基于高頻感應(yīng)加熱電源驅(qū)動(dòng)的電路設(shè)計(jì)

電磁感應(yīng)加熱，或簡(jiǎn)稱感應(yīng)加熱，是加熱導(dǎo)體材料比如金屬材料的一種方法。它主要用于金屬熱加工、熱處理、焊接和熔化。顧名思義，感應(yīng)加熱是利用電磁感應(yīng)的方法使被加熱的材料的內(nèi)部產(chǎn)生電流，依靠這些渦流的能量達(dá)到加熱目的。感應(yīng)加熱系統(tǒng)的基本組成包括感應(yīng)線圈，交流電源和工件。根據(jù)加熱對(duì)象不同，可以把線圈制作成不同的形狀。線圈和電源相連，電源為線圈提供交變電流，流過(guò)線圈的交變電流產(chǎn)生一個(gè)通過(guò)工件的交變磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)使工件產(chǎn)生渦流來(lái)加熱。

高頻感應(yīng)加熱電源驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)方案就目前國(guó)內(nèi)的感應(yīng)加熱電源研發(fā)現(xiàn)狀而言，高頻感應(yīng)加熱電源是主流的研發(fā)設(shè)計(jì)方向，也是很多工程師的工作重點(diǎn)。在今天的文章中，我們將會(huì)為大家分享一種基于IR2llO芯片的高頻感應(yīng)加熱電源驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)方案，希望能夠通過(guò)本次的方案分享，幫助大家更好的完成研發(fā)設(shè)計(jì)工作。

在本次所分享的高頻感應(yīng)加熱電源驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)方案中，我們使用芯片IR2llO用于該種驅(qū)動(dòng)半橋串聯(lián)諧振逆變器的電路設(shè)計(jì)，如下圖圖1所示。從圖1中我們可以看到，在該電路系統(tǒng)中，VD是自舉二極管，采用恢復(fù)時(shí)間幾十納秒、耐壓在500V以上的超快恢復(fù)二極管10Ia16。CH是自舉電容，采用0.1μF的陶瓷圓片電容。CL是旁路電容，采用一個(gè)0.1μF的陶瓷圓片電容和1μF的鉭電容并聯(lián)DD、VCC分別是輸入級(jí)邏輯電源和低端輸出級(jí)電源，它們使用同一個(gè)+12V電源，而VB是高端輸出級(jí)電源，它與VCC使用同一電源并通過(guò)自舉技術(shù)來(lái)產(chǎn)生。在這里由于考慮到了在功率MOSFET漏極產(chǎn)生的浪涌電壓會(huì)通過(guò)漏柵極之間的米勒電容耦合到柵極上擊穿柵極氧化層，所以在T1、T2的柵源之問(wèn)接上12V穩(wěn)壓管D1、D2以限制柵源電壓，以此來(lái)保護(hù)功率M0SFET。

負(fù)偏壓與功率擴(kuò)展電路

在了解了這種高頻感應(yīng)加熱電源的半橋串聯(lián)諧振逆變器設(shè)計(jì)圖之后，接下來(lái)我們來(lái)看一下如何完成負(fù)偏壓與功率擴(kuò)展電路的設(shè)計(jì)工作。下圖中，圖2給出了具體的負(fù)偏壓與功率擴(kuò)展電路。虛線右邊為功率擴(kuò)展電路，采用兩對(duì)P溝道和N溝道MOSFETQ1、Q3和Q2、Q4，組成推挽式輸出結(jié)構(gòu)。這是一個(gè)高輸入阻抗的功率緩沖器，可以產(chǎn)生8A峰值輸出電流，并且靜態(tài)電流是可以忽略的。

在這一負(fù)偏壓與功率擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)的運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)輸入信號(hào)為高電平時(shí)，Q2的柵極也為高電平，從而Q2導(dǎo)通，這就使得Q3的柵極變?yōu)榈碗娖?，這樣Q3就導(dǎo)通，則輸出也為高電平;當(dāng)輸入信號(hào)為低電平時(shí)，Q1導(dǎo)通，這就使得Q4的柵極變?yōu)楦唠娖?，這樣Q4就導(dǎo)通，則輸出也為低電平。其中，Q1、Q2對(duì)Q3、Q4來(lái)說(shuō)是一個(gè)低電流的驅(qū)動(dòng)器，Q3、Q4是輸出晶體管，它們的大小可以依據(jù)輸出峰值電流的需要來(lái)進(jìn)行選擇。當(dāng)輸入信號(hào)改變狀態(tài)時(shí)，R1限制在幾納秒時(shí)問(wèn)內(nèi)兩晶體管同時(shí)導(dǎo)通時(shí)通過(guò)Q1、Q2的電流。當(dāng)輸入轉(zhuǎn)變到一個(gè)新的狀態(tài)時(shí)，驅(qū)動(dòng)器晶體管迅速釋放掉柵極的電荷，強(qiáng)制輸出晶體管關(guān)斷。與此同時(shí)，另一輸出晶體管的柵極迅速被R1充電，由R1和輸出晶體管的輸入電容所構(gòu)成的RC時(shí)間常數(shù)將會(huì)使導(dǎo)通延遲。

