CN102170719A - 具有开关器件反压限制功能的感应加热电源相位跟踪系统 - Google Patents
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Abstract
具有开关器件反压限制功能的感应加热电源相位跟踪系统，属于感应加热电源的相位跟踪技术领域。本发明在PLL锁相跟踪电路中，在鉴相器的输入端在对实际负载电压进行采样、第一整形电路、调整延时、第二整形电路后加入一个开关器件反压限制电路，该电路包括：自动调整延时的负载电压相位方波信号形成电路，感应加热电源中开关器件所串联二极管承受的反向电压的峰值采样电路以及PID控制电路，以便根据所述的反向电压的大小自动调整负载电压相位方波信号(u)的延时补偿时间，去改变负载电压相位信号(u0)和开关器件开关换流相位信号(i0)之间的相位差，改善相位跟踪特性，以避免开关器件所串联二极管所承受负载反向电压过高引起的损坏。
Description
技术领域
本发明属于感应加热电源逆变器相位跟踪控制电路领域。
背景技术
感应加热电源具有加热效率高、升温快，可控性好及易于实现机械化、自动化等优点，在熔炼、铸造、弯管、热锻、焊接和表面热处理等行业得到广泛的应用。
图1为并联谐振感应加热电源系统框图，它主要由三部分组成：三相全控整流桥、续流二极管D0、电抗器Ld构成的整流电路，将三相工频(50Hz)交流电转变连续的直流电流源，并用以实现电源的功率调节；4个开关器件和与其串联的快恢复二极管组成的单相逆变电路，用以实现将直流电流转化为交流电流送入由Lf、Rf和Cf组成的并联谐振负载，其中快恢复二极管的目的在于开关器件关断时承受负载振荡电路的反向电压；逆变控制电路实现实际负载电压相位信号u0和开关器件开关换流相位信号i0的相位跟踪，并为逆变器开关器件提供开关驱动信号，其中相位跟踪电路是整个电源的核心。
传统的相位跟踪技术，主要是由CD4046集成锁相环构成的PLL锁相环电路，包括鉴相器PD、压控振荡器VCO和外接R、C构成的无源低通滤波器LPF，如图2所示。锁相环电路的基本工作原理是通过比较输入信号和压控振荡器输出信号之间的相位差，调节VCO输出频率来达到输入、输出信号同相位的目的，传统锁相环相位跟踪电路相关波形图如图3所示。
图2和图3中，u0为实际负载电压相位信号，u0经采样整形电路产生延时d1，得到方波信号u1。u1经RC调整延时产生延时补偿d2，得到负载电压相位方波信号u，在传统锁相环相位跟踪电路中u和u’为同一信号，作为鉴相器PD的一路输入。
i0为开关器件开关换流相位信号，可由VCO输出的开关器件开关驱动信号i1代替，d0是开关器件开关换流时间，也就是i1和i0之间的实际延时差值。i1经过RC调整延时产生延时补偿d3，得到开关器件开关换流电流相位方波信号i，作为鉴相器PD的另一路输入。
由于PLL锁相环电路的锁相作用，使得u(或u’)和i两个方波信号保持同相位，相位差为零。d4则为u0的过零点与i0的过零点之间的时间间隔，即u0和i0之间的相位差，显然d4＝(d3-d2)-d1-d0。
对于人为调整好的R1、R2，则电源工作时d2、d3是固定不变的，因此d4的大小由d0和d1决定。若d4＝0，负载工作在准谐振状态，开关器件可实现零电流关断(ZCS)和最低电压下开通；若d4＜0，负载工作在感性状态(i0的过零点落后于u0的过零点)，此时流出相开关器件是硬关断的，且由于回路存在引线电感，使开关器件关断时产生一个尖峰电压；若d4＞0，负载工作在容性状态(i0的过零点超前于u0的过零点)，此时流入相开关器件导通时电压较高，有导通冲击电流，同时与流出相开关器件串联的二极管换流后会承受反压，反压越大，反向恢复电流越大，二极管功耗也越大。
一般情况下对于上述相位跟踪电路，为了防止感应加热电源负载工作在感性状态，调节R1和R2，使得在典型工况下负载为弱容性。但在某些工况下，例如，当负载工作电压升高时，开关器件开关换流时间d0和整形电路延时d1的值均会减小；随着加热温度的升高，负载阻抗会增大，负载电流减小，d0值也会减小。因此，负载阻抗、工作频率以及工作电压幅度的变化等因素的综合作用，造成d4值增大，从而引起负载工作容性状态增大，串联二极管上的反压过大，容易造成二极管损坏。
