专利名称：具有开关器件反压限制功能的感应加热电源相位跟踪电路的制作方法
技术领域：
本实用新型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DO、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；逆变控制电路实现负载电压相位信号uO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，UO为实际负载电压相位信号，UO经采样整形电路产生延时dl，得到方波信号ul。ul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。 0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il代替，dO是开关器件开关换流时间，也就是il和iO之间的实际延时差值。il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UO的过零点与iO的过零点之间的时间间隔，即UO和iO之间的相位差，显然 d4 = (d3-d2)-dl-d0。对于人为调整好的Rl、R2，则电源工作时d2、d3是固定不变的，因此d4的大小由 dO和dl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(iO的过零点落后于uO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(iO的过零点超前于uO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
4态，调节Rl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dl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。
实用新型内容本实用新型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足艮S宗％足各。本实用新型的特征在于含有实际负载电压相位信号(UO)的电压相位采样电路， 第一整形电路(ICl)，由第一可变电阻(Rl)、第一电容(Cl)和第五二极管(M)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(以)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(uO)依次经过所述电压相位采样电路、 第一整形电路(ICl)、第一调整延时电路、第二整形电路(IU)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，依次经过所述第二调整延时电路、第三整形电路(IO)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(IU)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)的输出端在经过与第五电阻(R5)正反馈后接到所述第一比较器(IC5A)的正输入端，同时第一比较器(IC5A)的输出端经第六电阻(R6)接+15V电源，又输出到所述第五整形电路(IC4B)的两个输入端；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’)；峰值采样电路含有输出端连接到一个电阻分压电路的变压器(YH4)、第一负反馈放大器(Ul)、采样信号形成电路和第二负反馈放大器(U2)，其中变压器(YH4)，输入是所述开关器件串联二极管承受的反向电压；第一负反馈放大器(Ul)，正输入端与所述电阻分压电路的输出端相连，而输出端正向串联一个第八二极管(D8)；采样信号形成电路含有单稳态触发器(IC6A)以及晶体管开关电路，其中单稳态触发器(IC6A)，第一输入端连接一个用第十一可变电阻(Rll)和第九电容 (C9)组成的微分电路，第二输入端连接所述开关器件开关驱动信号(il)的2倍频开关驱动信号(2F)，所述单稳态触发器(IC6A)的输出端连接一个由-15V电源供电，用第十三电阻(R13)、一个反向串联的第九二极管(D9)串联接地而成的分压电路的中点后，与所述晶体管开关电路中的三极管(Gl)的基极相连；晶体管开关电路，由一个发射极接地，集电极依次接第十四电阻(R14)、第五电容 (C5)后接地的三极管(Gl)构成，所述第十四电阻(R14)、第五电容(C5)的连接点同时连接到所述第八二极管(D8)的负极，和第二负反馈放大器(似)的正极，所述连接点对地接有第十五电阻(R15)；PID控制电路含有第三负反馈放大器(U3)、第四负反馈放大器(U4)、正向箝位电路和反向箝位电路，其中第三负反馈放大器(U3)，正输入端接地，负输入端接一个中点由-15V电源经第十六可变电阻(R16)供电的，用第七电容(C7)、第十七电阻(R17)串联而成的第一阻容可变分压电路的输出端，该第七电容(C7)的另一端接地，该负输入端同时经第十八电阻(R18) 接到所述第二负反馈放大器(似)的输出端；第四负反馈放大器(U4)，正输入端接地，负输入端经第十九电阻(R19)后接所述第三负反馈放大器(U3)的输出端；正向箝位电路，含有正极接地的稳压管(Zl)，和负极与所述稳压管(Zl)负极相连的第十二极管(DlO)，该稳压管的负极经第二十电阻(R20)与所述第四负反馈放大器 (U4)的输出端相连；反向箝位电路，由第二十二电阻(R22)和相互并联的第二十一电阻(R21)和第八电容(C8)相串联而成，该反向箝位电路的连接点接到所述第十二极管(DlO)的负极， 第八电容(C8)的一端接地，同时该反向箝位电路将分压以后的电压接到所述第一比较器 (IC5A)的负输入端。
