当软启动电容充电至其上边的电压使得引脚8处于高电平时，KA3525开始工作。

负载端反馈的电压与单片机的控制输出端19的输出的信号通过比较器比较，并将结果送到KA3525的外部关断信号输入端10引脚。

如果结果为高电平，芯片内部工作被关断，11脚和14脚输出的PWM驱动信号被关闭，主电路IGBT关断，从而实现主电路的保护功能。

3.2调功和输出
将单片机的功率调整信号输出端13与Rt连接起来，即可通过单片机控制PWM波的频率，从而对输出功率进行调整。

它的输出级11、14引脚输出两路互补的PWM波，采用图腾柱式结构，拉电流和灌电流最大可达400mA。