中頻感應(yīng)加熱設(shè)備的設(shè)計(jì)

遼寧工程技術(shù)大學(xué)摘要感應(yīng)加熱電源具有加熱效率高，速度快，可控性好，易于實(shí)現(xiàn)高溫和局部加熱，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，目前已在金屬熔煉、工件透熱、淬火、焊接、鑄造、彎管、表面熱處理等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。本設(shè)計(jì)研究了中頻感應(yīng)加熱及其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展、現(xiàn)狀和趨勢，并在較全面的論述基礎(chǔ)上，對2.5kHz/250kW可控硅中頻感應(yīng)加熱電源的整流電路以及控制電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)。本文設(shè)計(jì)的電源電路可用于大型機(jī)械熱加工設(shè)備的感應(yīng)加熱電源。整流電路采用三相橋式全控整流電路，其電路結(jié)構(gòu)簡單，使電源易于推廣；控制策略選用雙閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，改善了信號(hào)遲滯的缺點(diǎn)，為以后研制大功率、超音頻的感應(yīng)加熱電源打下了基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：可控硅中頻電源；感應(yīng)加熱；逆變；保護(hù)電路DesignofInductionheatingpowerofmediumfrequencyAbstractInductionheatingpowerisequippedwithlotsofadvantagessuchashighheatingefficiency,fastspeed,goodcontrollability,whichispronetomakeheatingofhighandpartialtemperature，andrealizemechanizationandautomation.Atpresentmetalmelting,workpieceheatpenetration,quenching,welding,casting,elbowpiece,surfaceheatingprocessinghasbeenwidelyapplied.Inductionheatingofmediumfrequencyanddevelopment,currentsituation,andtendencyrelatedtechnologyhasbeenstudied，andhavemadequitecomprehensiveandintheprofoundelaborationfoundation,thisarticlehascarriedonthedesigntomaincircuitandtheinversioncontrolofthe2.5kHz/250kWsilicon-controlledrectifierintermediatefrequencyinductionheatingpower.Thisdesignisusedforbigfacilityofmechanicalheatingprocessing.Structureofrectificationcircuitiseasy,whichmakespowerpopularizedeasily.Three-phasebridgerectificationcircuitisusedinRectificationcircuit.Rectificationcircuitusesfeedbackcontroloftwoclosedloop,improvingthedisadvantages.Thefoundationforinventinginductionheatingpowerofbigpowerandsuperaudioismade.Keywords：ControllablesiliconmediumpowerInductionheatingInverterProtectcircuit) UHfTr＋PI調(diào)節(jié)PI調(diào)節(jié)可控整流濾波電路逆變電路負(fù)載電路＋Tg

控制系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中的控制系統(tǒng)外環(huán)根據(jù)用戶給定的設(shè)定溫度和反饋的工件溫度進(jìn)行PI調(diào)節(jié)后設(shè)定給定電壓值，內(nèi)環(huán)根據(jù)和中頻電壓反饋經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后通過整流控制角調(diào)節(jié)器設(shè)定整流的角，控制中頻電源的輸出功率。在電壓閉環(huán)和溫度閉環(huán)中都采用了PI調(diào)節(jié)器。