发明内容
本发明的目的是提供一个具有开关器件反压限制功能的感应加热电源相位跟踪系统。
本发明的特征在于含有：实际负载电压相位信号(u0)的电压相位采样电路，第一整形电路(IC1)，由第一可变电阻(R1)、第一电容(C1)和第五二极管(D5)构成的第一调整延时电路，第二整形电路(IC2)，鉴相器(PD)，由第三电阻(R3)和第三电容(C3)构成的低通滤波电路(LPF)，压控振荡器(VCO)，重叠时间生成电路、由第二可变电阻(R2)和第二电容(C2)和第六二极管(D6)构成的第二调整延时电路，第三整形电路(IC3)以及两个隔离驱动电路，其中：实际负载电压相位方波信号(u0)依次经过所述电压相位采样电路、第一整形电路(IC1)、第一调整延时电路、第二整形电路(IC2)后，构成鉴相器(PD)的第一输入信号；由所述重叠时间生成电路输出的所述感应加热电源中的开关器件开关驱动信号(i1)，依次经过所述第二调整延时电路、第三整形电路(IC3)后，构成鉴相器(PD)的第二输入信号；
其特征在于，在所述第二整形电路(IC2)输出端和鉴相器(PD)输入端之间，串联入一个开关器件反压限制电路，该反压限制电路含有：自动调整延时的负载电压相位方波信号(u’)形成电路、开关器件所串联的二极管承受的反向电压(ud)的峰值采样电路以及PID控制调节电路，其中自动调整延时的负载电压相位方波信号(u’)形成电路含有：依次串接的第四整形电路(IC4A)，由第四可变电阻(R4)、第四电容(C4)和第七二极管(D7)构成的斜波生成电路，第一比较器(IC5A)，第五整形电路(IC4B)，其中：
第四整形电路(IC4A)，负载电压相位方波信号(u)同时连接到该第四整形电路的两个输入端；
斜波生成电路，第四可变电阻(R4)的一端经第四电容(C4)接地，同时又与该第四可变电阻(R4)的滑动触点相连，同时又正向连接一个第七二极管(D7)后，与所述第四整形电路(IC4A)的输出端相连；
第一比较器(IC5A)正输入端与所述斜波生成电路的输出端相连，第一比较器(IC5A)的输出端接到所述第五整形电路(IC4B)的两个输入端；
开关器件所串联的二极管承受的反向电压(ud)的峰值采样电路，所述开关器件串联二极管承受的反向电压(ud)输入到反向电压峰值采样电路的输入端后，反向电压峰值采样电路的输出端将反向电压峰值输出到PID控制电路的正输入端；
PID控制调节电路，反向电压设定值输入到PID控制电路的负输入端，所述反向电压(ud)的峰值与反向电压设定值进行比较和PID控制调节后，将一个经过PID控制调节的电平信号输出到所述第一比较器(IC5A)的负输入端；
第五整形电路(IC4B)，输出是经过自动调整延时的负载电压相位方波信号(u’)；
附图说明
图1并联谐振感应加热电源系统框图，其中u0为实际负载电压相位信号，i0为开关器件开关换流相位信号，ud为与开关器件串联的快速二极管所承受的反向电压
图2锁相环相位跟踪电路原理框图
图3传统锁相环相位跟踪电路相关波形图，其中u1，u’，i1，i只表示出波形的上升沿
图4本发明的电路原理图，其中u为开关器件反压限制电路输入的负载电压相位方波信号，u’为开关器件反压限制电路输出的负载电压相位方波信号，ud为开关器件串联二极管承受的反向电压
图5传统的相位跟踪技术情况下逆变器负载电压和负载电流波形，图中u0：500V/格；i0：200A/格；t：5us/格
图6改进的相位跟踪技术情况下逆变器负载电压和负载电流波形，图中u0：500V/格；i0：200A/格；t：5us/格
效果证明
由图5和图6相比较可以清楚的看出，改进的相位跟踪技术有效地抑制了开关器件串联二极管承受的反压值，减小了二极管的反向恢复电流，减小了二极管功耗，达到了反压限制的目的。
具体实施方式
改进的相位跟踪电路是以原有PLL锁相环相位跟踪技术为基础，加入开关器件反压限制电路。即在现有的实际负载电压相位信号u0的采样、整形、延时电路中，加入一个根据开关器件串联二极管承受的反压值大小，自动调节电压相位方波信号延时的环节(如图2中原理图中所示G)，对u0的延时补偿时间d2进行自动调整，从而改变u0和i0之间的相位差d4，达到改善相位跟踪特性的目的。
