CN111741548A - 一种低功耗感应加热功率控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低功耗感应加热功率控制系统，四只绝缘栅双极型晶体管构成的H桥式负载驱动电路，第三、四绝缘栅双极型晶体管轮流导通，构成LC串联谐振电流回路；通过改变第一、第二绝缘栅双极型晶体管“补充能量”的时间长度就可以调整功率，不影响LC串联谐振电流回路的谐振频率，因此可以使LC串联谐振电流回路的工作频率处于LC谐振状态；四只绝缘栅双极型晶体管的导通点均在电流过零附近，产生的开关功耗很小，开关损耗相对于调频调功减少了四分之三，从而使散热片的面积减小；功率设计余量减小等，大幅降低了产品的成本；产生的谐波也大幅减小，大幅减少谐波对电网的污染减，还提高绝缘栅双极型晶体管的安全性及可靠性。

Description

一种低功耗感应加热功率控制系统

技术领域

本发明涉及感应加热功率控制系统，更具体地说，涉及一种低功耗感应加热功率控制系统。

背景技术

目前，感应加热功率控制系统应用比较广泛，如电磁炉等领域有着广泛有应用，其核心是利用电磁感应线圈和功率开关管的通断构成LC串联谐振电流回路，功率开关管较常用的是绝缘栅双极型晶体管（IGBT）。绝缘栅双极型晶体管是一种复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。由于绝缘栅双极型晶体管性能优异感应加热功率控制系统的主控开关功率元件，用于控制负载的电流通断，如电磁炉线圈的电流通断控制。在现有的感应加热功率控制系统应用中，对于绝缘栅双极型晶体管的通断控制，通常采用的是“调频调功”的控制方式，即通过控制系统调整绝缘栅双极型晶体管的工作频率来控制绝缘栅双极型晶体管的通断次数来实现功率的调整。但其存在以下的技术问题：

无法保证绝缘栅双极型晶体管的在电流过零附近通断，导致其功耗大，为了绝缘栅双极型晶体管的充分散热，需要散热面积比较大散热片；为了保证绝缘栅双极型晶体管的安全性及可靠性，绝缘栅双极型晶体管的功率设计余量较大，成本高；产生的谐波较大，对电网的污染较大。

发明内容

为解决现有感应加热功率控制系统存在的上述缺陷，本发明提供一种低功耗感应加热功率控制系统。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种低功耗感应加热功率控制系统，包括顺序连接的控制器、驱动器、负载驱动电路、负载，控制器通过驱动器控制负载驱动电路的通断，负载驱动电路控制负载按设定好的感应加热功率进行工作；其特征是：所述负载驱动电路包括四只绝缘栅双极型晶体管组成的H桥式负载驱动电路，四只绝缘栅双极型晶体管分别为第一绝缘栅双极型晶体管、第二绝缘栅双极型晶体管、第三绝缘栅双极型晶体管、第四绝缘栅双极型晶体管；驱动器包括四路栅极驱动电路，四路栅极驱动电路与四只绝缘栅双极型晶体管分别一一对应，四路栅极驱动电路分别为第一驱动器、第二驱动器、第三驱动器、第四驱动器，每个绝缘栅双极型晶体管的栅极G单独与对应的一路驱动器连接；第一绝缘栅双极型晶体管的集电极C和第二绝缘栅双极型晶体管的集电极C均于主电路电源正端连接，第三绝缘栅双极型晶体管的发射极E和第四绝缘栅双极型晶体管的发射极E均于主电路电源负端连接；第三绝缘栅双极型晶体管的集电极C和第一绝缘栅双极型晶体管的发射极E连接，第四绝缘栅双极型晶体管的集电极C和第二绝缘栅双极型晶体管的发射极E连接；负载的一端连接在第一绝缘栅双极型晶体管的发射极E、另一端连接在第二绝缘栅双极型晶体管的发射极E。