比例調(diào)節(jié)P反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用以減少偏差，較大的比例系數(shù)可以使系統(tǒng)很快到達(dá)設(shè)定位，但是也增加了系統(tǒng)的不穩(wěn)定性；積分調(diào)節(jié)I用于消除靜態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的無差度；在感應(yīng)加熱中，熱慣性比電慣性大得多，所以一般忽略微分調(diào)節(jié)D，在實(shí)際設(shè)備中采用PI調(diào)節(jié)雙閉環(huán)控制。本裝置是采用電流電壓雙閉壞控制電路。4.52.5kHz/250kW感應(yīng)加熱電源控制電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的2.5kHz/250kW感應(yīng)加熱電源的控制電路是電流電壓雙閉環(huán)控制，其中采用電流為內(nèi)環(huán)，電壓為外環(huán)的控制方式，如圖12所示。三相全控整流器三相全控整流器橋?yàn)V波電抗逆變電路負(fù)載電路電流反饋電壓反饋UgaUfIf－＋＋I(xiàn)gPI調(diào)節(jié)－＋PI調(diào)節(jié)圖122.5kHz/250kW感應(yīng)加熱器的控制系統(tǒng)圖中Ug為給定電壓，Uf為負(fù)載反饋電壓，If為負(fù)載反饋電流，Ig為負(fù)載電流給定，α為三相全控整流橋的導(dǎo)通角。通過對主回路的三相全控整流橋的控制，即對三相全控橋的六個(gè)晶閘管導(dǎo)通角α的控制，來實(shí)現(xiàn)對負(fù)載功率的控制。并聯(lián)逆變式負(fù)載采用頻率自動(dòng)跟蹤，需要對單相逆變器通斷的控制，來保證負(fù)載電路為諧振回路，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)載的功率輸出最大。4.6控制觸發(fā)回路頻率跟蹤調(diào)節(jié)4.6.1觸發(fā)要求為使逆變器可靠換向，必須按一定引前功率因數(shù)運(yùn)行。逆變器在加熱過程中，爐子的電感是個(gè)變量，其震蕩頻率在加熱過程中是不斷地變化的，為使逆變器安全地工作，觸發(fā)頻率必須緊跟爐子電感的變化。同時(shí)逆變器電流超前于電壓的角度不能太小，否則晶閘管承受反向電壓的時(shí)間太短，就不能可靠地關(guān)斷晶閘管，待負(fù)載電壓過零后，管子又將得到正向電壓，造成換向失敗，但引前觸發(fā)角不能太大，它會(huì)造成功率因數(shù)下降，輸出電壓值升高?？傊|發(fā)應(yīng)是在一定的引前角下進(jìn)行，逆變器的換向必須在負(fù)載電壓過零前結(jié)束，逆變器觸發(fā)頻率必須跟蹤于負(fù)載頻率。4.6.2頻率跟蹤電路頻率自動(dòng)跟蹤可由逆變器或負(fù)載端的電流或電壓量，經(jīng)過處理，產(chǎn)生脈沖，使逆變器隨爐子參數(shù)的變化不斷改變觸發(fā)脈沖頻率。它分為兩種恒時(shí)間原則及恒功率因數(shù)原則。（1）恒時(shí)間t原則，即加熱過程中始終保持引前觸發(fā)時(shí)間為恒值。其缺點(diǎn)是當(dāng)換向重疊時(shí)間增加時(shí)，安全余量勢必減小，對換向不利。啟動(dòng)時(shí)為使逆變器可靠換向，需人為增大t值。本原則功率因數(shù)隨爐子負(fù)載變化而變化。（2）恒功率因數(shù)原則，其目的是爐子在加熱運(yùn)行過程中，始終保持引前觸發(fā)角平為恒定值。本原則在運(yùn)行中當(dāng)頻率降低時(shí)，tf將自動(dòng)增大，使引前觸發(fā)角保持不變，啟動(dòng)時(shí)雖然換向重疊時(shí)間增大，但因頻率較低也能保證tk有足夠的值，爐料溫度升高的過程中tf值將自動(dòng)減小，由于負(fù)載電流下降，tk值幾乎不受影響，本裝置隨頻率自動(dòng)變化。4.7過流和過壓的保護(hù)電路電力電子半導(dǎo)體器件特點(diǎn)之一是承受過電壓、過電流的能力較差，一旦遇到故障，幾乎瞬間就壞。為了提高電力電子裝置的可靠性，除了在選擇器件時(shí)，需有一定的電壓和電流裕量外，還需要采用一定的保護(hù)措施。一般過電壓是用阻容元件吸收和消耗產(chǎn)生過電壓的能量，或是選用非線性元件限制過電壓的幅度和用電子電路來實(shí)施保護(hù)等方法來抑制過電壓。過電流一般是采用快速熔斷器，快速直流開關(guān)和電子電路來實(shí)施過電流保護(hù)的?？煽毓杵骷目惯^流能力較弱，熱容量較小，過載電流流過器件時(shí)會(huì)使器件溫度迅速上升，如來不及切斷或限制過電流，很快就會(huì)使器件因溫度過高而損壞；過載電流越大器件能承受過電流時(shí)間越短，因此線路設(shè)計(jì)須考慮保護(hù)。本設(shè)計(jì)是采用快速熔斷器的保護(hù)措施，這是一種最簡單有效的過電流保護(hù)器件。它的分?jǐn)鄷r(shí)間短（〈10ms），允許能量小，分?jǐn)嗄芰?qiáng)（1000A）以上）。使用時(shí)，與被保護(hù)晶閘管直接串聯(lián)，如圖14整流電路中的快速熔斷器所示。圖14感應(yīng)加熱電源電路換流過程中的電壓毛刺會(huì)引起電路產(chǎn)生過電壓，這種現(xiàn)象主要靠增加阻容吸收來克服，須注意：逆變回路二極管上也需要加阻容吸收。