分享基于单片机的高频感应加热电源设计方案-电源网

高频的感应加热电源目前已经得到了大范围的应用，其加工效率、节能效果相比较传统的加热设备而言，都有了较大的提高。今天我们将会分享一种高频感应加热电源的设计方案，该方案基于单片机系统进行设计，能够有效的提升感应加热电源的加工效率，就让我们一起来看看这种方案的具体设计思路吧。

在该款高频感应加热电源的设计过程中，感应加热的主电路系统，主要采用的是三相桥式全控整流电路，这种结构能够提供可调直流电压，经大电抗滤波后供给单相逆变桥作振荡电源。该系统的负载电路采用纯并联结构，如下图图1所示。同时，为了能够适应高频率的要求，我们在配件方面采用的是高速场效应管。由于单管电流有限，为了提高电源输出功率，用6只高速场效应管并联作为一个单元组成H桥电路。

图1 基于单片机的高频感应加热电源系统结构图

接下来我们来看一下，这种高频感应加热电源的逆变控制电路设计方案。在目前的应用过程中，由于高频感应加热电源的谐振频率将会受到较大的负载影响，因此如果要得到最佳的加热效果，那么加热设备的频率就必须采用自动跟踪模式。对于高达兆赫兹的频率，传统的控制方法是难以实现的。在本次的设计方案中，我们所采用的是高速锁相环MM74HC4046，最高频率可以做到10MHz以上，扫频范围宽，并能实现频率自动跟踪和相位调节。由MM74HC4046锁相环组成的频率控制、相位调节电路如下图图2所示。

图2 频率控制及相位调节电路

逆变控制电路

在进行高频的感应加热设备逆变控制电路设计时，我们首先需要根据可能对感应加热设备造成影响的负载，逐步确定频率覆盖范围，与此同时，还需要找出中心频率和扫频范围。在图2所展示的频率控制和相位调节电路图中，我们可以看到，C1、R1将会决定扫频范围，而R2决定扫频的中心频率。从串联谐振支路通过电流互感器检测出负载正弦电流，经整形电路整形，得到与正弦电流同相位的方波加在锁相环的同步端，锁相环的输出信号经分频器分频后加于相位比较端。两信号在锁相环内部鉴频器的输入端进行相位比较，当相位差为零时，鉴相器输出的平均电压为零，相位差为180°时，输出电压为5V，此时输出电压与相位差成线性变化，其变化曲线如下图图3所示。在该逆变电路的运行过程中，当锁相环的输出方波与谐振电流不同相时，鉴相器的输出就存在一定占空比的脉冲，该脉冲由环路低频滤波器R3、C2滤波，得到直流电压调制VCO的输出频率。如果没有其他控制信号，VCO的输出信号将与谐振电流保持同步。

图3 相位比较器输入相位差与输出电压的响应特性

整流控制电路

在本方案的设计中，该种基于单片机的高频感应加热电源，其系统中的整流控制电路在平时运行中，主要任务是根据各种输入信号发出相位合适的脉冲以便于输出合适的直流电压。根据上文中图1所示的系统结构图，通过对主回路的三相全控整流桥的控制，即对三相全控桥的6个晶闸管导通角的控制，实现对负载功率的控制。在本方案中，该加热系统采用电流电压双闭环，其中电流为内环，电压为外环的控制方式，如下图图4所示。

图4 系统控制策略框图

从图4中可以看到，在这种整流控制电路系统的策略框图中，Ug为给定电压，Uf为负载反馈电压，If为负载反馈电流，Ig为负载给定电流，参数α为三相全控整流桥的导通角。根据给定值与负载的高频电流电压大小的反馈进行闭环控制，输出脉冲信号。从负载端取高频电压，经整流电路整流成直流，再转换成0~5V。先把高频电流转换成电压，再转换成0~5V。其中分别把转换成的电压与某一限定值比较，以此来判断负载电路是否有过压过流现象。双闭环调节的程序框图如下图图5所示。

图5 双闭环调节的程序框图

启动方式

在这种基于单片机设计的高频率感应加热电源的设计方案中，就启动方式而言，也与传统的加热设备有较大的不同。在本设计方案中，我们主要采用零电压软启动方式，这种启动方式是通过整流回路的触发角逐步变小，使整流电路输入负载的能量逐渐增加，以使得负载回路产生谐振，逆变电路得以正常换流并进而完成启动过程。因此，这样的设计就需要不断对负载的直流电压和电流做出判断。若直流电流达到设定值时电压还很小，则认为逆变桥直通，启动失败。此时将整流桥的晶闸管触发角重新设为最大值，重复以上过程，直到起振成功。若电压达到设定值，则认为晶闸管换流正常，起振成功。下图中，图6为软启动程序框图。图7分别为该感应加热电源系统在不同功率下的负载电压和电流波形。

图6 起振过程程序框图