超音频串联感应加热电源方案之控制电路设计

昨天小编为大家分享了一种超音频串联感应加热电源的整流电路设计方案，并针对其软启动和限流电路系统的设计进行了分析。这一串联型的感应加热电源方案的输入电压范围是3-380V，输出电压值为500V，输入电压频率为50赫兹，其控制电路的精确设计也是非常有必要的。本文将会就这一串联感应加热电源的控制电路设计做详细介绍。

控制电路设计

为了满足串联型感应加热电源的输出功率需要，在控制电路系统的设计中，本方案的控制电路选择采用双闭环控制，即外环采用负载电流控制，内环为负载上补偿电容电压控制。正常工作的时候，这一系统中的负载电流跟踪电流给定值，经过PI调节器后成为电容电压的给定值。补偿电容电压跟踪这个给定值，再次经过PI调节器后将输出电压送至压控振荡器，输出驱动脉冲来驱动开关管子。这一超音频感应加热设备的控制电路系统框图如下图图1所示。

图1 串联型感应加热电源控制电路框图

从图1所给出的超音频感应加热电源控制电路原理图中可以看到，对于本方案中所提出的能够对功率进行连续调节的要求，我们所设计的双闭环控制电路是通过调节电位器来改变电流给定值来连续调节负载输出功率的。在此前的分享中我们曾经提到，在负载电压方波的幅值一定的情况下，对负载电流的连续调节就可以对负载的输出功率进行连续的调节。由上面的控制框图可以看到，控制外环是以负载电流作为反馈量的，因此电路稳定状态下负载工作电流就等于给定值。即使负载电流出现了扰动，在控制环的作用下最终也能够稳定到给定值。这样就实现了电流限制的作用。

PI调节器工作原理介绍

在这一控制电路的设计过程中，电流调节器和电压调节器均采用的是PI调节器。调节器的原理如下图图2所示。

图2 PI调节器原理结构图

在图2所展示的PI调节器原理结构图中，我们可以看到，在这一调节器系统中，ON信号是继电操作部分送来的启动信号（启动时=0，停止时=15V），FAULT为保护系统送来的系统故障信号（系统正常=0，系统故障=15V），CURREF为主给定（0到-10V），CUR为电流反馈信号（0到+10V），OUT为调节器的输出。由图不论系统停止或系统故障，调节器的输出均为0V，由此可见ON和FAULT都是调节器的封锁信号。

在本方案所选择的PI调节器内部结构中，最上面的VCC是调节器的死区设置。Dll3和D114是调节器的单向控制，由它们控制调节器只能输出0到15V信号，截断0到-15V信号的输出，开关S103是用来在P调节器和PI调节器之间切换用的。所以，这种PI调节器的实际运行原理图就如下图图3所示。电压调节器与电流调节器基本相同。

图3 调节器运行原理图

通过上文对PI调节器的内部结构和运行原理分析可以得出，在逆变器的控制中，要保持逆变器的输出电压超前于输出电流，这样才能保持逆变器的可靠工作。为达到这一设计要求，在本方案中，我们所选用的是限制相位角在一定范围内的方案，具体实现方法是将电压的波形（此处即是至驱动脉冲信号的波形）延迟90度后与负载电流信号进行鉴频处理，这样经过逻辑门处理的输出量就可以在负的90度和正的90度之问成为一个线性的量。此时加入一级关于电路工作功率角的检测电路，当这个相位角在感性条件下低于某个给定值的情况下进行限制，以保证电路能够稳定的工作在感性状态下。这样设计的好处在于，由于经过线性处理的量可以在容性和感性情况下都是线性的，即使负载因为某种不明情况滑到容性状态下，经过这一级的线性调节也可以最终稳定到可靠的感性状态下。

死区电路设计

在这一超音频感应加热电源的设计过程中，死区电路的设计也同样是非常重要的。为避免逆变器上、下桥臂间的直通，换流必须遵循先关断后开通的原则，在关断与开通间必须留有足够的死区时间。控制的死区形成电路由RC电路和D触发器构成，如图4所示。

图4 超音频感应加热电源死区形成电路

在图4所显示的死区形成电路系统中，F1N为输入信号，该信号一路经过U309A这个由74HC74接成的二分频电路，形成两路互补脉冲i另一路经过一级RC延时td，再经过U309B这个由74HC74接成的二分频电路。所不同的是，U309B的D端和U309A的D端是接到一起的，这样由U309B产生的互补脉冲就迟后于U309A的互补脉冲，把U309A的D端和U309B的D端进行与非运算得/OUTA，把U309A的仍端和U309B的仍端进行与运算得/OUTB，这样就可得到一个由RC延时控制死区的互补信号OUTA和OUTB。

以上就是本文针对一种超音频串联感应加热电源的控制电路设计，所进行的分享，明天我们将会继续就这一方案中的驱动电路部分的设计，进行详细介绍，欢迎大家继续关注！