阻容吸收電路俗稱緩沖電路，電路是由電容和電阻串聯(lián)而成，利用電容來吸收尖峰狀態(tài)的過電壓能量，利用與電容串聯(lián)的電阻來消耗產(chǎn)生過電壓的能量。電阻還能阻止電容與線路分布電感形成的振蕩以及限制當(dāng)開關(guān)器件導(dǎo)通時(shí)，由電容放電引起的di/dt和浪涌電流。整流器和逆變器等同一個(gè)諧波源，在運(yùn)行時(shí)都會(huì)向電網(wǎng)注入諧波電流電壓，這些諧波分量都將產(chǎn)生不良影響。這是本設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)，也是今后研究的一個(gè)重要趨勢，目前只能靠LC濾波器來盡量減少諧波分量的影響。5驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路的作用是將控制電路輸出的PWM脈沖放大到足以驅(qū)動(dòng)IGBT，所以單從原理上講，驅(qū)動(dòng)電路主要起開關(guān)功率放大作用，即脈沖放大作用器。其重要性在于IGBT的開關(guān)特性與驅(qū)動(dòng)電路的性能密切相關(guān)。5.1絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）對驅(qū)動(dòng)電路的要求5.1.1門極電壓對開關(guān)特性的影響及選擇驅(qū)動(dòng)電路的要求與IGBT的特性密切相關(guān)，見表5.1。設(shè)計(jì)門極驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，應(yīng)特別注意其開通特性、負(fù)載短路能力和引起的誤觸發(fā)等問題。正偏置電壓UGE增加，通態(tài)電壓UCE下降，開通能耗EON也下降，只有當(dāng)UGE大到一定值時(shí)，UCE才能達(dá)到較低的飽和值。若+UGE固定不變時(shí)，導(dǎo)通電壓將隨集電極電流增大而增高，開通損耗將隨結(jié)溫而升高。由此可知當(dāng)門極電壓在15V左右時(shí)，通態(tài)壓降接近飽和，但是門極電壓不能超過20V，否則可能擊穿門極與發(fā)射極之間的氧化膜，這里選擇18V。表5.1IGBT的門極驅(qū)動(dòng)與特性的關(guān)系特性、、負(fù)載短路能力條件UCE大UCE大RG大減小————減小——增大——微增大增大減小————增大減小減小負(fù)偏電壓-UGE直接影響IGBT的可靠運(yùn)行，負(fù)偏電壓增高時(shí)漏極浪涌電流明顯下降，對關(guān)斷能耗無顯著影響，-UGE與集電極浪涌電流和關(guān)斷能耗EOFF的關(guān)系十分密切。因?yàn)楫?dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)，會(huì)在集電極和射極間產(chǎn)生很高的電壓上升率，引發(fā)較大的位移電流，使得門極與發(fā)射極間的電壓升高，可能超過門極閥值，導(dǎo)致脈沖浪涌電流過大，發(fā)生擎住效應(yīng)。為了避免這種誤觸發(fā)，在IGBT關(guān)斷時(shí)，應(yīng)在門極上加負(fù)電壓，-5V～-10V。因此，驅(qū)動(dòng)電路輸出選擇+18V和-5V為開通和關(guān)斷電壓。5.1.2門極串聯(lián)電阻對開關(guān)特性的影響及選擇門極電阻增加，將使IGBT的開通與關(guān)斷時(shí)間增加；因而使開通與關(guān)斷能耗均增加。而門極電阻減小，則又使增大，可能引發(fā)IGBT誤導(dǎo)通，同時(shí)RG上的損耗也有所增加。因?yàn)镽G的具體數(shù)值還與柵控電路的具體形式及IGBT的電壓、電流大小有關(guān)，所以門極電阻選擇要適當(dāng)。本設(shè)計(jì)中的門極電阻可選取30Ω。綜上所述對驅(qū)動(dòng)電路的要求可歸納如下：①IGBT與MOSFET都是電壓驅(qū)動(dòng)，都具有一個(gè)2.5～5.0V的閾值電壓，有一個(gè)容性輸入阻抗，因?yàn)镮GBT對柵極電荷集聚較敏感，故驅(qū)動(dòng)電路必須很可靠，要保證有一條低阻抗的放電回路，即驅(qū)動(dòng)電路與IGBT的連線要盡量短。②用內(nèi)阻小的驅(qū)動(dòng)源對柵極電容充放電，以保證柵極控制電壓UGE有足夠陡的前后沿，使IGBT的開關(guān)損耗盡量小。另外,IGBT開通后，柵極驅(qū)動(dòng)源應(yīng)能提供足夠的門極電壓，使IGBT不致退出飽和而損壞。③驅(qū)動(dòng)電路要能傳遞幾百Hz的脈沖信號(hào)。④驅(qū)動(dòng)電平+UGE也必須綜合考慮。+UGE增大時(shí)，IGBT通態(tài)壓降和開通損耗均下降，但負(fù)載短路時(shí)的IC增大，IGBT能承受短路電流的時(shí)間減少，對其安全不利，因此在有短路過程的設(shè)備中UGE應(yīng)選得小些，一般選12～15V。⑤在關(guān)斷過程中，為盡快抽取PNP管中的存儲(chǔ)電荷，需施加一負(fù)偏壓UGE，但它受IGBT的G、E間最大反向耐壓限制，一般取-2～-10V。⑥驅(qū)動(dòng)電路與控制電路應(yīng)嚴(yán)格隔離。