图4为开关器件反压限制电路的电路原理图，其中u为开关器件反压限制电路输入的方波信号，u’为开关器件反压限制电路输出的方波信号，ud为开关器件串联二极管承受的反向电压。开关器件反压限制电路的工作原理如下：开关器件串联二极管承受的反向电压峰值采样电路，将反向电压ud的峰值信号送入开关器件反压限制电路。该信号与所设定的反压值进行比较，所得误差经过PID控制电路调节后形成一电平信号，送入比较器IC5A的负输入端。同时方波信号u经过IC4A整形，送入R4、C4、D7组成的斜波生成电路使得方波波形上升沿变缓，送入比较器IC5A的正输入端，与PID控制调节电路输出的电平信号比较后，形成新的经过自动调整延时的方波信号u’，输出送入PLL锁相环相位跟踪电路的鉴相器(PD)。
如果实际反压值ud小于反压设定值时，误差电平为零，开关器件反压限制电路使得u’不产生延时；反之，比较器输出的方波信号u’会产生一定的延迟，而且随着反向电压值的变化，开关器件反压限制电路自动调整插入延时值的大小。增加电压相位u的延时相当于增大d1，因而减小d4，从而使得电源负载电路工作在弱容性状态，有效的限制了反压ud。
Claims (1)
1.具有开关器件反压限制功能的感应加热电源相位跟踪系统，含有：实际负载电压相位信号(u0)的电压相位采样电路，第一整形电路(IC1)，由第一可变电阻(R1)、第一电容(C1)和第五二极管(D5)构成的第一调整延时电路，第二整形电路(IC2)，鉴相器(PD)，由第三电阻(R3)和第三电容(C3)构成的低通滤波电路(LPF)，压控振荡器(VCO)，重叠时间生成电路、由第二可变电阻(R2)和第二电容(C2)和第六二极管(D6)构成的第二调整延时电路，第三整形电路(IC3)以及两个隔离驱动电路，其中：实际负载电压相位方波信号(u0)依次经过所述电压相位采样电路、第一整形电路(IC1)、第一调整延时电路、第二整形电路(IC2)后，构成鉴相器(PD)的第一输入信号；由所述重叠时间生成电路输出的所述感应加热电源中的开关器件开关驱动信号(i1)，依次经过所述第二调整延时电路、第三整形电路(IC3)后，构成鉴相器(PD)的第二输入信号；
其特征在于，在所述第二整形电路(IC2)输出端和鉴相器(PD)输入端之间，串联入一个开关器件反压限制电路，该反压限制电路含有：自动调整延时的负载电压相位方波信号(u’)形成电路、开关器件所串联的二极管承受的反向电压(ud)的峰值采样电路以及PID控制调节电路，其中自动调整延时的负载电压相位方波信号(u’)形成电路含有：依次串接的第四整形电路(IC4A)，由第四可变电阻(R4)、第四电容(C4)和第七二极管(D7)构成的斜波生成电路，第一比较器(IC5A)，第五整形电路(IC4B)，其中：
第四整形电路(IC4A)，负载电压相位方波信号(u)同时连接到该第四整形电路的两个输入端；
斜波生成电路，第四可变电阻(R4)的一端经第四电容(C4)接地，同时又与该第四可变电阻(R4)的滑动触点相连，同时又正向连接一个第七二极管(D7)后，与所述第四整形电路(IC4A)的输出端相连；
第一比较器(IC5A)正输入端与所述斜波生成电路的输出端相连，第一比较器(IC5A)的输出端接到所述第五整形电路(IC4B)的两个输入端；
开关器件所串联的二极管承受的反向电压(ud)的峰值采样电路，所述开关器件串联二极管承受的反向电压(ud)输入到反向电压峰值采样电路的输入端后，反向电压峰值采样电路的输出端将反向电压峰值输出到PID控制电路的正输入端；
PID控制调节电路，反向电压设定值输入到PID控制电路的负输入端，所述反向电压(ud)的峰值与反向电压设定值进行比较和PID控制调节后，将一个经过PID控制调节的电平信号输出到所述第一比较器(IC5A)的负输入端；
第五整形电路(IC4B)，输出是经过自动调整延时的负载电压相位方波信号(u’)。
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