專(zhuān)利名稱(chēng)：鎖相環(huán)高中頻感應(yīng)加熱裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及高中頻感應(yīng)加熱技術(shù)，特別提供了一種鎖相環(huán)高中頻IGBT感應(yīng)加熱裝置。
中頻感應(yīng)加熱裝置廣泛應(yīng)用于金屬材料及制品的熔煉、透熱、熱處理和焊接等工序，具有加熱速度快，氧化層薄、金屬燒損少、爐溫容易控制等特點(diǎn)，至今，中頻感應(yīng)加熱裝置經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展時(shí)期分別為中頻發(fā)電機(jī)組、可控硅中頻裝置和新型的IGBT中頻裝置。
中頻發(fā)電機(jī)組早在本世紀(jì)二十年代就已用于感應(yīng)加熱，直到大約1966年研制成功可控硅中頻裝置，中頻發(fā)電機(jī)組就逐漸被淘汰。到九十年代，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了自關(guān)斷型大功率器件一絕緣柵雙基晶體管(IGBT)，它是一種復(fù)合器件，集VMOS場(chǎng)效應(yīng)管電壓激勵(lì)和達(dá)林頓功率晶體管大電流低導(dǎo)通電阻特性于一體，控制時(shí)有MOSFET管的特點(diǎn)，導(dǎo)通時(shí)具有雙極晶體管的特點(diǎn)。它具有高速、高壓、大功率、易驅(qū)動(dòng)和低通態(tài)壓降等優(yōu)良性能，將IGBT用于感應(yīng)加熱設(shè)備，就出現(xiàn)了IGBT中頻裝置。
先期開(kāi)發(fā)的IGBT中頻感應(yīng)加熱裝置的逆變控制電路采用單片機(jī)軟件鎖相控制，其原理是單片機(jī)輸出一個(gè)脈沖信號(hào)作為電流信號(hào)，然后通過(guò)中頻電壓互感器檢測(cè)逆變諧振回路的中頻電壓信號(hào)，由軟件判斷電流信號(hào)和電壓信號(hào)的時(shí)間差，此時(shí)間差即為電流相位超前電壓相位的時(shí)間Td，應(yīng)將Td控制在一定的時(shí)間范圍內(nèi)，如果Td時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，說(shuō)明系統(tǒng)偏容性過(guò)大，應(yīng)降低觸發(fā)脈沖的頻率，而當(dāng)Td時(shí)間過(guò)短時(shí)，說(shuō)明系統(tǒng)偏容性過(guò)小，因而應(yīng)提高觸發(fā)脈沖的頻率，單片機(jī)通過(guò)不斷的檢測(cè)、判斷并修正，始終跟蹤負(fù)載諧振頻率的變化。
這種單片機(jī)軟件鎖相控制電路在應(yīng)用時(shí)受到限制因?yàn)檫@種電路只能用于并聯(lián)諧振型逆變電路，以上工作原理也是針對(duì)并聯(lián)諧振型逆變電路而言的。中頻感應(yīng)加熱裝置按逆變方式分為并聯(lián)型和串聯(lián)型兩種，并聯(lián)諧振屬于電流型逆變電路，適合中小功率中頻裝置，而大功率中頻裝置為減少線路損耗均使用串聯(lián)諧振即電壓型逆變電路。因?yàn)槟孀兤骶蚤_(kāi)關(guān)方式工作，而其功率器件無(wú)論是可控硅還是IGBT都是電壓敏感性的，不能承受過(guò)高電壓沖擊，因此，要求其諧振負(fù)載為偏容性負(fù)載，即電流相位超前電壓相位。容性負(fù)載的電流相位超前電壓相位，電流可以突變、電壓不能突變，而感性負(fù)載的電壓相位超前電流相位，電壓可以突變、電流不能突變。并聯(lián)諧振型逆變器，其直流電源為恒流源，逆變控制器給出的是電流信號(hào)，檢測(cè)的是電壓信號(hào)，電流相位超前電壓相位，負(fù)載諧振回路工作在偏容性狀態(tài)。而對(duì)于串聯(lián)諧振型逆變器，其直流電源為恒壓源，逆變控制器給出的是電壓信號(hào)，檢測(cè)的是電流信，這時(shí)以單片機(jī)軟件鎖相控制電路來(lái)控制，電壓相位超前電流相位，負(fù)載諧振回路工作在偏感性狀態(tài)，這種情況是不允許的；另外這種電路的工作頻率范圍有限，受時(shí)鐘頻率的限制，單片機(jī)軟件鎖相控制電路只能用于10KHz以下中頻裝置。對(duì)于工作頻率在10KHz以上的高頻裝置，這種電路無(wú)能為力，因而限制了其應(yīng)用范圍。