在上圖圖2中，我們可以看到，該系統(tǒng)的虛線左邊設(shè)計(jì)是負(fù)偏壓電路。在這一負(fù)偏壓電路系統(tǒng)中，D1、C1和R2對(duì)Q2來(lái)說(shuō)是一個(gè)電平轉(zhuǎn)換器，C1、C3、D2和D3把輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成負(fù)的直流電壓，從而形成負(fù)壓偏置。下圖圖3給出了此電路具體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。其中，通道1是IR2110輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形，通道2是該驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)負(fù)偏壓與功率擴(kuò)展電路后的輸出波形。

驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比調(diào)節(jié)電路

在本文所設(shè)計(jì)的高頻感應(yīng)加熱電源驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)中，這種基于IR2110芯片所設(shè)計(jì)的半橋串聯(lián)諧振逆變器，主要采用M0SFET作為主開關(guān)器件，功率器件MOSFET在電路中的設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1中的T1、T2。在這種半橋串聯(lián)諧振逆變器的控制電路中，我們主要采用鎖相環(huán)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤，但是，在這種電路系統(tǒng)中，鎖相環(huán)MM74HC4046輸出信號(hào)的占空比為50%，若將其直接加到IR2110輸入端的話，那么輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比也是50%，將其加到主開關(guān)器件T2、T2的門極之后，驅(qū)動(dòng)信號(hào)將會(huì)受到線路雜散電感、寄生電容以及該MOSFET輸入阻抗、內(nèi)部寄生電容等的影響，使得占空比超過(guò)50%，從而無(wú)法設(shè)置正確的死區(qū)，不能滿足半橋串聯(lián)諧振逆變器的正常驅(qū)動(dòng)要求。

想要解決該電路系統(tǒng)中的占空比問(wèn)題，我們可以使用一個(gè)相對(duì)而言比較簡(jiǎn)單的方法，那就是在驅(qū)動(dòng)電路的前級(jí)加占空比調(diào)節(jié)(死區(qū)形成)電路。將加到IR2110輸入端的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)的的占空比變得小于50%，使得加到T1、T2門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比可靈活調(diào)節(jié)至略低于50%，從而可以產(chǎn)生滿足實(shí)際應(yīng)用需要的死區(qū)。具體的電路如下圖圖4所示。

通過(guò)圖4所展示的占空比調(diào)節(jié)電路圖中我們可以看到，在添加了調(diào)節(jié)電路后，這種高頻感應(yīng)加熱電源的電路系統(tǒng)中，頻率跟蹤電路輸出的占空比為50%的方波信號(hào)經(jīng)兩級(jí)74HC14整形后，分別送人上升沿觸發(fā)的JK觸發(fā)器74HC109和由RC組成的死區(qū)調(diào)節(jié)電路，兩者的輸出分別相與，就可以得到如圖4所示的兩組驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)，將它們分別送入IR2110的高、低輸入端，就可以得到滿足實(shí)際使用要求的驅(qū)動(dòng)信號(hào)翻。

下圖中，圖5所顯示的是經(jīng)過(guò)這種占空比電路調(diào)節(jié)后的IR2110高、低端驅(qū)動(dòng)信號(hào)。在具體的應(yīng)用過(guò)程中，工程師可以根據(jù)實(shí)際占空比的需要，通過(guò)調(diào)節(jié)電位器而得到不同的死區(qū)信號(hào)，因而也就可以得到不同占空比的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，也就是可以得到不同死區(qū)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。經(jīng)過(guò)測(cè)試，此電路可以工作在50kHz~5MHz頻率范圍內(nèi)，占空比可以在25%一50%之間調(diào)節(jié)，它可以滿足絕大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合。

以上就是本文所分享的一種基于IR21l0芯片的高頻感應(yīng)加熱電源驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，希望能夠?qū)Ω魑还こ處煹脑O(shè)計(jì)研發(fā)工作有所幫助。