进一步地，所述驱动器还包括隔离控制电源电路，隔离控制电源电路包括具有四路独立控制电源输出的隔离变压器、四路控制电源整流电路，每路控制电源整流电路与隔离变压器的一路独立控制电源输出连接，四路控制电源整流电路分别为第一控制电源整流电路、第二控制电源整流电路、第三控制电源整流电路、第四控制电源整流电路；第一控制电源整流电路对应的输出负端和第二控制电源整流电路对应的输出负端通过负载连接在一起，第三控制电源整流电路对应的输出负端和第四控制电源整流电路对应的输出负端通过主电路电源负端连接在一起。

进一步地，所述控制器包括单片机，每路四路栅极驱动电路包括与门电路和驱动电路，与门电路的输入端与单片机的输出端连接，与门电路的输出端与驱动电路的控制信号输入端连接。

优选地，所述单片机的型号为STM32F及其系列型号或代替型号的单片机，与门电路的型号为74HC08，74HC08的每个门电路单元的两个信号输入端连在一起；每个门电路单元的输入端与一个单片机的输出端口对应连接；四路栅极驱动电路对应的四路驱动电路分别为第一驱动电路、第二驱动电路、第三驱动电路、第四驱动电路；第一驱动电路选第一控制电源整流电路作为电源连接；第二驱动电路选第二控制电源整流电路作为电源连接；第三驱动电路选第三控制电源整流电路作为电源连接；第四驱动电路选第四控制电源整流电路作为电源连接。

优选地，所述第一绝缘栅双极型晶体管的栅极G串联有第一限流电阻，第一绝缘栅双极型晶体管的栅极G和第一控制电源整流电路对应的输出负端之间并联有第一分压电阻和续流二极管；所述第二绝缘栅双极型晶体管的栅极G串联有第二限流电阻，第二绝缘栅双极型晶体管的栅极G和第二控制电源整流电路对应的输出负端之间并联有第二分压电阻和续流二极管；所述第三绝缘栅双极型晶体管的栅极G串联有第三限流电阻，第三绝缘栅双极型晶体管的栅极G和第三控制电源整流电路对应的输出负端之间并联有第三分压电阻和续流二极管；所述第四绝缘栅双极型晶体管的栅极G串联有第四限流电阻，第四绝缘栅双极型晶体管的栅极G和第四控制电源整流电路对应的输出负端之间并联有第四分压电阻和续流二极管。

进一步地，所述单片机通过相应的输出端口分别发出和负载谐振频率匹配对应的PWM控制信号控制四只绝缘栅双极型晶体管工作，四只绝缘栅双极型晶体管的导通点均在电流过零附近；

其中，单片机对第三绝缘栅双极型晶体管、第四绝缘栅双极型晶体管发出的PWM控制信号的占空比固定不变；单片机对第一绝缘栅双极型晶体管和第二绝缘栅双极型晶体管发出的PWM控制信号的占空比是动态变化的，其动态变化的PWM控制信号的控制步骤如下：

（A）单片机上电后进行初始化；

（B）单片机通过电流传感器采集获得负载的电流信号后，通过A/D转换得到负载的电流值；

（C）通过运算转换将负载的电流值转换为相应的负载实际功率值，再与设定负载功率值进行比较；

（D）若负载实际功率值与设定负载功率值发生更改，则根据偏离值计算第一绝缘栅双极型晶体管和第二绝缘栅双极型晶体管的PWM控制信号的占空比，并输出调整后的PWM控制信号，功率调整结束返回步骤（B）；