⑦IGBT的柵極驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)盡可能簡單實(shí)用，最好自身帶有對IGBT的保護(hù)功能，并有較強(qiáng)的抗干擾能力。5.2IGBT過壓的原因及抑制IGBT關(guān)斷時(shí)，由于主回路電流的急劇變化，主回路的雜散電感引起高壓，產(chǎn)生開關(guān)浪涌電壓，由于此開關(guān)浪涌電壓，關(guān)斷時(shí)的電壓軌跡超過了RBSOA（反向偏置電壓安全動(dòng)作區(qū)域）就會(huì)損壞元件。為了對這種過電壓進(jìn)行抑制，采用適當(dāng)?shù)牟季€使主電路中的所有寄生電感減至最小時(shí)有利的，然后采用抑制網(wǎng)絡(luò)，并以最短的距離將其連接起來，在本系統(tǒng)中，采用的緩沖回路如下圖5.2所示：（1）工作原理在IGBT導(dǎo)通時(shí)，通過R1使Cs1充電到直流電源Ud。當(dāng)T1由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)，由于主回路的雜散電感，電流Io將通過Cs1、D1流向變壓器原邊，管子兩端的電壓為電容電壓與二極管電壓之和，由于電容器Cs1上的電壓不能突變，所以T1管子兩端電壓將得到抑制。（2）緩沖器回路的設(shè)計(jì)1、緩沖器電容的計(jì)算：當(dāng)T1由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)，為維持負(fù)載電流的連續(xù)，電流Io將流過電容Cs1、D1、變壓器原邊、T4，雜散電感L中儲(chǔ)存的能量絕大部分將轉(zhuǎn)移到Cs1儲(chǔ)存，即：圖圖5.2緩沖器回路圖這里：主回路的雜散電感IGBT關(guān)斷時(shí)的集電極電流IGBT關(guān)斷時(shí)的集電極—發(fā)射極電壓直流電源電壓按經(jīng)驗(yàn)選取2、緩沖器阻抗R的計(jì)算:對緩沖器阻抗的要求使IGBT在關(guān)斷信號(hào)到來之前，將緩沖器電容上的電壓放至直流電壓。若阻抗很小，會(huì)使電流波動(dòng)，IGBT開通時(shí)的集電極電流初始值將增大，在滿足的前提下，希望選取盡可能大的阻值，選取R=10Ω。在緩沖電路中，電容要選為無感電容。電阻要選為無感電阻。3、緩沖器二極管的選擇：要選擇快恢復(fù)二極管，若二極管選擇不當(dāng)，會(huì)產(chǎn)生很高的尖峰電壓，同時(shí)在二極管反向恢復(fù)時(shí)期電壓波動(dòng)。這里選擇二極管型號(hào)為MUR8100。由圖5-2可知緩沖器二極管D1和緩沖器電容Cs1的公共點(diǎn)是二極管的陽極，所以圖5.3中二極管電壓為實(shí)際電壓的相反值，可以看出，在T1由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)，D1導(dǎo)通，Cs1充電，所充電壓為，其中L為主回路的雜散電感。在T3由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)，D1不通并承受反壓，Cs1通過R1充電，所充電壓為，其中L1為變壓器的漏感。5.3IGBT的過流保護(hù)在選擇IGBT的型號(hào)時(shí)，考慮了器件的工作電流及允許的過電流，然而在故障條件下，器件承受較大的故障浪涌電流，這是不允許的，所以要用某些方法保護(hù)器件免受破壞。對于負(fù)載變化引起的過載，通過閉環(huán)控制，是可以調(diào)節(jié)的。但是當(dāng)出現(xiàn)更為嚴(yán)重的過載，例如逆變電路橋臂短接等問題時(shí)，故障電流在IGBT管中急劇上升，這時(shí)就要給IGBT提供一個(gè)快速保護(hù)電路。在主電路所示IGBT的逆變電路中，T1和T3,T2和T4分別組成一個(gè)橋臂，如果由于故障或誤操作使得同一橋臂上的IGBT同時(shí)導(dǎo)通，即會(huì)產(chǎn)生橋臂短路現(xiàn)象，比如，T1和T3同時(shí)導(dǎo)通即會(huì)由短路電流流過兩個(gè)IGBT，其電流通路如圖所示。由于T1和T3支路的電感很小，短路電流的上升率和浪涌沖擊電流均很大，又可能導(dǎo)致IGBT燒毀。5.3.1設(shè)計(jì)短路保護(hù)電路的幾點(diǎn)要求（1）在器件實(shí)效之前完成IGBT的關(guān)斷，對于IGBT所經(jīng)歷的所有工作狀況，它應(yīng)該是成立的。（2）應(yīng)有一定的抗干擾能力。（3）由于快開關(guān)的和雜散電感相互作用，開關(guān)電路產(chǎn)生噪聲，以及電路中其它的電磁干擾，故障檢測應(yīng)有一定的抗干擾能力。（4）應(yīng)足以適用于電路中的各種短路情況。（5）不應(yīng)影響IGBT的開關(guān)特性。5.4集成光電隔離驅(qū)動(dòng)模塊HCPL-316J設(shè)計(jì)IGBT的驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路是對它應(yīng)用的關(guān)鍵。如何保證系統(tǒng)穩(wěn)定且可靠工作,又使系統(tǒng)的開發(fā)周期短,性價(jià)比高,是一個(gè)需要綜合考慮的問題。目前實(shí)際產(chǎn)品應(yīng)用中有各種典型的驅(qū)動(dòng)電路,但都存在一定的不足。鑒于對電源和驅(qū)動(dòng)的要求,結(jié)合本次畢業(yè)設(shè)計(jì)選擇了AGILENT公司的光電耦合驅(qū)動(dòng)器件HCPL-316J設(shè)計(jì)電路及與控制器的接口。其內(nèi)部集成集電極-發(fā)射極電壓（UGE）欠飽和檢測電路及故障狀態(tài)反饋電路。下面給出具體設(shè)計(jì)過程及其應(yīng)用。圖5.3HCPL316J芯片管腳該芯片為SO16封裝的表貼器件,其輸入輸出部分分別排列在芯片的兩邊。如下圖圖5.3HCPL316J芯片管腳5.4.1器件特性

