专利名称：锁相环高中频感应加热装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及高中频感应加热技术，特别提供了一种锁相环高中频IGBT感应加热装置。
中频感应加热装置广泛应用于金属材料及制品的熔炼、透热、热处理和焊接等工序，具有加热速度快，氧化层薄、金属烧损少、炉温容易控制等特点，至今，中频感应加热装置经历了三个发展时期分别为中频发电机组、可控硅中频装置和新型的IGBT中频装置。
中频发电机组早在本世纪二十年代就已用于感应加热，直到大约1966年研制成功可控硅中频装置，中频发电机组就逐渐被淘汰。到九十年代，随着电力电子技术的发展，出现了自关断型大功率器件一绝缘栅双基晶体管(IGBT)，它是一种复合器件，集VMOS场效应管电压激励和达林顿功率晶体管大电流低导通电阻特性于一体，控制时有MOSFET管的特点，导通时具有双极晶体管的特点。它具有高速、高压、大功率、易驱动和低通态压降等优良性能，将IGBT用于感应加热设备，就出现了IGBT中频装置。
先期开发的IGBT中频感应加热装置的逆变控制电路采用单片机软件锁相控制，其原理是单片机输出一个脉冲信号作为电流信号，然后通过中频电压互感器检测逆变谐振回路的中频电压信号，由软件判断电流信号和电压信号的时间差，此时间差即为电流相位超前电压相位的时间Td，应将Td控制在一定的时间范围内，如果Td时间过长，说明系统偏容性过大，应降低触发脉冲的频率，而当Td时间过短时，说明系统偏容性过小，因而应提高触发脉冲的频率，单片机通过不断的检测、判断并修正，始终跟踪负载谐振频率的变化。
这种单片机软件锁相控制电路在应用时受到限制因为这种电路只能用于并联谐振型逆变电路，以上工作原理也是针对并联谐振型逆变电路而言的。中频感应加热装置按逆变方式分为并联型和串联型两种，并联谐振属于电流型逆变电路，适合中小功率中频装置，而大功率中频装置为减少线路损耗均使用串联谐振即电压型逆变电路。因为逆变器均以开关方式工作，而其功率器件无论是可控硅还是IGBT都是电压敏感性的，不能承受过高电压冲击，因此，要求其谐振负载为偏容性负载，即电流相位超前电压相位。容性负载的电流相位超前电压相位，电流可以突变、电压不能突变，而感性负载的电压相位超前电流相位，电压可以突变、电流不能突变。并联谐振型逆变器，其直流电源为恒流源，逆变控制器给出的是电流信号，检测的是电压信号，电流相位超前电压相位，负载谐振回路工作在偏容性状态。而对于串联谐振型逆变器，其直流电源为恒压源，逆变控制器给出的是电压信号，检测的是电流信，这时以单片机软件锁相控制电路来控制，电压相位超前电流相位，负载谐振回路工作在偏感性状态，这种情况是不允许的；另外这种电路的工作频率范围有限，受时钟频率的限制，单片机软件锁相控制电路只能用于10KHz以下中频装置。对于工作频率在10KHz以上的高频装置，这种电路无能为力，因而限制了其应用范围。
本实用新型的目的在于提供一种锁相环高中频感应加热装置，即是一种锁相环高中频IGBT感应加热装置，其逆变控制电路由功率调节信号检测电路、中频信号采样及逆变启动控制电路、锁相环频率跟踪及脉冲分配电路、时间延迟电路、IGBT驱动电路和频率显示电路顺序联结而成，其联接为功率调节信号检测电路输出与中频信号采样及整形电路联接，其输出与琐相环频率跟踪及脉冲分配电路联接，该输出又与IGBT驱动电路输入端联接，驱动电路输出直接与频率显示电路联接。
逆变控制电路的核心是频率跟踪和脉冲分配(如
图1所示)。
频率跟踪功能通过锁相环集成电路CD4046实现。
锁相环由三个基本单元构成相位比较器、低通滤波器、电压控制振荡器，其联接是相位比较器的输入端为输入信号与压控振荡输出，比较器输出经低频滤波器与压控振荡器输入相接，其输出端又反馈到相位比较器输入端作为压控振荡输出端(如图2所示)，CD4046琐相环包含了相位比较器和电压控制振荡器两个单元，使用是外接低通滤波器可构成完整的锁相环，其电路(由图3所示)。
中频信号采样及整形电路，其联接是光电耦合器来自功率调节信号检测电路两输入端，光电耦合器输出直接作为放大器LM339输入端，其输出经三极管8550输出电压V完成自激振荡。
本实用新型的优点电路结构简单，由于采用了锁相环频跟踪及脉冲分配电路，使电路工作稳定，控制灵活，具有高速、高压、大功率、易驱动和低通态压降等优良性能。