（5）若负载实际功率值没有更改，与设定负载功率值相符，则维持原来的PWM控制信号不变，功率调整结束返回步骤（B）。

由上可知，相对于现有技术，本发明具有如下的优点：结构简单，设计合理。四只绝缘栅双极型晶体管构成的H桥式负载驱动电路，第三绝缘栅双极型晶体管和第四绝缘栅双极型晶体管轮流导通，构成LC串联谐振电流回路；通过第一绝缘栅双极型晶体管和第二绝缘栅双极型晶体管在恰当的时间点为LC串联谐振电流回路“补允能量”；通过PWM功率控制，改变第一绝缘栅双极型晶体管和第二绝缘栅双极型晶体管“补充能量”的时间长度就可以调整功率，相对于传统的调频调功，本发明的这种方式调功不影响LC串联谐振电流回路的谐振频率，因此可以使LC串联谐振电流回路的工作频率处于LC谐振状态；第三绝缘栅双极型晶体管和第四绝缘栅双极型晶体管的开关点均在电流过零附近，因此产生的开关功耗很小；第一绝缘栅双极型晶体管和第二绝缘栅双极型晶体管的开通点也是在电流过零附近，；从工作于大电流开关的比例来看，本发明的开关损耗相对于调频调功减少了四分之三，即开关损耗仅为调频调功的四分之一，从而使散热片的面积减小；绝缘栅双极型晶体管的功率设计余量减小等，大幅降低了产品的成本；四只绝缘栅双极型晶体管设置在电流过零附近开通，产生的谐波也大幅减小，大幅减少谐波对电网的污染减，还提高绝缘栅双极型晶体管的安全性及可靠性。

附图说明

图1为本发明的低功耗感应加热功率控制系统的原理框图。

图2为控制器和驱动器的原理图。

图3为H桥式负载驱动电路的电路原理图。

图4为单片机的PWM控制信号的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和优选的实施方式，对本发明及其有益技术效果进行进一步详细说明。

需要说明，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

参见图1~图3，本发明优选实施的低功耗感应加热功率控制系统，包括顺序连接的控制器、驱动器、负载驱动电路、负载，控制器通过驱动器控制负载驱动电路的通断，负载驱动电路控制负载按设定好的感应加热功率进行工作；其特征是：所述负载驱动电路包括四只绝缘栅双极型晶体管组成的H桥式负载驱动电路，四只绝缘栅双极型晶体管分别为第一绝缘栅双极型晶体管Q1、第二绝缘栅双极型晶体管Q2、第三绝缘栅双极型晶体管Q3、第四绝缘栅双极型晶体管Q4；驱动器包括四路栅极驱动电路，四路栅极驱动电路与四只绝缘栅双极型晶体管分别一一对应，四路栅极驱动电路分别为第一驱动器、第二驱动器、第三驱动器、第四驱动器，每个绝缘栅双极型晶体管的栅极G单独与对应的一路驱动器连接；第一绝缘栅双极型晶体管Q1的集电极C和第二绝缘栅双极型晶体管Q2的集电极C均于主电路电源正端HV_VCC连接，第三绝缘栅双极型晶体管Q3的发射极E和第四绝缘栅双极型晶体管Q4的发射极E均于主电路电源负端GND连接；第三绝缘栅双极型晶体管Q3的集电极C和第一绝缘栅双极型晶体管Q1的发射极E连接，第四绝缘栅双极型晶体管Q4的集电极C和第二绝缘栅双极型晶体管Q2的发射极E连接；负载的一端连接在第一绝缘栅双极型晶体管Q1的发射极E、另一端连接在第二绝缘栅双极型晶体管Q2的发射极E。

工作时，第三绝缘栅双极型晶体管Q3和第四绝缘栅双极型晶体管Q4轮流导通，构成LC串联谐振电流回路；通过第一绝缘栅双极型晶体管Q1和第二绝缘栅双极型晶体管Q2在恰当的时间点为LC串联谐振电流回路“补允能量”；通过PWM功率控制，改变第一绝缘栅双极型晶体管Q1和第二绝缘栅双极型晶体管Q2“补充能量”的时间长度就可以调整功率。