—兼容CMOS/TTL電平；

—光隔離，故障狀態(tài)反饋；

—開關(guān)速度最大500ns；

—“軟”IGBT關(guān)斷；—欠飽和檢測及帶滯環(huán)欠壓鎖定保護(hù)；

—寬工作電壓范圍（15～30V）；—用戶可配置自動(dòng)復(fù)位、自動(dòng)關(guān)閉。5.4.2芯片管腳及其功能介紹見表5.2。表5.2ＨＣＰＬ—３１６Ｊ各管腳功能表腳號(hào)符號(hào)功能說明腳號(hào)符號(hào)功能說明1正向輸入信號(hào)端8芯片內(nèi)部LED1反向電壓2反向輸入信號(hào)端16正向?qū)ǖ妮敵鲭妷?輸入部分電源端15芯片內(nèi)部LED2正向電壓4GND1輸入部分接地端14DESAT飽和過電壓輸出端5故障信號(hào)輸入端12正向?qū)ǖ妮敵鲭妷阂话慵釉陂_關(guān)器件發(fā)射極上6故障復(fù)位輸入端9,10反向截止電壓7芯片內(nèi)部LED1正向電壓13正向?qū)ǖ妮敵鲭妷阂话慵釉诎l(fā)射極上。11正向及反向輸入信號(hào)端,經(jīng)過內(nèi)部光耦隔離放大后輸出端5.4.3內(nèi)部邏輯電路結(jié)構(gòu)分析該芯片片內(nèi)分為驅(qū)動(dòng)隔離和保護(hù)隔離兩部分主要功能模塊。輸入信號(hào)通過上部光電隔離器LED1傳送到輸出,故障信號(hào)通過下部光電隔離器LED2反饋到驅(qū)動(dòng)離模塊?；竟ぷ髟砣缦?（1）正常工作時(shí)閾值電壓UVLO點(diǎn)為低電平,DESAT腳和7V比較輸出為低電平,E點(diǎn)信號(hào)隨LED1變化,FAULT點(diǎn)電位始終為低電平,三級(jí)復(fù)合達(dá)林頓管工作,輸出電壓VOUT=VC。電路中通過一個(gè)內(nèi)部互鎖邏輯1和2保證在同一時(shí)間輸出端C點(diǎn)只有一種狀態(tài)。（2）實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能時(shí)①欠壓保護(hù)當(dāng)Vcc2低于UVLO=12V時(shí),電路中UVLO保護(hù)和DESAT保護(hù)同時(shí)激活,A點(diǎn)為低電位,使輸出一直保持在低電位,封鎖IGBT,以免在過低的柵源電壓下IGBT導(dǎo)通時(shí)燒毀管子。當(dāng)Vcc2超過UVLO=12V時(shí),退出保護(hù)。②退飽和故障檢測保護(hù)當(dāng)IGBT在導(dǎo)通時(shí)發(fā)生過流,VCE急劇升高超過設(shè)定的VCE保護(hù)電壓,DASAT引腳電壓大于7V,退飽和保護(hù)電路開始工作,FAULT電位鎖定在高電平,A,B點(diǎn)為低電位,三級(jí)復(fù)合達(dá)林頓管和50xDMOS管被禁止,1*DMOS管激活緩慢降低柵極電壓,當(dāng)柵極電壓低于2V時(shí),50*DMOS管開通使柵極電壓牢牢夾斷在VEE。直到信號(hào)LED1關(guān)斷時(shí),FAULT才變?yōu)榈碗娖?。這一過程稱為軟關(guān)斷,它能有效降低硬關(guān)斷所引起的對功率管的損害。將DASAT過電壓到故障信號(hào)輸出為低電平的這一段時(shí)間稱之為退飽和故障檢測消隱時(shí)間。該時(shí)間由引腳DESAT充電電流、DESAT閾值電壓與外接DESAT電容的大小決定。其值可由下式計(jì)算:值代表了DESAT故障條件下的最大響應(yīng)時(shí)間。如果IGBT開通的瞬間集電極和發(fā)射極短路,軟關(guān)斷電路將在大約后啟動(dòng)。若是在開通期間發(fā)生短路,則因DESAT二極管的寄生電容,使該消隱時(shí)間更加快一些。該時(shí)間為設(shè)定的保護(hù)盲區(qū),能有效防止IGBT在工作中瞬時(shí)短時(shí)間過流而使保護(hù)動(dòng)作。保護(hù)電壓通過DESAT腳的快恢復(fù)二極管來改變。由圖5.4可見,,所以。通過增加二極管的個(gè)數(shù)可改變的值。值太大管子發(fā)熱嚴(yán)重,保護(hù)起不到作用,過小會(huì)引起保護(hù)頻繁動(dòng)作,不利于系統(tǒng)穩(wěn)定工作。因此,要根據(jù)實(shí)際情況合理選擇的值。圖5.4邏輯電路原理圖5.4.4器件功能分析HCPL316J是一種簡單的智能型驅(qū)動(dòng)器芯片。用戶可根據(jù)需要靈活設(shè)置高電平輸入、高電平輸出和低電平輸入、高電平輸出的輸入方式,自動(dòng)復(fù)位或通過控制復(fù)位,故障自動(dòng)關(guān)斷,光耦隔離,CMOS/TTL電平兼容,集成的退飽和電壓檢測，有回滯的低電壓閉鎖(UVLO),軟關(guān)斷IGBT技術(shù)及隔離的故障反饋信號(hào)。