一种MOSFET高频感应加热电源的方案分享

在近几年中，感应加热电源在工业制造等领域的应用已经成为常态，而高频感应加热电源更是凭借着工作效率高等优势，受到了一致好评。在今天的文章中，我们将会为各位工程师分享一种MOSFET高频感应加热电源的设计方案，希望能够对工程师的新产品研发设计工作有所帮助。本方案是基于串联逆变器结构而设计的。

锁相环和相角锁定

在高频感应加热电源进行加热和器件加工的过程中，其本身的串联逆变器将会在感性状态下维持稳定的持续工作状态，其工作频率总是略高于负载的谐振频率。由于加热电源的工作温度和负载电参数的变化，容易使逆变器偏离最佳工作点，因而，不仅使逆变桥上MOSFET的关断电流值增加，引起关断损耗增大，而且当逆变器工作点高于负载谐振点较远时，在一定Q值下，还会使负载阻抗增大，使逆变器的功率容量不能充分利用。因此，我们需要特别设置锁相控制电路，以实现频率的自动跟踪。串联谐振型感应加热电源系统框图见下图图1。

图1 串联谐振型感应加热电源系统框图

在图1给出的串联谐振型感应加热电源系统框图的基础上，我们所设计的加热系统逆变控制的原理框图如下图图2所示。可以从图2中看到，该系统由逆变器输出反馈电压。根据电压电流的相位关系，电流信号经相位检测电路，对应于输出一定占空比的高低电平信号，滤波后得到直流电平，以反映输出电压电流的基波相移。根据设定的相角锁定值，调节器输出控制电平，调节压控振荡器的输出频率，以达到频率自动跟踪的目的。

图2 高频感应加热电源逆变控制原理框图

驱动电路及开关过程中寄生振荡的抑制

在完成了感应加热电源的锁相环和相角锁定设计后，接下来我们需要针对MOSFET驱动电路进行振荡抑制设计，这将会直接关系到所设计出的新产品能否拥有稳定的工作效率。在平时的应用过程中，MOSFET常常会被用作电压控制，但由于输入电容Ciss的存在，而且由于目前MOSFET的功率容量不够大，每个桥臂需多个管子并联，因此实际上我们所设计的高频加热系统要求驱动电路有相当大的驱动能力。

在这里我们以图3为基础的感应加热电源驱动电路进行适当改进后，在完成改进设计后该系统能够满足大容量MOSFET驱动的两个基本要求，即脉冲前沿陡峭和触发脉冲后沿来到时栅源电容上的电荷迅速泄放。在图3所设计的驱动电路中，V1为脉冲放大器件；B为激励变压器；V2提供激磁回馈通路；C1为所驱动的MOSFET等效输入电容Ciss。在这一驱动电路系统中，功率器件MOSFET的开通过程，实际上就是MOSFET输入电容的充电过程，开通脉冲前沿的陡峭程度取决于Ciss的充电速度。因此，要求驱动电路的输出电流要足够大、内阻应尽可能小。而同样的，功率器件MOSFET在这一驱动电路中的关断过程，也就是MOSFET输入电容的放电过程。在图3中我们可以看到，V4为Ciss放电提供了一条低阻回路。当V1关断时，激励脉冲变压器B的次级变为上负下正，V4处于正偏，迅速饱和导通，使MOSFET的Ciss上的储存电荷快速放掉，可靠关断MOSFET；而V3的存在，则使Ciss在充电过程中，V4可靠截止，以避免对充电过程的影响。

图3 高频感应加热电源驱动电路原理图

图4 高频感应加热电源上、下桥臂的驱动信号

在这一高频感应加热系统的驱动电路中，除了要保障驱动电路的输出电流要足够大、内阻应尽可能小之外，还需要有效防止逆变桥上、下桥臂的直通短路。驱动器本身在设计时要求具备较强的抗干扰能力，同时还需要保证电压型逆变器两臂先关断后导通。因而，要求开通时刻应滞后于关断时刻，即存在一个死区时间。上图中，图4给出了一个完整的出上下桥臂的驱动信号。由图4中我们可以看到，电压型逆变器两臂的开通脉冲约滞后关断时刻250ns，从而保证了足够的死区时间。功率器件MOSFET除了存在输入电容Ciss外，其漏2源及漏2栅极间都存在着寄生电容。同时，逆变桥连接到各MOSFET及直流端与逆变桥间的连线都存在有寄生电感。

在实际应用中发现，由于功率器件MOSFET的开关速度较快，因此在开关瞬间线路的寄生电感将MOSFET的寄生电容产生极高频率的寄生振荡，此时如果不及时采取补偿措施，必将使MOSFET在关断时产生很大的过电压，而降低其有效工作电压。更严重的是在开关瞬间，主电路中的高频寄生振荡电压会通过漏2栅极间的寄生电容耦合到MOSFET的输入端。由于驱动信号幅值只有十几伏，因此，主电路中很小的高频寄生振荡，经密勒效应耦合到输入端时，就会造成关断管的误导通，导致上下桥臂的直通。这里采取的措施是直流端加上高频吸收电容，同时MOSFET漏2源并联补偿电容。为有效保障系统安全工作，这里还要采取第三种防范措施，即高频主线穿过阻尼磁环。多种措施使高频寄生振荡基本得以抑制。

实验结果

在经过对该高频感应加热电源设计方案的实际测试后，我们得出了实验样机在某种负载状态下的输出电压电流波形，其输出波形情况如下图图5所示。该波形为感应加热电源的逆变器工作在直流280V，直流电流35A时的输出电压电流波形。

图5 高频感应加热电源样机输出波形

该感应加热电源的功率超过10kW，工作频率为70kHz。由图5所给出的输出波形进行分析可以得出，这种基于串联逆变器结构的高频加热设备非常适合高频工作，但在高频工况下，应特别注意寄生参数在线路中的影响。