本實(shí)用新型的目的在于提供一種鎖相環(huán)高中頻感應(yīng)加熱裝置，即是一種鎖相環(huán)高中頻IGBT感應(yīng)加熱裝置，其逆變控制電路由功率調(diào)節(jié)信號(hào)檢測(cè)電路、中頻信號(hào)采樣及逆變啟動(dòng)控制電路、鎖相環(huán)頻率跟蹤及脈沖分配電路、時(shí)間延遲電路、IGBT驅(qū)動(dòng)電路和頻率顯示電路順序聯(lián)結(jié)而成，其聯(lián)接為功率調(diào)節(jié)信號(hào)檢測(cè)電路輸出與中頻信號(hào)采樣及整形電路聯(lián)接，其輸出與瑣相環(huán)頻率跟蹤及脈沖分配電路聯(lián)接，該輸出又與IGBT驅(qū)動(dòng)電路輸入端聯(lián)接，驅(qū)動(dòng)電路輸出直接與頻率顯示電路聯(lián)接。
逆變控制電路的核心是頻率跟蹤和脈沖分配(如

圖1所示)。
頻率跟蹤功能通過(guò)鎖相環(huán)集成電路CD4046實(shí)現(xiàn)。
鎖相環(huán)由三個(gè)基本單元構(gòu)成相位比較器、低通濾波器、電壓控制振蕩器，其聯(lián)接是相位比較器的輸入端為輸入信號(hào)與壓控振蕩輸出，比較器輸出經(jīng)低頻濾波器與壓控振蕩器輸入相接，其輸出端又反饋到相位比較器輸入端作為壓控振蕩輸出端(如圖2所示)，CD4046瑣相環(huán)包含了相位比較器和電壓控制振蕩器兩個(gè)單元，使用是外接低通濾波器可構(gòu)成完整的鎖相環(huán)，其電路(由圖3所示)。
中頻信號(hào)采樣及整形電路，其聯(lián)接是光電耦合器來(lái)自功率調(diào)節(jié)信號(hào)檢測(cè)電路兩輸入端，光電耦合器輸出直接作為放大器LM339輸入端，其輸出經(jīng)三極管8550輸出電壓V完成自激振蕩。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由于采用了鎖相環(huán)頻跟蹤及脈沖分配電路，使電路工作穩(wěn)定，控制靈活，具有高速、高壓、大功率、易驅(qū)動(dòng)和低通態(tài)壓降等優(yōu)良性能。
電路工作原理相位比較器Ⅱ是一個(gè)邊沿控制的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，它由4個(gè)觸發(fā)器、控制門(mén)和三態(tài)輸出電路組成。由于輸入信號(hào)僅在上升沿起作用，所以對(duì)輸入信號(hào)的占空比無(wú)限制。當(dāng)AIN端輸入信號(hào)頻率高于BIN端輸入信號(hào)頻率時(shí)，低通濾波其輸出電壓上升；反之，當(dāng)BIN端輸入信號(hào)頻率較高時(shí)，濾波其輸出電壓下降；當(dāng)兩個(gè)輸入信號(hào)的頻率和相位都相等時(shí)，輸出端為高阻狀態(tài)，濾波其輸出電壓保持不變，同時(shí)PCP輸出為“1”，表示處于鎖定狀態(tài)。若無(wú)外信號(hào)輸入時(shí)，比較器Ⅱ使VCO處于最低振蕩頻率。
本實(shí)用新型電路利用相位比較器Ⅱ的鎖相功能實(shí)現(xiàn)頻率自動(dòng)跟蹤，即將電壓信號(hào)和電流信號(hào)分別作為相位比較器的兩個(gè)輸入端，當(dāng)鎖相環(huán)鎖定后，負(fù)載電壓和負(fù)載電流的相位差為零，此時(shí)負(fù)載回路為諧振狀態(tài)。如果在電流信號(hào)輸入端加入時(shí)間延遲電路，使電流相位超前電壓相位，即可使負(fù)載回路工作在偏容性狀態(tài)。