IGBT柵極最大驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)2.5A,最大驅(qū)動(dòng)電流=150A,=1200V,最大開關(guān)速度為500ns,較寬的工作電壓范圍為15～30V。圖5.5為所設(shè)計(jì)的正向輸入IGBT驅(qū)動(dòng)電路。圖5.5具有正向退飽和保護(hù)的HCPL316J驅(qū)動(dòng)電路Vin+和Vin-是正向及反向輸入信號(hào)端,經(jīng)過內(nèi)部光耦隔離,放大后在端輸出與波形相同的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。IGBT正向?qū)〞r(shí)的柵源電壓為；反向截止時(shí)的為。輸出端的0.1μF的電容(C3,C4,C5)提供開關(guān)變換瞬態(tài)時(shí)的工作電流；100pF的電容()反映了當(dāng)IGBT發(fā)生過流故障時(shí),HCPL316J從檢測到故障到開始工作的反應(yīng)時(shí)間。為了提高故障信號(hào)的抗干擾能力,在引腳接一個(gè)上拉電阻和。為了防止門極開路或損壞時(shí)主回路加上電壓而損壞IGBT,在柵射極之間加上一個(gè)下拉電阻R4,以吸收大約650μA的靜態(tài)電流。R2的作用是限制芯片在腳上的外抽電流，它與，構(gòu)成IGBT集電極短路保護(hù)電路。5.4.5驅(qū)動(dòng)電路需要注意的問題驅(qū)動(dòng)電路的電源采用7個(gè)獨(dú)立的電源供電，由開關(guān)變壓器多路輸出經(jīng)整流濾波和三端穩(wěn)壓器得到。正向電壓為18V，反向關(guān)斷電壓為－5V，芯片驅(qū)動(dòng)電壓為5V。該電壓值能保證IGBT可靠工作。為了防止同一橋臂的上、下管同時(shí)導(dǎo)通而引起IGBT直通燒毀，在硬件電路上采用了一端為控制信號(hào)另一端接地的方式。每一片的HCPL316J都由管腳1作為控制信號(hào)，管腳2全部接地，同時(shí)通過控制電路實(shí)現(xiàn)死區(qū)時(shí)間設(shè)置來保證上、下管不能直通。用戶能夠靈活設(shè)計(jì)HCPL316J驅(qū)動(dòng)電路和控制電路之間的接口。由于HCPL316J能兼容TTL/CMOS電平，因此可直接將控制器過來的PWM信號(hào)接在驅(qū)動(dòng)芯片上。復(fù)位信號(hào)可采用局部復(fù)位、全局復(fù)位和自動(dòng)復(fù)位方式。該電路采用了全局復(fù)位方式，四組復(fù)位信號(hào)以或的方式聯(lián)接在一起，然后以一個(gè)信號(hào)聯(lián)接到控制器的復(fù)位控制信號(hào)上。故障檢測信號(hào)與復(fù)位信號(hào)一樣，以總線方式聯(lián)接在一起送進(jìn)控制器中。控制器采用分立元器件構(gòu)成的能夠產(chǎn)生PWM控制信號(hào)的控制電路（詳見3控制電路部分）,在HCPL316J內(nèi)經(jīng)過光電隔離，復(fù)現(xiàn)原有的控制信號(hào)去控制IGBT。用555構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)電路檢測FAULT信號(hào)，如果有故障，則封鎖PWM輸出。使系統(tǒng)重新工作必須先發(fā)出一個(gè)RESET信號(hào)，然后送出PWM信號(hào)才能正常運(yùn)行。在接口電路設(shè)計(jì)中應(yīng)注意:①要求驅(qū)動(dòng)芯片的供電電壓比較穩(wěn)定，最大值不能超過5.5V，否則會(huì)損壞芯片；②該芯片的控制功率電源較多，而且還有部分高壓信號(hào)與其相連，因此在布線制板時(shí)一定要考慮電源之間的間距和芯片輸出到IGBT之間的距離；③為了提高系統(tǒng)的抗共模干擾能力，可以在控制器和驅(qū)動(dòng)電路之間加光耦。6輔助直流穩(wěn)壓電源方案1：采用單一電源供電。這種方法明顯不行。因?yàn)殡娐分杏心M電路、數(shù)字電路等弱電部分電路，還有感應(yīng)加熱負(fù)載的強(qiáng)電流電路。如果采用單一電源，各個(gè)部分很可能造成干擾，系統(tǒng)無法正確工作，還可能因?yàn)樨?fù)載過大，電源無法提供足夠的工作電流。特別是壓機(jī)啟動(dòng)瞬間電流很大，而且逆變電路負(fù)載電流波動(dòng)較大會(huì)造成電壓不穩(wěn)，有毛刺等干擾，嚴(yán)重時(shí)可能造成弱電部分電路掉電。方案2：采用雙電源，即電源負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路等強(qiáng)電部分用一個(gè)電源，模擬電路、數(shù)字電路等弱電部分用一個(gè)電源。這種方法明顯比前一種方案可靠性要高，但是電路間還是可能會(huì)產(chǎn)生干擾，造成系統(tǒng)不正常，而且還可能會(huì)對IGBT的工作產(chǎn)生干擾，影響IGBT的正常工作。