电路工作原理相位比较器Ⅱ是一个边沿控制的数据存储网络，它由4个触发器、控制门和三态输出电路组成。由于输入信号仅在上升沿起作用，所以对输入信号的占空比无限制。当AIN端输入信号频率高于BIN端输入信号频率时，低通滤波其输出电压上升；反之，当BIN端输入信号频率较高时，滤波其输出电压下降；当两个输入信号的频率和相位都相等时，输出端为高阻状态，滤波其输出电压保持不变，同时PCP输出为“1”，表示处于锁定状态。若无外信号输入时，比较器Ⅱ使VCO处于最低振荡频率。
本实用新型电路利用相位比较器Ⅱ的锁相功能实现频率自动跟踪，即将电压信号和电流信号分别作为相位比较器的两个输入端，当锁相环锁定后，负载电压和负载电流的相位差为零，此时负载回路为谐振状态。如果在电流信号输入端加入时间延迟电路，使电流相位超前电压相位，即可使负载回路工作在偏容性状态。
脉冲分配电路的设计要适合两种逆变方式的要求并联谐振属于电流型逆变电路，为避免逆变器上下桥臂同时截止，导致电流突变，由杂散电感引起电压突变而使功率器件承受过电压冲击，换流必须遵循先开通后关断的原则，在开通与关断脉冲间必须留有足够的重叠时间。串联谐振属于电压型逆变电路，为避免逆变器上下桥臂直通，换流必须遵循先关断后开通的原则，在关断与开通脉冲间必须留有足够的死区时间。
逆变控制电路通过采集中频信号，由锁相环电路跟踪负载谐振频率的变化。电源启动时，中频信号从0V开始增大，在电压小于整形电路LM339的失调电压之前，LM339输出为高频杂波，当电压大于LM339的失调电压之后，中频信号建立，LM339输出整形后的中频方波信号。因此电源的启动要有它激到自激的转换过程，在中频信号建立之前，抑制LM339输出的高频杂波信号，让负载回路工作在它激振荡状态，中频信号建立之后，才由锁相环跟踪负载频率变化，进行自激震荡。这一转换过程是通过功率调节信号检测电路来完成的。
当负载回路工作在它激振荡状态时，为满足负载偏容性的要求，对于并联谐振型逆变回路，它激振荡频率要高于负载的自激振荡频率，而对于串联谐振型逆变回路，它激振荡频率要低于负载的自激振荡频率，本实用新型通过电子开关(三极管8550)实现自动由它激到自激振荡的转换。
本实用新型详细电路结构由以下实施例及附图给出。(以并联谐振为例，串联谐振另有说明)图1为本实用新型锁相环逆变控制电路逻辑原理图；图2为本实用新型琐相环框图3为本实用新型逆变控制电路电原理图；图4为本实用新型功率调节信号检测电路原理图；图5为本实用新型中频信号采样及逆变启动控制电路电原理图；图6为本实用新型锁相环频率跟踪及脉冲分配电路电原理图；图7为本实用新型时间延迟电路电原理图；图8为本实用新型功率晶体管驱动电路电原理图；图9为本实用新型频率显示电路。
电路详细说明如下由图4功率调节信号检测电路，逆变器的启动过程是负载回路先它激振荡，等中频信号建立后，负载回路再转为自激振荡。功率调节信号检测电路检测整流部分功率调节电位P1的输出，加到运放LM358的反相端6脚，运放LM358接成电压比较器，与5脚电位器P2的设定值比较，当功率调节电位器的输出超过设定值时，中频信号建立，比较器翻转，7脚输出逆变启动信号(低电平)。光电耦合器完成启动信号的传递并使整流控制电路与逆变控制电路相隔离，以避免电路间的相互干扰。
如图5中频信号采样及逆变启动控制电路，中频信号通过限流电阻容R8加到反并联的两个二极管D2、D3上，由电压比较器LM339B检测，并转换成方波信号。
电压比较器LM339A和C构成逆变启动控制电路。光电耦合器输出信号加到电压比较器LM339A和C的同相端，反相端接有固定比较电压，其中LM339C的输出与LM339B的输出相连构成线“与”关系，控制中频信号的输出。LM339A的输出通过限流电阻R5加到三极管T的基极，当LM339A输出低电平时，三极管T导通，电源电压VCC直接加到电阻R6上，二极管D1输出最高电压VCC加到锁相环CD4046的压控振荡器控制端9脚，这时锁相环的压控振荡器VCO输出最高频率，控制逆变桥它激振荡。当LM339A输出高电平时，三极管T截止，电源电压通过电阻R6给电容C1充电，电阻R6上的电压逐渐降低，压控振荡器控制端9脚的电压也从电源电压VCC逐渐降低，这时，锁相环的压控振荡器VCO的输出开始从最高频率下降，达到负载的固有谐振频率时，锁相环锁定，逆变器进入自激振荡过程。
串联谐振时，电容C1的起始为零，三极管T截止后，电源电压通过电阻R6给电容C1充电，电容C1上的电压逐渐增大，压控振荡器控制端9脚的电压也从零逐渐增大，这时，锁相环的压控振荡器VCO的输出开始从最低频率增大，达到负载的固有谐振频率时，锁相环锁定，逆变器进入自激振荡过程。