脈沖分配電路的設(shè)計(jì)要適合兩種逆變方式的要求并聯(lián)諧振屬于電流型逆變電路，為避免逆變器上下橋臂同時(shí)截止，導(dǎo)致電流突變，由雜散電感引起電壓突變而使功率器件承受過(guò)電壓沖擊，換流必須遵循先開(kāi)通后關(guān)斷的原則，在開(kāi)通與關(guān)斷脈沖間必須留有足夠的重疊時(shí)間。串聯(lián)諧振屬于電壓型逆變電路，為避免逆變器上下橋臂直通，換流必須遵循先關(guān)斷后開(kāi)通的原則，在關(guān)斷與開(kāi)通脈沖間必須留有足夠的死區(qū)時(shí)間。
逆變控制電路通過(guò)采集中頻信號(hào)，由鎖相環(huán)電路跟蹤負(fù)載諧振頻率的變化。電源啟動(dòng)時(shí)，中頻信號(hào)從0V開(kāi)始增大，在電壓小于整形電路LM339的失調(diào)電壓之前，LM339輸出為高頻雜波，當(dāng)電壓大于LM339的失調(diào)電壓之后，中頻信號(hào)建立，LM339輸出整形后的中頻方波信號(hào)。因此電源的啟動(dòng)要有它激到自激的轉(zhuǎn)換過(guò)程，在中頻信號(hào)建立之前，抑制LM339輸出的高頻雜波信號(hào)，讓負(fù)載回路工作在它激振蕩狀態(tài)，中頻信號(hào)建立之后，才由鎖相環(huán)跟蹤負(fù)載頻率變化，進(jìn)行自激震蕩。這一轉(zhuǎn)換過(guò)程是通過(guò)功率調(diào)節(jié)信號(hào)檢測(cè)電路來(lái)完成的。
當(dāng)負(fù)載回路工作在它激振蕩狀態(tài)時(shí)，為滿足負(fù)載偏容性的要求，對(duì)于并聯(lián)諧振型逆變回路，它激振蕩頻率要高于負(fù)載的自激振蕩頻率，而對(duì)于串聯(lián)諧振型逆變回路，它激振蕩頻率要低于負(fù)載的自激振蕩頻率，本實(shí)用新型通過(guò)電子開(kāi)關(guān)(三極管8550)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)由它激到自激振蕩的轉(zhuǎn)換。
本實(shí)用新型詳細(xì)電路結(jié)構(gòu)由以下實(shí)施例及附圖給出。(以并聯(lián)諧振為例，串聯(lián)諧振另有說(shuō)明)圖1為本實(shí)用新型鎖相環(huán)逆變控制電路邏輯原理圖；圖2為本實(shí)用新型瑣相環(huán)框圖3為本實(shí)用新型逆變控制電路電原理圖；圖4為本實(shí)用新型功率調(diào)節(jié)信號(hào)檢測(cè)電路原理圖；圖5為本實(shí)用新型中頻信號(hào)采樣及逆變啟動(dòng)控制電路電原理圖；圖6為本實(shí)用新型鎖相環(huán)頻率跟蹤及脈沖分配電路電原理圖；圖7為本實(shí)用新型時(shí)間延遲電路電原理圖；圖8為本實(shí)用新型功率晶體管驅(qū)動(dòng)電路電原理圖；圖9為本實(shí)用新型頻率顯示電路。
電路詳細(xì)說(shuō)明如下由圖4功率調(diào)節(jié)信號(hào)檢測(cè)電路，逆變器的啟動(dòng)過(guò)程是負(fù)載回路先它激振蕩，等中頻信號(hào)建立后，負(fù)載回路再轉(zhuǎn)為自激振蕩。功率調(diào)節(jié)信號(hào)檢測(cè)電路檢測(cè)整流部分功率調(diào)節(jié)電位P1的輸出，加到運(yùn)放LM358的反相端6腳，運(yùn)放LM358接成電壓比較器，與5腳電位器P2的設(shè)定值比較，當(dāng)功率調(diào)節(jié)電位器的輸出超過(guò)設(shè)定值時(shí)，中頻信號(hào)建立，比較器翻轉(zhuǎn)，7腳輸出逆變啟動(dòng)信號(hào)(低電平)。光電耦合器完成啟動(dòng)信號(hào)的傳遞并使整流控制電路與逆變控制電路相隔離，以避免電路間的相互干擾。
如圖5中頻信號(hào)采樣及逆變啟動(dòng)控制電路，中頻信號(hào)通過(guò)限流電阻容R8加到反并聯(lián)的兩個(gè)二極管D2、D3上，由電壓比較器LM339B檢測(cè)，并轉(zhuǎn)換成方波信號(hào)。