图1并联谐振感应加热电源系统框图，其中UO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ul，u，il, i只表示出波形的上升沿；图4本实用新型的电路原理图，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uO :500V/ 格；iO :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uO :500V/
6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uO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dl，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。
权利要求1.具有开关器件反压限制功能的感应加热电源相位跟踪电路，含有实际负载电压相位信号(uO)的电压相位采样电路，第一整形电路(ICl)，由第一可变电阻(Rl)、第一电容 (Cl)和第五二极管(M)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(似)和第二电容(以)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(ICl)、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(il)，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(1以)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PIfD 控制电路，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) 的输出端在经过与第五电阻(R5)正反馈后接到所述第一比较器(IC5A)的正输入端，同时第一比较器(IC5A)的输出端经第六电阻(R6)接+15V电源，又输出到所述第五整形电路 (IC4B)的两个输入端；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’ )； 峰值采样电路含有输出端连接到一个电阻分压电路的变压器(YH4)、第一负反馈放大器(Ul)、采样信号形成电路和第二负反馈放大器(U2)，其中变压器(YH4)，输入是所述开关器件串联二极管承受的反向电压； 第一负反馈放大器(Ul)，正输入端与所述电阻分压电路的输出端相连，而输出端正向串联一个第八二极管(D8)；采样信号形成电路含有单稳态触发器(IC6A)以及晶体管开关电路，其中 单稳态触发器(IC6A)，第一输入端连接一个用第十一可变电阻(Rll)和第九电容(C9) 组成的微分电路，第二输入端连接所述开关器件开关驱动信号(il)的2倍频开关驱动信号 (2F)，所述单稳态触发器(IC6A)的输出端连接一个由-15V电源供电，用第十三电阻(R13)、 一个反向串联的第九二极管(D9)串联接地而成的分压电路的中点后，与所述晶体管开关电路中的三极管(Gl)的基极相连；晶体管开关电路，由一个发射极接地，集电极依次接第十四电阻(R14)、第五电容(C5) 后接地的三极管(Gl)构成，所述第十四电阻(R14)、第五电容(C5)的连接点同时连接到所述第八二极管(D8)的负极，和第二负反馈放大器(似)的正极，所述连接点对地接有第十五电阻(Rl5)；PID控制电路含有第三负反馈放大器(U3)、第四负反馈放大器(U4)、正向箝位电路和反向箝位电路，其中第三负反馈放大器(U3)，正输入端接地，负输入端接一个中点由-15V电源经第十六可变电阻(R16)供电的，用第七电容(C7)、第十七电阻(R17)串联而成的第一阻容可变分压电路的输出端，该第七电容(C7)的另一端接地，该负输入端同时经第十八电阻(R18)接到所述第二负反馈放大器(U2)的输出端；第四负反馈放大器(U4)，正输入端接地，负输入端经第十九电阻(R19)后接所述第三负反馈放大器(U3)的输出端；正向箝位电路，含有正极接地的稳压管(Zl)，和负极与所述稳压管(Zl)负极相连的第十二极管(DlO)，该稳压管的负极经第二十电阻(R20)与所述第四负反馈放大器(U4)的输出端相连；反向箝位电路，由第二十二电阻(R22)和相互并联的第二十一电阻(R21)和第八电容 (C8)相串联而成，该反向箝位电路的连接点接到所述第十二极管(DlO)的负极，第八电容 (C8)的一端接地，同时该反向箝位电路将分压以后的电压接到所述第一比较器(IC5A)的负输入端。
专利摘要具有开关器件反压限制功能的感应加热电源相位跟踪电路，属于感应加热电源的相位跟踪技术领域，本实用新型在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。
文档编号H02M7/5387GK201976027SQ20112006294
公开日2011年9月14日 申请日期2011年3月10日 优先权日2011年3月10日
发明者周伟松, 赵前哲 申请人:清华大学, 清华大学电力电子厂