Мостовой инвертор на UC3825. Индукционный нагрев

В данной статье описана схема инвертора напряжения с мостовой топологией на базе генератора UC3825. Мощность инвертора составляет около 2 кВт продолжительной нагрузки. Устройство может применяться в различных лабораторных приложениях, в том числе и для индукционного нагрева металлов (без АПЧ). Вся конструкция инвертора состоит из двух блоков - блока управления и силового блока.

Рисунок 1 - Схема блока управления мостом

Принципиальная схема блока управления аналогична схеме генератора полумоста на UC3825. Отличие схемы в том, что в мостовом варианте добавлены ещё два канала управления ключами. Регулировка выходной мощности производится изменением длительности импульсов при помощи резистора R6.
ШИМ-контроллер UC3825 имеет два канала управления двухтактного преобразователя. Для управления силовыми ключами с большой величиной заряда затвора C_iss с приемлемым быстродействием, пики тока во время заряда должны достигать 2-2,5А (на один ключ). Выходные каскады микросхемы для этих целей малопригодны, т.к. максимальный пиковый ток у них 1,5А, зато позволяют управлять MOSFETами с небольшой величиной заряда затвора C_iss, которые будут работать как драйвер силовых ключей. Такими транзисторами в схеме являются MOSFETы VT3/VT4 (IRF530). Они имеют относительно малую C_iss и сопротивление открытого канала R_{ds_on}. Этих транзисторов с излишком хватает для управления 4-мя силовыми ключами за трансформатором гальванической развязки TV2 (GDT), в данной схеме они почти не греются. GDT намотан на кольце М2000НМ1 К28-16-9, все 2+4 обмотки имеют по 25 витков проводом МГТФ 0,12 мм².
На вторичной стороне GDT задействованы цепи на транзисторах VT1/VT2/VT5/VT6, применение которых позволяет сократить время разряда затворов и снять нагрузку с VT3/VT4 на зарядку отрицательным напряжением закрывающихся затворов. Благодаря подтяжке затвора к истоку в фазе закрытия ключа, эти цепи также служат для недопущения открытия ключа из-за эффекта, когда при изменении напряжения на стоке (dV/dt), через емкость сток-затвор (емкость Миллера) затвор заряжается емкостным током. Направления этого тока зависят от направления изменения напряжения на стоке и таковы, что он противодействует заряду/разряду затвора драйвером (рис. 2). Кроме того, заряд затвора может произойти у одного ключа, при открывании другого ключа в одном плече моста, так как при этом происходит изменение напряжений на стоках обоих ключей. Это может привести к возникновению сквозного тока в плече моста. На примере SPICE-модели (miller_demo.zip, 2,2 кб) демонстрируется эффект Миллера.

Рисунок 2 - демонстрация эффекта Миллера на одном ключе в мосте, без подавления
(синий график - напряжение на стоке VT2; зеленый - напряжение на затворе VT2)

Рисунок 3 - демонстрация эффекта Миллера без подавления в зависимости от напряжения питания и тока нагрузки

Транзистор (VT1, VT2, VT5, VT6) заперт при следовании с обмотки GDT положительного импульса (относительно истока), и отпирается при снятии управляющего импульса за счет наличия на затворе положительного потенциала (пока он заряжен) и "подтяжки" базы к коллектору резистором 470 Ом.
Регулировку схемы ограничения тока КЗ можно производить на готовом устройстве при пониженном напряжении питания моста. К выходу моста подключается активное сопротивление достаточной мощности, резистор R13 выкручивается на минимум, затем на шины питания моста через амперметр подается пониженное напряжение от регулируемого источника питания. Напряжение питания моста и сопротивление активной нагрузки во время настройки должны быть такими, с которыми может быть достигнута величина настраиваемой уставки тока, но при этом максимальный ток U/R не мог бы превысить допустимый для транзисторов моста. С вращением подстроечника R13 должны меняться показания амперметра, он показывает величину ограниченного тока (уставки). Если на каком-то диапазоне регулировки показания не меняются, значит в данном диапазоне уставка превышает ток, потребляемый тестовой нагрузкой при данном напряжении питания. После настройки уставки ограничения, повышение напряжения питания при неизменной нагрузке не должно приводить к выходу величины тока потребления за пределы заданной уставки.
Осциллограмма (Рис. 4 а) снята, с двух линий управления без подключенных ключей, на ней видны два сигнала и мертвое время. На осциллограмме (Рис. 4 б) изображен один из управляющих сигналов, непосредственно на выводах одного из силовых транзисторов. При тестировании драйверов с нагрузкой по 5.1Ом + 10нФ на каждый канал одновременно, длительности фронтов составляли не более 200нс. "Иглы" сразу после переднего фронта на затворах не превышают 15-16В и обусловлены применением GDT (индуктивности обмоток) и подавляются снижением сопротивления резисторов, шунтирующих вторичные обмотки GDT, но при этом будет возрастать средний ток питания драйвера. Т.к. затворы силовых транзисторов могут пробиться уже при напряжении 20В, их желательно защищать TVS-диодами (например, P6KE18), хотя, также успешно применяются стабилитроны (например, КС515, КС518), как и сделано в данном устройстве.