如图6锁相环频率跟踪及脉冲分配电路，CD4046所接电容C1、电阻R1、R2决定锁相环的工作频率范围。
CD4046相位比较器H的AIN端输入的是中频电压检测信号，压控振荡器VCO的输出VCOUT作为电流控制信号，该信号经时间延迟电路Delay.sch延时后，加到相位比较器Ⅱ的BIN端，这样锁相环锁定后，电流相位始终超前电压相位。
串联谐振时，中频电流检测信号经时间延迟电路Delay.sch延时后，加到相位比较器Ⅱ的AIN端，压控振荡器VCO的输出VCOUT作为电压控制信号，并直接加到CD4046相位比较器Ⅱ的BIN的输入端，这样锁相环锁定后，电流相位始终超前电压相位。
CD4098、CD4013、CD4069集成电路构成脉冲分配电路。压控振荡器输出的电流控制信号分成两路一路信号经CD4098A延时、CD4013A反相后，由2脚输出一路控制信号。另一路经CD4069C反相、CD4098B延时、CD4013B反相后，由12脚输出一路控制信号。两路控制信号分别经三极管T1、T2驱动后加到IGBT驱动模块M57962L的输入端13脚。
CD4013A、B的两个反相输出端2脚和12脚输出的两路脉冲有重叠时间，重叠时间由电位器POTA和POTB设定。
串联谐振时，CD4013A、B的两个同相输出端1脚和13脚输出的两路脉冲有死区时间，死区时间由电位器POTA和POTB设定。
如图7时间延迟电路，CD4098A、CD4013A、CD4069A集成电路构成时间延迟电路。压控振荡器VCO的输出VCOUT信号加到单稳态触发器CD4098A的上升沿触发端TR+，经延时后，其7脚输出信号加到D型触发器集成电路CD4013的时钟信号输入端CLK,VCOUT信号还直接或经反相器CD4069反相后加到其数据输入端D和复位端R。CD4013的同相输出端Q输出经过延时的VCOUT信号。
如图8 IGBT驱动电路，M57962L为IGBT隔离驱动集成电路，为逆变控制电路和主回路提供光电隔离，并为IGBT提供功率驱动。其5脚输出驱动信号，经限流电阻RG1、RG2、RG3、RG4加到功率器件IGBT的栅极。无输入信号时，其输出为负电压，保证IGBT可靠截止。
四个M57962L分别驱动逆变桥四个桥臂上的四个IGBT，每个斜对角线为一组。
如图9频率显示电路，ICM7216B为大规模数字频率计专用集成电路。3脚为功能选择端，通过电阻R1连接到4脚时，为频率测量功能。
权利要求1.一种锁相环高中频感应加热装置，其特征在于该加热装置其逆变控制电路由由功率调节信号检测电路、中频信号采样及逆变启动控制电路、锁相环频率跟踪及脉冲分配电路、时间延迟电路、IGBT驱动电路和频率显示电路顺序联结而成，其联接为功率调节信号检测电路输出与中频信号采样及整形电路联接，其输出与琐相环频率跟踪及脉冲分配电路联接，该输出又与IGBT驱动电路输入端联接，驱动电路输出直接与频率显示电路联接。
2.按照权利要求1所述锁相环高中频感应加热装置，其特征在于频率跟踪功能通过锁相环集成电路CD4046实现，锁相环由三个基本单元构成相位比较器、低通滤波器、电压控制振荡器，其联接是相位比较器的输入端为输入信号与压控振荡输出，比较器输出经低频滤波器与压控振荡器输入相接，其输出端又反馈到相位比较器输入端作为压控振荡输出端，CD4046琐相环包含了相位比较器和电压控制振荡器两个单元，使用是外接低通滤波器可构成完整的锁相环。
3.按照权利要求1所述锁相环高中频感应加热装置，其特征在于中频信号采样及整形电路，其联接是光电耦合器来自功率调节信号检测电路两输入端，光电耦合器输出直接作为放大器LM339输入端，其输出经三极管8550输出电压V完成自激振荡。
专利摘要一种锁相环高中频IGBT感应加热装置,由功率调节信号检测电路、中频信号采样及逆变启动控制电路、锁相环频率跟踪及脉冲分配电路、时间延迟电路、IGBT驱动电路和频率显示电路顺序联结而成,装置的启动通过电子开关自动转换,通过集成锁相环电路CD4046实现负载振荡频率自动跟踪,由时间延迟电路控制逆变器的换相时间,而其最大优点是,通过简单的重组,该电路可以适合并联谐振和串联谐振两种逆变电路形式。
文档编号H05B6/02GK2456436SQ00253419
公开日2001年10月24日 申请日期2000年12月13日 优先权日2000年12月13日
发明者刘炳东, 李兴华, 姜志民 申请人:中国科学院金属研究所