倍频式感应加热电源控制系统的研究

1引言

随着数字信号处理器（DSP）与可编程逻辑器件（CPLD）的发展与普及，电源的控制已经由模拟控制、A/D混合控制，进入到全数字控制阶段。传统的感应加热电源控制电路大多采取模拟控制的方式，因此难免存在触点多、焊点多、可靠性低的缺点，对一些元件的工艺性要求高，灵活性较差。数字系统在这些方面就显得很先进：首先是灵活，即修改参数很方便；其次是在保证程序可靠的前提下，运行比模拟系统可靠得多；最后，使用起来比较简洁、灵巧，无需太多的元器件。因此，采取集成度高、集成功能强大的数字控制器设计电源的控制系统，以适应不断提高的电源输出可编程控制，控制精度高等要求。

2主电路拓扑设计

在感应加热电源的应用中，淬火、焊管、焊接等工艺都要求高频率大功率的电源。功率MOSFET虽然可以实现高频工作，但其电压、电流容量等级低，大功率电源需采用串、并联技术，影响了电源运行的可靠性。绝缘栅双极晶体管（IGBT）比较容易实现电源大功率化，但在高频情况下，其开关损耗，尤其是IGBT关断时存在的尾部电流，会限制其工作频

率的进一步提高。

倍频式高频电源采用大功率自关断功率器件IGBT，通过在逆变桥的每个IGBT上分别再并联一个IGBT来实现，每组并联的IGBT轮流工作，使得负载频率为开关管工作频率的2倍，间接拓宽了IGBT的使用频率。开关管工作于零电流开关状态，消除了尾部电流引起的关断损耗，理论上可实现零开关损耗。基于以上原因，在此选用倍频方案设计电源，可以使电源的整体输出功率大幅提高。主电路拓扑如图1所示。

3控制系统设计

控制器采用的是TMS320LF2407A和MAXⅡ系列芯片EPM1270T144C5。图2示出基于DSP+CPLD的电源系统数字化控制框图。DSP中PID模块的输出作为PWM控制模块的输入信号，控制两相占空比可调的PWM信号的脉宽；CPLD的锁相环跟踪谐振频率，结合DSP输出的移相角度，在PWM模块生成PWM脉冲触发信号；最后经脉冲分配模块实现分时鄄移相控制策略。

3.1基于CPLD的软件设计

控制系统工作过程如下：由电流检测电路检测负载槽路电流，经整流滤波后波形变换成方波信号，由谐振判别环节判断是否处于谐振状态。若是，则启动数字锁相环（DPLL）。采用全新的控制与方案实现DPLL，即鉴相器采用双D触发器鉴相器，其输出值代表相位误差；环路滤波器采用数字比例积分的方法实现；用数字控制振荡器（DCO）代替压控振荡器。DPLL的输出信号跟踪负载谐振频率，在PWM控制模块直接生成两组互补的PWM脉冲信号，作为逆变桥后桥臂VTbx和VTdx（x=1，2）的基本触发脉冲。同时，为了防止同一个桥臂的上下管直通，避免电压短路损坏开关器件，通常采用在两个开关管间设置死区的方法来解决，即等一个桥臂的开关管关断后方可开通另一桥臂的开关管，遵循先关断后开通的原则。

图3a为同一桥臂上下功管带死区的驱动脉冲。p是锁相环锁相锁频的负载谐振电流信号，clk是25 MHz的晶振频率。图3b为VTax和VTdx这两组开关管的驱动脉冲。由图可知后桥臂的驱动信号PWMd完全跟踪负载电流方波脉冲的上升沿，这样就实现对系统频率的跟踪控制。采取时间分割控制的目的在于提高系统的工作频率，CPLD中的脉冲分配模块实现对驱动脉冲的分时功能，图3c为驱动脉冲PWMd的分时功能仿真波形。由图可知，每个IGBT上的驱动频率为系统频率的1/2，即可利用两个IGBT的分时轮流工作提高了系统的工作频率。

3.2基于DSP的软件设计

图4示出增量式PI算法程序流程图。

为了得到稳定的输出功率，必须时刻跟踪负载电信号的变化，通过采样负载电压电流信号控制驱动脉冲占空比，以达到功率调节的目的。功率控制程序通过将从A/D转换结果寄存器中所读取的功率设定量与检测到的反馈量相比较，其差值通过数字PI控制算法进行处理，从而得到需要调整的相位角度φ的值。PI调节结果经SPI口输入到CPLD的PWM控制模块。

4实验

4.1实验参数及器件选取

倍频感应加热电源主要设计参数：输入电源为380 V/50 Hz三相交流电源，额定输出功率100 kW，逆变工作频率f=150 kHz，匹配变压器变比为10∶1。根据功率要求，按整流输出电压为500 V计算，则输出电流为200 A。考虑到安全裕量，选取整流二极管模块DF200AA120-160。折算到次级的负载电阻为0.25赘，取品质因数Q=10，则由Q=ωL/R，ω=2πf，f=150 kHz，可得次级电感L=2.65滋H，电容C=0.425μF。逆变器开关器件选择为I_VT=300～400 A，U_VD=1 075 V。逆变器选1.2 kV/400 A的FF400R12KS4型IGBT模块作为功率开关器件。IGBT驱动电路选取专用驱动功率IGBT/MOSFET的集成芯片IXDD430，可在较高的频率下工作，提供高达30 A的峰值输出电流。

4.2实验波形

图4a示出脉冲分配模块的输入波形与输出波形；图4b示出同桥臂上下开关管的死区驱动波形。

5结论

倍频感应加热电源数字化控制系统充分利用了DSP和CPLD的高速运算能力和丰富的片内外资源，能实时、自动地跟踪负载谐振频率。该控制方法具有抗干扰能力强，处理灵活，开关损耗小的优点，在工业控制中具有广阔的应用前景。