进一步地，所述驱动器还包括隔离控制电源电路，隔离控制电源电路包括具有四路独立控制电源输出的隔离变压器、四路控制电源整流电路，每路控制电源整流电路与隔离变压器的一路独立控制电源输出连接，四路控制电源整流电路分别为第一控制电源整流电路、第二控制电源整流电路、第三控制电源整流电路、第四控制电源整流电路；第一控制电源整流电路对应的输出负端GND-1和第二控制电源整流电路对应的输出负端GND-2通过负载连接在一起，第三控制电源整流电路对应的输出负端GND-3和第四控制电源整流电路对应的输出负端GND-4通过主电路电源负端GND连接在一起。隔离控制电源电路及其隔离变压器等属于现有技术中常用的技术，为了简约起见，本系统中所用的电源均采用本技术领域的电源技术，不另外再作说明。

参见图2，进一步地，所述控制器包括单片机U1，每路四路栅极驱动电路包括与门电路U2和驱动电路，与门电路U2的输入端与单片机U1的输出端连接，与门电路U2的输出端与驱动电路的控制信号输入端连接。与门电路U2一端与单片机U1连接另一端与驱动电路连接，其中驱动电路通过隔离控制电源电路与主电路电源的强电部分进行物理隔离，保护与门电路U2和单片机U1。

参见图2，优选地，所述单片机U1的型号为STM32F，与门电路U2的型号为74HC08，74HC08的每个门电路单元的两个信号输入端连在一起；每个门电路单元的输入端与一个单片机U1的输出端口对应连接；四路栅极驱动电路对应的四路驱动电路分别为第一驱动电路1、第二驱动电路2、第三驱动电路3、第四驱动电路4；第一驱动电路1选第一控制电源整流电路作为电源连接；第二驱动电路2选第二控制电源整流电路作为电源连接；第三驱动电路3选第三控制电源整流电路作为电源连接；第四驱动电路4选第四控制电源整流电路作为电源连接。

参见图3，为了提高各个绝缘栅双极型晶体管的可靠性，优选地，所述第一绝缘栅双极型晶体管Q1的栅极G串联有第一限流电阻R1，第一绝缘栅双极型晶体管Q1的栅极G和第一控制电源整流电路对应的输出负端GND-1之间并联有第一分压电阻R2和续流二极管ZD1；所述第二绝缘栅双极型晶体管Q2的栅极G串联有第二限流电阻R3，第二绝缘栅双极型晶体管Q2的栅极G和第二控制电源整流电路对应的输出负端GND-2之间并联有第二分压电阻R4和续流二极管ZD2；所述第三绝缘栅双极型晶体管Q3的栅极G串联有第三限流电阻R5，第三绝缘栅双极型晶体管Q3的栅极G和第三控制电源整流电路对应的输出负端GND-3之间并联有第三分压电阻R6和续流二极管ZD3；所述第四绝缘栅双极型晶体管Q4的栅极G串联有第四限流电阻R7，第四绝缘栅双极型晶体管Q4的栅极G和第四控制电源整流电路对应的输出负端GND-4之间并联有第四分压电阻R8和续流二极管ZD4。续流二极管（ZD1~ ZD4）起到保护各个绝缘栅双极型晶体管的栅极G的作用，防止LC串联谐振电流回路产生的反向高压击穿栅极G。

参见图1~图4，进一步地，所述单片机U1通过相应的输出端口分别发出和负载谐振频率匹配对应的PWM控制信号控制四只绝缘栅双极型晶体管工作，四只绝缘栅双极型晶体管的导通点均在电流过零附近；

其中，单片机U1对第三绝缘栅双极型晶体管Q3、第四绝缘栅双极型晶体管Q4发出的PWM控制信号的占空比固定不变；单片机U1对第一绝缘栅双极型晶体管Q1和第二绝缘栅双极型晶体管Q2发出的PWM控制信号的占空比是动态变化的，参见图4，其动态变化的PWM控制信号的控制步骤如下：

（A）单片机U1上电后进行初始化；

（B）单片机U1通过电流传感器采集获得负载的电流信号后，通过A/D转换得到负载的电流值；

（C）通过运算转换将负载的电流值转换为相应的负载实际功率值，再与设定负载功率值进行比较；

（D）若负载实际功率值与设定负载功率值发生更改，则根据偏离值计算第一绝缘栅双极型晶体管Q1和第二绝缘栅双极型晶体管Q2的PWM控制信号的占空比，并输出调整后的PWM控制信号，功率调整结束返回步骤（B）；

