数字型感应加热电源方案分享之驱动设计

在昨天的方案分享中，我们为大家分享了一种数字型感应加热电源的主电路设计情况，并针对这一中频感应加热电源的运行驱动原理进行了简要分析和介绍。在今天的文章中，我们将会就这一数字型感应加热电源的驱动电路以及控制电路设计情况，展开详细介绍，希望通过今天和昨天的技术分享，为各位工程师的产品设计工作提供一定帮助。

在本文所设计的这一数字式感应加热电源中，我们所设计的主电路结构如下图图1所示，而感应加热器的控制电路结构如图2所示。从图2中可以看到，其控制电路主要由主控制器外围扩展电路、斩波调功控制、逆变桥控制、IGBT驱动电路、负载匹配电路、电流及频率检测电路、保护电路、键盘显示及系统电源等环节组成。

图1 10kHz/150kW感应加热电源主电路

图2 感应加热电源控制电路结构图

在这一数字式感应加热电源的控制精度，我们所采用的是微控制器型号为DS80C320，这一型号的微控制器是一种为电机、逆变器等控制而推出的高性能的数字信号处理器，适合嵌入式系统使用。其本身每个机器的周期时钟数为4个，高达33MHz。提供了较为完美的全比较单元，PWM波形可以直接用来产生输出波形。另外，高速捕获单元很容易捕获到输入脉冲的时间，从而能精确地读入脉冲的周期。

驱动电路

驱动电路采用的是EXB841型号的IGBT驱动模块。该模块能驱动300A/1200V的IGBT器件，选择这一型号的IGBT驱动模块，是考虑到该模块具有过流检测、识别真假过流和过流缓关断功能，能够较好的适应数字式的驱动电路设计要求。在这一驱动电路中，具有高隔离电压的光耦合器作为信号隔离。由于IGBT通常只能承受10μs的短路电流，所以必须有快速保护电路，本方案中，我们所选用EXB系列驱动器内设有电流保护电路，根据驱动信号与漏极D之间的关系检测过电流。其IGBT驱动线路如图3所示。

图3 IGBT驱动电路

在图3所示的这一IGBT驱动电路系统中，我们所设计的驱动电平选正电平为+15V，负电平为-5V，通过精准的设计保证IGBT的可靠而且快速地开通和关断。PULS-IN为从控制电路来的脉宽信号，G、D、S分别为IGBT的栅极、漏极和源极，PROT为EXB841的保护输出。如EXB841过流时，检测IGBT在门极G导通时漏极D和源极S间的电压。当该电压超过6V时，延迟10μs则判断为过流。但在实践中发现当IGBT漏极D和源极S间电压为6V时，其往往已损坏。因此，在漏极D至841的第6脚串联一个3V稳压管Z4，使841检测值由6V降低为3V。这一改进能够明显增加841对过流判断的灵敏性，使线路不仅能正常地驱动元件，而且在过流时能更有效地保护元件。

过流和过压保护电路

在图3所示的这一IGBT驱动电路系统中，依据这一感应加热电源方案的设计要求，我们所选择的驱动电平正电平为+15V，负电平为-5V，通过精准的设计保证IGBT的可靠而且快速地开通和关断。PULS-IN为从控制电路来的脉宽信号，G、D、S分别为IGBT的栅极、漏极和源极，PROT为EXB841的保护输出。当EXB841出现过流状态时，检测IGBT在门极G导通时漏极D和源极S间的电压。当该电压超过6V时，延迟10μs则判断为过流。但在实践中发现当IGBT漏极D和源极S间电压为6V时，其往往已损坏。因此，在漏极D至841的第6脚串联一个3V稳压管Z4，使841检测值由6V降低为3V。这一改进能够明显增加841对过流判断的灵敏性，使线路不仅能正常地驱动元件，而且在过流时能更有效地保护元件。

在本方案中，由于我们所设计的驱动电路采用IGBT驱动，加之IGBT的抗过流能力较弱，因此线路设计必须具有过流保护措施。我们选择在电抗器和逆变桥输入之间串一个电流传感器R0，当其输出值超过预定值时，一方面能够有效封锁PWM斩波脉冲，另一方面还可以封锁逆变脉冲。换流过程中的电压毛刺会引起电路产生过电压，这种现象主要靠增加阻容CR吸收来克服。

DPLL锁相电路设计

为了能够实现逆变输出的电流与电压同步，提高工作效率和可靠谐振，同时实现开关器件的软开关，在这一数字式感应加热电源的方案设计中，我们选择采用了数字锁相环方法，用于频率跟踪。根据集成锁相环的工作原理，利用DSP片内丰富的资源，以及电压电流相位检测等外围电路，就可以完成频率跟踪功能，且实时性高，跟踪范围大。

图4 相位补偿原理

在将DPLL锁相环用于这一IGBT中频感应加热电源串联谐振频率跟踪控制时，我们取谐振电路上的电流i0作为频率跟踪的输入，如上图中图1所示。在实际电路中，频率采样、锁相跟踪、隔离驱动和IGBT的开关都需要时间，这将引起负载电压滞后于负载电流，因而需要相位补偿。这一DPLL锁相电路的相位补偿方法原理如图4所示，它与DS80C320一起构成数字锁相环DPLL。

在这一数字DPLL锁相环应用在相位补偿电路中时，其输出信号的占空比始终为50%，并与输入信号的占空比无关；于输入信号上升沿触发，当上升沿到来时，先触发VT1、VT4，保证串联谐振电压电流方向的一致性；调节电位器RP，即可以调节相位补偿时间。电容C和二极管VD对采样电流信号io起整流滤波作用，采用该电路可保证相位补偿时间不随负载波动而变化。

在本方案的设计中，这一串联谐振数字式感应加热电源设有复杂的由它激到自激的转换电路。当VCO输出频率从高频滑向低频时，只要负载的固有频率在该高频与低频之间，则VCO的输出扫描频率就会使负载产生谐振，锁相环进入锁定状态，启动更容易。该系统在程序的控制下，以跟踪范围内的任一频率发出脉冲进行它激触发，当串联谐振输出电流信号i0的变化引起DS80C320发生CAP3（INTO）中断时，程序便自动进入DPLL运算，从而实现频率跟踪。

以上就是本文针对一种数字式感应加热电源的驱动电路系统设计，所进行的技术分享，希望通过本文的介绍，对各位工程师的研发工作提供一定帮助。