電壓比較器LM339A和C構(gòu)成逆變啟動(dòng)控制電路。光電耦合器輸出信號(hào)加到電壓比較器LM339A和C的同相端，反相端接有固定比較電壓，其中LM339C的輸出與LM339B的輸出相連構(gòu)成線“與”關(guān)系，控制中頻信號(hào)的輸出。LM339A的輸出通過(guò)限流電阻R5加到三極管T的基極，當(dāng)LM339A輸出低電平時(shí)，三極管T導(dǎo)通，電源電壓VCC直接加到電阻R6上，二極管D1輸出最高電壓VCC加到鎖相環(huán)CD4046的壓控振蕩器控制端9腳，這時(shí)鎖相環(huán)的壓控振蕩器VCO輸出最高頻率，控制逆變橋它激振蕩。當(dāng)LM339A輸出高電平時(shí)，三極管T截止，電源電壓通過(guò)電阻R6給電容C1充電，電阻R6上的電壓逐漸降低，壓控振蕩器控制端9腳的電壓也從電源電壓VCC逐漸降低，這時(shí)，鎖相環(huán)的壓控振蕩器VCO的輸出開(kāi)始從最高頻率下降，達(dá)到負(fù)載的固有諧振頻率時(shí)，鎖相環(huán)鎖定，逆變器進(jìn)入自激振蕩過(guò)程。
串聯(lián)諧振時(shí)，電容C1的起始為零，三極管T截止后，電源電壓通過(guò)電阻R6給電容C1充電，電容C1上的電壓逐漸增大，壓控振蕩器控制端9腳的電壓也從零逐漸增大，這時(shí)，鎖相環(huán)的壓控振蕩器VCO的輸出開(kāi)始從最低頻率增大，達(dá)到負(fù)載的固有諧振頻率時(shí)，鎖相環(huán)鎖定，逆變器進(jìn)入自激振蕩過(guò)程。
如圖6鎖相環(huán)頻率跟蹤及脈沖分配電路，CD4046所接電容C1、電阻R1、R2決定鎖相環(huán)的工作頻率范圍。
CD4046相位比較器H的AIN端輸入的是中頻電壓檢測(cè)信號(hào)，壓控振蕩器VCO的輸出VCOUT作為電流控制信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)時(shí)間延遲電路Delay.sch延時(shí)后，加到相位比較器Ⅱ的BIN端，這樣鎖相環(huán)鎖定后，電流相位始終超前電壓相位。
串聯(lián)諧振時(shí)，中頻電流檢測(cè)信號(hào)經(jīng)時(shí)間延遲電路Delay.sch延時(shí)后，加到相位比較器Ⅱ的AIN端，壓控振蕩器VCO的輸出VCOUT作為電壓控制信號(hào)，并直接加到CD4046相位比較器Ⅱ的BIN的輸入端，這樣鎖相環(huán)鎖定后，電流相位始終超前電壓相位。
CD4098、CD4013、CD4069集成電路構(gòu)成脈沖分配電路。壓控振蕩器輸出的電流控制信號(hào)分成兩路一路信號(hào)經(jīng)CD4098A延時(shí)、CD4013A反相后，由2腳輸出一路控制信號(hào)。另一路經(jīng)CD4069C反相、CD4098B延時(shí)、CD4013B反相后，由12腳輸出一路控制信號(hào)。兩路控制信號(hào)分別經(jīng)三極管T1、T2驅(qū)動(dòng)后加到IGBT驅(qū)動(dòng)模塊M57962L的輸入端13腳。
CD4013A、B的兩個(gè)反相輸出端2腳和12腳輸出的兩路脈沖有重疊時(shí)間，重疊時(shí)間由電位器POTA和POTB設(shè)定。
串聯(lián)諧振時(shí)，CD4013A、B的兩個(gè)同相輸出端1腳和13腳輸出的兩路脈沖有死區(qū)時(shí)間，死區(qū)時(shí)間由電位器POTA和POTB設(shè)定。
如圖7時(shí)間延遲電路，CD4098A、CD4013A、CD4069A集成電路構(gòu)成時(shí)間延遲電路。壓控振蕩器VCO的輸出VCOUT信號(hào)加到單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器CD4098A的上升沿觸發(fā)端TR+，經(jīng)延時(shí)后，其7腳輸出信號(hào)加到D型觸發(fā)器集成電路CD4013的時(shí)鐘信號(hào)輸入端CLK,VCOUT信號(hào)還直接或經(jīng)反相器CD4069反相后加到其數(shù)據(jù)輸入端D和復(fù)位端R。CD4013的同相輸出端Q輸出經(jīng)過(guò)延時(shí)的VCOUT信號(hào)。
