電磁感應加熱，或簡稱感應加熱，是加熱導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，感應加熱是利用電磁感應的方法使被加熱的材料的內部產生電流，依靠這些渦流的能量達到加熱目的。感應加熱系統(tǒng)的基本組成包括感應線圈，交流電源和工件。根據加熱對象不同，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，流過線圈的交變電流產生一個通過工件的交變磁場，該磁場使工件產生渦流來加熱。
高頻感應加熱電源驅動電路設計方案就目前國內的感應加熱電源研發(fā)現(xiàn)狀而言，高頻感應加熱電源是主流的研發(fā)設計方向，也是很多工程師的工作重點。在今天的文章中，我們將會為大家分享一種基于IR2llO芯片的高頻感應加熱電源驅動電路設計方案，希望能夠通過本次的方案分享，幫助大家更好的完成研發(fā)設計工作。
在本次所分享的高頻感應加熱電源驅動電路設計方案中，我們使用芯片IR2llO用于該種驅動半橋串聯(lián)諧振逆變器的電路設計，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，采用恢復時間幾十納秒、耐壓在500V以上的超快恢復二極管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分別是輸入級邏輯電源和低端輸出級電源，它們使用同一個+12V電源，而VB是高端輸出級電源，它與VCC使用同一電源并通過自舉技術來產生。在這里由于考慮到了在功率MOSFET漏極產生的浪涌電壓會通過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的柵源之問接上12V穩(wěn)壓管D1、D2以限制柵源電壓，以此來保護功率M0SFET。
負偏壓與功率擴展電路
在了解了這種高頻感應加熱電源的半橋串聯(lián)諧振逆變器設計圖之后，接下來我們來看一下如何完成負偏壓與功率擴展電路的設計工作。下圖中，圖2給出了具體的負偏壓與功率擴展電路。虛線右邊為功率擴展電路，采用兩對P溝道和N溝道MOSFETQ1、Q3和Q2、Q4，組成推挽式輸出結構。這是一個高輸入阻抗的功率緩沖器，可以產生8A峰值輸出電流，并且靜態(tài)電流是可以忽略的。
在這一負偏壓與功率擴展電路設計的運行過程中，當輸入信號為高電平時，Q2的柵極也為高電平，從而Q2導通，這就使得Q3的柵極變?yōu)榈碗娖?，這樣Q3就導通，則輸出也為高電平;當輸入信號為低電平時，Q1導通，這就使得Q4的柵極變?yōu)楦唠娖?，這樣Q4就導通，則輸出也為低電平。其中，Q1、Q2對Q3、Q4來說是一個低電流的驅動器，Q3、Q4是輸出晶體管，它們的大小可以依據輸出峰值電流的需要來進行選擇。當輸入信號改變狀態(tài)時，R1限制在幾納秒時問內兩晶體管同時導通時通過Q1、Q2的電流。當輸入轉變到一個新的狀態(tài)時，驅動器晶體管迅速釋放掉柵極的電荷，強制輸出晶體管關斷。與此同時，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成的RC時間常數(shù)將會使導通延遲。
在上圖圖2中，我們可以看到，該系統(tǒng)的虛線左邊設計是負偏壓電路。在這一負偏壓電路系統(tǒng)中，D1、C1和R2對Q2來說是一個電平轉換器，C1、C3、D2和D3把輸入信號轉換成負的直流電壓，從而形成負壓偏置。下圖圖3給出了此電路具體的實驗結果。其中，通道1是IR2110輸出的驅動信號波形，通道2是該驅動信號經過負偏壓與功率擴展電路后的輸出波形。
驅動信號占空比調節(jié)電路
在本文所設計的高頻感應加熱電源驅動電路系統(tǒng)中，這種基于IR2110芯片所設計的半橋串聯(lián)諧振逆變器，主要采用M0SFET作為主開關器件，功率器件MOSFET在電路中的設計見圖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)電路來實現(xiàn)頻率跟蹤，但是，在這種電路系統(tǒng)中，鎖相環(huán)MM74HC4046輸出信號的占空比為50%，若將其直接加到IR2110輸入端的話，那么輸出驅動信號的占空比也是50%，將其加到主開關器件T2、T2的門極之后，驅動信號將會受到線路雜散電感、寄生電容以及該MOSFET輸入阻抗、內部寄生電容等的影響，使得占空比超過50%，從而無法設置正確的死區(qū)，不能滿足半橋串聯(lián)諧振逆變器的正常驅動要求。
想要解決該電路系統(tǒng)中的占空比問題，我們可以使用一個相對而言比較簡單的方法，那就是在驅動電路的前級加占空比調節(jié)(死區(qū)形成)電路。將加到IR2110輸入端的驅動控制信號的的占空比變得小于50%，使得加到T1、T2門極驅動信號的占空比可靈活調節(jié)至略低于50%，從而可以產生滿足實際應用需要的死區(qū)。具體的電路如下圖圖4所示。
通過圖4所展示的占空比調節(jié)電路圖中我們可以看到，在添加了調節(jié)電路后，這種高頻感應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%的方波信號經兩級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所示的兩組驅動控制信號，將它們分別送入IR2110的高、低輸入端，就可以得到滿足實際使用要求的驅動信號翻。
下圖中，圖5所顯示的是經過這種占空比電路調節(jié)后的IR2110高、低端驅動信號。在具體的應用過程中，工程師可以根據實際占空比的需要，通過調節(jié)電位器而得到不同的死區(qū)信號，因而也就可以得到不同占空比的驅動信號，也就是可以得到不同死區(qū)的驅動信號。經過測試，此電路可以工作在50kHz~5MHz頻率范圍內，占空比可以在25%一50%之間調節(jié)，它可以滿足絕大多數(shù)應用場合。
以上就是本文所分享的一種基于IR21l0芯片的高頻感應加熱電源驅動電路的設計，希望能夠對各位工程師的設計研發(fā)工作有所幫助。
下載文檔