方案3：采用多電源供電方式，即對數(shù)字電路、模擬電路、驅(qū)動(dòng)電路分別供電，這種方案即降低了系統(tǒng)各個(gè)模塊間的干擾，還保證了電源能為各部分提供足夠的工作電流，提高系統(tǒng)的可靠性。根據(jù)上述分析，決定采用方案3。6.1三端固定穩(wěn)壓器三端固定穩(wěn)壓器CW78××與LM317不一樣，為固定式三端穩(wěn)壓器，它只能輸出一個(gè)穩(wěn)定電壓。固定式三端穩(wěn)壓器的常見產(chǎn)品如圖6.1所示。圖6.1CW78××、CW79××系列穩(wěn)壓器CW78××系列穩(wěn)壓器輸出固定的正電壓，如7805輸出為＋5V；CW79××系列穩(wěn)壓器輸出固定的負(fù)電壓，如7905輸出為－5V。其典型應(yīng)用電路如圖6.2所示。圖6.2CW78╳╳典型應(yīng)用電路輸入端接電容可以進(jìn)一步濾除紋波，輸出端接電容Co能改善負(fù)載的瞬態(tài)影響，使電路穩(wěn)定工作。、最好采用漏電流小的鉭電容，一般不得小于0.1uF，如采用電解電容，則電容量要比圖中數(shù)值增加10倍。約為3.2mA.6.2本次設(shè)計(jì)用的的電源6.2.118伏,15伏穩(wěn)壓電壓電源圖6.3所示電路為15伏輸出的直流穩(wěn)壓電源。從圖可見，穩(wěn)壓電源由變壓器、二極管整流橋、濾波器和集成穩(wěn)壓等環(huán)節(jié)組成。如果把圖6.3中的集成穩(wěn)壓器7815換成7818，整流變壓器副邊繞組電壓降為20伏，則穩(wěn)壓電源變?yōu)檩敵?8伏的單路直流穩(wěn)壓電源。圖6.3+15伏穩(wěn)壓電壓電源6.2.2±12伏，±5伏雙路穩(wěn)壓電源圖6.4所示電路為±12伏輸出的直流穩(wěn)壓電源，從圖可見，穩(wěn)壓電源與±12V輸出的直流穩(wěn)壓電源一樣，也是由變壓器、二極管整流橋、濾波器和集成穩(wěn)壓等環(huán)節(jié)組成。如果把圖6.4中的集成穩(wěn)壓器7812換成7805，7912換成7905(注意7912管腳的輸入、輸出和接地都與7812不同的.)則穩(wěn)壓電源變?yōu)檩敵觥?伏的單路直流穩(wěn)壓電源，供給HCPL316J芯片工作。圖6.4±12伏雙路穩(wěn)壓電源（1）使用中應(yīng)注意：①整流橋輸出地端應(yīng)接在大電解電容上，以利于降噪。電解電容應(yīng)大于1000，以為7812三端穩(wěn)壓模塊提供較穩(wěn)定的直流輸入。二極管選用IN4004,以便在出現(xiàn)反向電壓時(shí)可以迅速導(dǎo)通，保護(hù)三端穩(wěn)壓模塊7812。②為消除三端穩(wěn)壓模塊內(nèi)部產(chǎn)生的高次諧波，抑制穩(wěn)壓電路的自激震蕩，實(shí)現(xiàn)頻率補(bǔ)償，應(yīng)在模塊兩端分別并聯(lián)一小電容。6.2.3元器件選擇及參數(shù)計(jì)算（1）三端穩(wěn)壓器集成穩(wěn)壓器的輸出電壓 Vo應(yīng)與穩(wěn)壓電源要求的輸出電壓的大小及范圍相同。穩(wěn)壓器的最大允許電流<，穩(wěn)壓器的輸入電壓Vi的范圍為Vomax+(Vi-Vo)min≤Vi≤Vomin+(Vi-Vo)max式中，為最大輸出電壓；為最小輸出電壓；(Vi-Vo)min為穩(wěn)壓器的最小輸入輸出壓差；(Vi-Vo)max為穩(wěn)壓器的最大輸入輸出壓差。根據(jù)電路中所需要的電源，選擇7805、7815、7818、7812、7905、7912分別輸出+5V、+15V、+18V、+12V、－5V和-12V，其輸出電壓和輸出電流均滿足指標(biāo)要求。（2）輸入輸出電容輸入輸出電容的取值如上圖所示(主要根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)而得到)，一般為瓷片電容。（3）變壓器二次側(cè)電壓有效值和輸入電壓這兩個(gè)值的取定決定了相關(guān)元器件及參數(shù)的選擇。一般情況下，輸入電壓應(yīng)比輸出電壓高3V左右(太小影響穩(wěn)壓；太大穩(wěn)壓器功耗大，易受熱損壞)。假設(shè)+5V的輸入為V11，輸出為Vo1；+18V的輸入為V12，輸出為Vo2；+12V的輸入為V14,輸出為Vo4；-5V的輸入為V13,輸出為Vo3，-12V的輸入為V14，輸出為Vo4，而它們所對應(yīng)的變壓器二次側(cè)電壓有效值分別為V21、V22、V23、V24，V25則有，V11=8V，V12=21V，V13=15V，考慮電網(wǎng)電壓10%的波動(dòng)，最終可取V11=9V，V12=23.1V，V13=16.5V。由式V1≈(1.1～1.2)V2可取變壓器二次側(cè)電壓有效值V21=V11/1.1=8.18V，V22=V12/1.1=21V，V24=V13/1.1=15V鑒于變壓器規(guī)格的限制，實(shí)際應(yīng)選V21=10V，V22=20V，V24=15V。（4）濾波電容由式RoCL≥(3～5)T/2可暫定RoCL=5/2T,則CL=5T/2Ro,式中，Ro為CL右邊的等效電阻，應(yīng)取最小值，T為市電交流電源的周期，T=20ms，取=1A，因此幾個(gè)電源的Ro分別為，Ro1min=V11/Iomax=1.1×10V/1A=11Ω，所以取C1=5T/2Ro1min=5×20×1000/(2×11)≈4545μF,同理有，Ro2min=1.1×20V/1A=22Ω，C4=5×20×1000/(2×22)≈2273μF，Ro4min=1.1×18V/1A=18Ω，C10=5×20×1000/(2×18)≈2778μF可見，濾波電容容量較大，應(yīng)選電解電容。