如圖8 IGBT驅(qū)動(dòng)電路，M57962L為IGBT隔離驅(qū)動(dòng)集成電路，為逆變控制電路和主回路提供光電隔離，并為IGBT提供功率驅(qū)動(dòng)。其5腳輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，經(jīng)限流電阻RG1、RG2、RG3、RG4加到功率器件IGBT的柵極。無(wú)輸入信號(hào)時(shí)，其輸出為負(fù)電壓，保證IGBT可靠截止。
四個(gè)M57962L分別驅(qū)動(dòng)逆變橋四個(gè)橋臂上的四個(gè)IGBT，每個(gè)斜對(duì)角線為一組。
如圖9頻率顯示電路，ICM7216B為大規(guī)模數(shù)字頻率計(jì)專(zhuān)用集成電路。3腳為功能選擇端，通過(guò)電阻R1連接到4腳時(shí)，為頻率測(cè)量功能。
權(quán)利要求1.一種鎖相環(huán)高中頻感應(yīng)加熱裝置，其特征在于該加熱裝置其逆變控制電路由由功率調(diào)節(jié)信號(hào)檢測(cè)電路、中頻信號(hào)采樣及逆變啟動(dòng)控制電路、鎖相環(huán)頻率跟蹤及脈沖分配電路、時(shí)間延遲電路、IGBT驅(qū)動(dòng)電路和頻率顯示電路順序聯(lián)結(jié)而成，其聯(lián)接為功率調(diào)節(jié)信號(hào)檢測(cè)電路輸出與中頻信號(hào)采樣及整形電路聯(lián)接，其輸出與瑣相環(huán)頻率跟蹤及脈沖分配電路聯(lián)接，該輸出又與IGBT驅(qū)動(dòng)電路輸入端聯(lián)接，驅(qū)動(dòng)電路輸出直接與頻率顯示電路聯(lián)接。
2.按照權(quán)利要求1所述鎖相環(huán)高中頻感應(yīng)加熱裝置，其特征在于頻率跟蹤功能通過(guò)鎖相環(huán)集成電路CD4046實(shí)現(xiàn)，鎖相環(huán)由三個(gè)基本單元構(gòu)成相位比較器、低通濾波器、電壓控制振蕩器，其聯(lián)接是相位比較器的輸入端為輸入信號(hào)與壓控振蕩輸出，比較器輸出經(jīng)低頻濾波器與壓控振蕩器輸入相接，其輸出端又反饋到相位比較器輸入端作為壓控振蕩輸出端，CD4046瑣相環(huán)包含了相位比較器和電壓控制振蕩器兩個(gè)單元，使用是外接低通濾波器可構(gòu)成完整的鎖相環(huán)。
3.按照權(quán)利要求1所述鎖相環(huán)高中頻感應(yīng)加熱裝置，其特征在于中頻信號(hào)采樣及整形電路，其聯(lián)接是光電耦合器來(lái)自功率調(diào)節(jié)信號(hào)檢測(cè)電路兩輸入端，光電耦合器輸出直接作為放大器LM339輸入端，其輸出經(jīng)三極管8550輸出電壓V完成自激振蕩。
專(zhuān)利摘要一種鎖相環(huán)高中頻IGBT感應(yīng)加熱裝置,由功率調(diào)節(jié)信號(hào)檢測(cè)電路、中頻信號(hào)采樣及逆變啟動(dòng)控制電路、鎖相環(huán)頻率跟蹤及脈沖分配電路、時(shí)間延遲電路、IGBT驅(qū)動(dòng)電路和頻率顯示電路順序聯(lián)結(jié)而成,裝置的啟動(dòng)通過(guò)電子開(kāi)關(guān)自動(dòng)轉(zhuǎn)換,通過(guò)集成鎖相環(huán)電路CD4046實(shí)現(xiàn)負(fù)載振蕩頻率自動(dòng)跟蹤,由時(shí)間延遲電路控制逆變器的換相時(shí)間,而其最大優(yōu)點(diǎn)是,通過(guò)簡(jiǎn)單的重組,該電路可以適合并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振兩種逆變電路形式。
文檔編號(hào)H05B6/02GK2456436SQ00253419
公開(kāi)日2001年10月24日 申請(qǐng)日期2000年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月13日
發(fā)明者劉炳東, 李興華, 姜志民 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院金屬研究所