（5）若负载实际功率值没有更改，与设定负载功率值相符，则维持原来的PWM控制信号不变，功率调整结束返回步骤（B）。

将上述的单片机U1的控制过程编写成应用程序，烧录在单片机U1中，即可通过PWM功率控制，改变第一绝缘栅双极型晶体管Q1和第二绝缘栅双极型晶体管Q2“补充能量”的时间长度就可以调整功率，这种方式调功不影响LC串联谐振电流回路的谐振频率，使LC串联谐振电流回路的工作频率处于LC谐振状态；第三绝缘栅双极型晶体管Q3和第四绝缘栅双极型晶体管Q4的开关点均在电流过零附近，因此产生的开关功耗很小；第一绝缘栅双极型晶体管Q1和第二绝缘栅双极型晶体管Q2的开通点也是在电流过零附近，开关损耗仅为调频调功的四分之一，从而使散热片的面积减小；绝缘栅双极型晶体管的功率设计余量减小等，产生的谐波也大幅减小。

上述说明内容中，隔离控制电源电路及其隔离变压器等属于现有技术中常用的技术，对属于现有技术中常规使用的内容，如结构和工艺，为了节省篇幅，不再赘述。未揭示的加工工艺和零件，按现有技术的常规技术处理即可。

根据上述说明书及具体实施例并不对本发明构成任何限制，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的控制思路及方法以不同的方式实施或转变，也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种低功耗感应加热功率控制系统，包括顺序连接的控制器、驱动器、负载驱动电路、负载，控制器通过驱动器控制负载驱动电路的通断，负载驱动电路控制负载按设定好的感应加热功率进行工作；其特征是：所述负载驱动电路包括四只绝缘栅双极型晶体管组成的H桥式负载驱动电路，四只绝缘栅双极型晶体管分别为第一绝缘栅双极型晶体管（Q1）、第二绝缘栅双极型晶体管（Q2）、第三绝缘栅双极型晶体管（Q3）、第四绝缘栅双极型晶体管（Q4）；驱动器包括四路栅极驱动电路，四路栅极驱动电路与四只绝缘栅双极型晶体管分别一一对应，四路栅极驱动电路分别为第一驱动器、第二驱动器、第三驱动器、第四驱动器，每个绝缘栅双极型晶体管的栅极G单独与对应的一路驱动器连接；第一绝缘栅双极型晶体管（Q1）的集电极C和第二绝缘栅双极型晶体管（Q2）的集电极C均于主电路电源正端（HV_VCC）连接，第三绝缘栅双极型晶体管（Q3）的发射极E和第四绝缘栅双极型晶体管（Q4）的发射极E均于主电路电源负端（GND）连接；第三绝缘栅双极型晶体管（Q3）的集电极C和第一绝缘栅双极型晶体管（Q1）的发射极E连接，第四绝缘栅双极型晶体管（Q4）的集电极C和第二绝缘栅双极型晶体管（Q2）的发射极E连接；负载的一端连接在第一绝缘栅双极型晶体管（Q1）的发射极E、另一端连接在第二绝缘栅双极型晶体管（Q2）的发射极E。

2.如权利要求1所述的低功耗感应加热功率控制系统，其特征是：所述驱动器还包括隔离控制电源电路，隔离控制电源电路包括具有四路独立控制电源输出的隔离变压器、四路控制电源整流电路，每路控制电源整流电路与隔离变压器的一路独立控制电源输出连接，四路控制电源整流电路分别为第一控制电源整流电路、第二控制电源整流电路、第三控制电源整流电路、第四控制电源整流电路；第一控制电源整流电路对应的输出负端（GND-1）和第二控制电源整流电路对应的输出负端（GND-2）通过负载连接在一起，第三控制电源整流电路对应的输出负端（GND-3）和第四控制电源整流电路对应的输出负端（GND-4）通过主电路电源负端（GND）连接在一起。