受規(guī)格的限制，實(shí)際容量應(yīng)選為C1=4700μF/25V，C4=4700μF/30V，C7=4700μF/25V，C10=4700μF/30V，其耐壓值要大于相應(yīng)的輸入電壓的1.5倍。（5）整流二極管整流二極管的參數(shù)應(yīng)滿足最大整流電流IF>Iomax(暫定)；最大反向電壓VR>V2，其中V2為變壓器二次側(cè)電壓有效值。以上四個(gè)橋式的所有整流二極管可選IN4001小功率二極管。（6）變壓器由V21、V22、V23、V24值選變壓器繞組輸出電壓為10V、20V、15V、18V?？紤]電網(wǎng)電壓10%的波動(dòng)，穩(wěn)壓電路的最大輸入分別為Pi1max=1.1V11Iomax=1.1×1.1V21Iomax=1.1×1.1×10×1W=12.1W，同理有，Pi2max=1.1V12Iomax=24.2W,Pi3max=12.1W,Pi4max=1.1V14Iomax=21.8W,考慮變壓器和整流電路的效率并保留一定的余量，則選變壓器繞組的輸出功率分別為2個(gè)和20W2個(gè)25W。7硬件調(diào)試調(diào)試是指調(diào)整與測試。測試是在電路組裝完成后，對電路的參數(shù)（電壓或電流）和工作狀態(tài)進(jìn)行測量；調(diào)整則是在測試的基礎(chǔ)上對電路的某些參數(shù)進(jìn)行修改，使其符合設(shè)計(jì)性能指標(biāo)的要求。在進(jìn)行調(diào)試之前，應(yīng)明確調(diào)試目標(biāo)，知道調(diào)試步驟、調(diào)測方法和所用儀器等。做到心中有數(shù)，只有這樣，才能保證調(diào)試工作圓滿完成。

先將中頻感應(yīng)加熱電源整個(gè)系統(tǒng)按功能分成三個(gè)功能模塊，對控制電路、單相橋式IGBT逆變電路以及反饋回路模塊進(jìn)行安裝和調(diào)試，在此基礎(chǔ)上擴(kuò)大安裝和調(diào)試的范圍，最后完成整機(jī)的安裝和調(diào)試。(1)在不加電源前檢查

系統(tǒng)組裝完畢后，不要急于通電，首先要根據(jù)電路原理圖認(rèn)真檢查電路連接是否正確，主要檢查是否有錯(cuò)線、多線和短路的情況。接著檢查各個(gè)元件引腳的連接是否與原理圖相符，這一點(diǎn)非常重要，如果芯片引腳（特別是HCPL316J和SG3525A）連接錯(cuò)誤，芯片就不能正常工作，有時(shí)甚至燒毀芯片。查線時(shí)用數(shù)字萬用表的蜂鳴器來測量，要盡可能直接測量元件引腳，這樣可以發(fā)現(xiàn)接觸不良的地方。其次仔細(xì)檢查有無虛焊，有無短路或斷路，確保無誤后，再對各個(gè)模塊電路分別進(jìn)行調(diào)試。(2)給電路中通入直流穩(wěn)壓電源然后觀察

在電路連接正確的情況下接通電源。注意，在接通電源后不要急于測量，首先要觀察整個(gè)電路有無異?，F(xiàn)象發(fā)生（包括有無冒煙，是否有異常氣味，是否有異聲，芯片是否發(fā)燙，電源是否有短路或開路等現(xiàn)象）。如果出現(xiàn)異常，應(yīng)該立即關(guān)掉電源，待故障排除后方可重新通電。

(3)功能模塊調(diào)試

根據(jù)各個(gè)模塊的功能，對其進(jìn)行調(diào)試。對IGBT要先進(jìn)行靜態(tài)調(diào)試，在沒有外加信號(hào)的條件下測試IGBT工作點(diǎn)發(fā)射極e、門極g、集電極c各點(diǎn)的電位。這樣可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)器件是否已經(jīng)損壞和處于臨界狀態(tài)。按信號(hào)流向順序調(diào)試控制電路、逆變回路、反饋回路，這樣可以把調(diào)試好的單元電路的輸出信號(hào)作為下一級(jí)的輸入信號(hào)。調(diào)試控制電路時(shí)，需要強(qiáng)調(diào)的是在安裝電位器PR2之前，要先將其調(diào)整到設(shè)計(jì)值，否則電路可能不起振。微調(diào)電位器使三角波輸出的幅度是否滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。對于驅(qū)動(dòng)電路，要驗(yàn)證其故障信號(hào)復(fù)位功能是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，可以人為給定一模擬故障信號(hào)去測試。反饋回路的調(diào)試主要看電流互感器上電流表的讀數(shù)變化對應(yīng)額定變流比放大后是否符合設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。將靜態(tài)調(diào)試和動(dòng)態(tài)測試的結(jié)果與設(shè)計(jì)的指標(biāo)相比較，通過深入地分析提出了合理的修正。