3.如权利要求2所述的低功耗感应加热功率控制系统，其特征是：所述控制器包括单片机（U1），每路四路栅极驱动电路包括与门电路（U2）和驱动电路，与门电路（U2）的输入端与单片机（U1）的输出端连接，与门电路（U2）的输出端与驱动电路的控制信号输入端连接。

4.如权利要求3所述的低功耗感应加热功率控制系统，其特征是：所述单片机（U1）的型号为STM32F，与门电路（U2）的型号为74HC08，74HC08的每个门电路单元的两个信号输入端连在一起；每个门电路单元的输入端与一个单片机（U1）的输出端口对应连接；四路栅极驱动电路对应的四路驱动电路分别为第一驱动电路（1）、第二驱动电路（2）、第三驱动电路（3）、第四驱动电路（4）；第一驱动电路（1）选第一控制电源整流电路作为电源连接；第二驱动电路（2）选第二控制电源整流电路作为电源连接；第三驱动电路（3）选第三控制电源整流电路作为电源连接；第四驱动电路（4）选第四控制电源整流电路作为电源连接。

5.如权利要求4所述的低功耗感应加热功率控制系统，其特征是：所述第一绝缘栅双极型晶体管（Q1）的栅极G串联有第一限流电阻（R1），第一绝缘栅双极型晶体管（Q1）的栅极G和第一控制电源整流电路对应的输出负端（GND-1）之间并联有第一分压电阻（R2）和续流二极管（ZD1）；所述第二绝缘栅双极型晶体管（Q2）的栅极G串联有第二限流电阻（R3），第二绝缘栅双极型晶体管（Q2）的栅极G和第二控制电源整流电路对应的输出负端（GND-2）之间并联有第二分压电阻（R4）和续流二极管（ZD2）；所述第三绝缘栅双极型晶体管（Q3）的栅极G串联有第三限流电阻（R5），第三绝缘栅双极型晶体管（Q3）的栅极G和第三控制电源整流电路对应的输出负端（GND-3）之间并联有第三分压电阻（R6）和续流二极管（ZD3）；所述第四绝缘栅双极型晶体管（Q4）的栅极G串联有第四限流电阻（R7），第四绝缘栅双极型晶体管（Q4）的栅极G和第四控制电源整流电路对应的输出负端（GND-4）之间并联有第四分压电阻（R8）和续流二极管（ZD4）。

6.如权利要求5所述的低功耗感应加热功率控制系统，其特征是：所述单片机（U1）通过相应的输出端口分别发出和负载谐振频率匹配对应的PWM控制信号控制四只绝缘栅双极型晶体管工作，四只绝缘栅双极型晶体管的导通点均在电流过零附近；

其中，单片机（U1）对第三绝缘栅双极型晶体管（Q3）、第四绝缘栅双极型晶体管（Q4）发出的PWM控制信号的占空比固定不变；单片机（U1）对第一绝缘栅双极型晶体管（Q1）和第二绝缘栅双极型晶体管（Q2）发出的PWM控制信号的占空比是动态变化的，其动态变化的PWM控制信号的控制步骤如下：

（A）单片机（U1）上电后进行初始化；

（B）单片机（U1）通过电流传感器采集获得负载的电流信号后，通过A/D转换得到负载的电流值；

（C）通过运算转换将负载的电流值转换为相应的负载实际功率值，再与设定负载功率值进行比较；

（D）若负载实际功率值与设定负载功率值发生更改，则根据偏离值计算第一绝缘栅双极型晶体管（Q1）和第二绝缘栅双极型晶体管（Q2）的PWM控制信号的占空比，并输出调整后的PWM控制信号，功率调整结束返回步骤（B）；

（5）若负载实际功率值没有更改，与设定负载功率值相符，则维持原来的PWM控制信号不变，功率调整结束返回步骤（B）。

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