Рисунок 4 - Осциллограммы управляющих сигналов (частота 140 кГц)

Рисунок 5 - Изображение платы управления

Рисунок 6 - Схема силового блока

В силовой блок входят сам инвертор, выпрямитель сетевого напряжения, трансформатор тока, схема питания кулера и индикации его перегрева. Транзисторы моста обвязаны возвратными диодами, RC-снабберами, стабилитронами для защиты затворов. Резисторы по 1кОм параллельно затворам здесь применены не столько для ускорения разряда в процессе работы, сколько для разряда затворов при случайном обрыве цепей управления любого из ключей либо всех сразу (т.к. применяется разъем). При закрытии ключей одного из плеч происходит быстрое изменение тока в нагрузке. Если нагрузка имеет индуктивный характер, то в моменты коммутации могут возникать индуктивные выбросы (ЭДС самоиндукции), амплитуда которых пропорциональна величине индуктивности и скорости изменения тока. Такие переходные процессы могут вывести ключи из строя. RC-снабберы рассеивают энергию коммутационных выбросов на резисторах. Супрессор VD8 защищает элементы силовой цепи от перенапряжений свыше 400В. Для охлаждения ключей моста использован кулер для CPU компьютера.

В завершенном устройстве, перед подачей питания на мост, необходимо проверить формы управляющих сигналов непосредственно на затворах (см. Рис. 4 б). Питание моста при первом запуске следует подавать от минимума, постепенно повышая до сетевого с контролем тока потребления, сначала без нагрузки. Без нагрузки ток должен быть практически нулевым, с поправкой на ток снабберов. Если это условие выполняется, то можно испытывать с нагрузкой, также постепенно повышая напряжение питания. При первых запусках желательно контролировать ещё форму сигналов, но тогда нужно помнить о том, что на ключах будет присутствовать высокое напряжение, как между верхними и нижними ключами, так и относительно "земли" (если не принято мер для развязывания сети). При стабильной работе длительность фронта/спада может быть порядка 200-250 нс, амплитуда импульсов 12-14 В, dead-time не менее 0,8 мкс. При использовании IGBT требуемый dead-time может быть больше, в зависимости от задержки выключения t_d(off). Инвертор испытан на нагрузке в 2кВт. Для повышения мощности можно использовать более мощные транзисторы и лучшую систему охлаждения.

Рисунок 7 - Изображение силового блока

В качестве выходного контура использован последовательный LC-контур с согласующим трансформатором. Индуктор изготовлен из медной трубки диаметром 6 мм, имеет диаметр 42 мм, высоту 60 мм, количество витков - 7 шт. Батарея конденсаторов емкостью 1,6 мкФ набрана из 16 шт. 0,1мкФ*2000В типа CBB81 (полипропиленовые, аналог К78-2), которые выбраны в том числе по низкому тангенсу угла диэлектрических потерь, что критично для работы в контуре. Согласующий трансформатор намотан на сердечнике из трех колец М2000НМ К45x28x8, имеет 25 витков первичной обмотки. Фактическая резонансная частота системы (инвертор + трансформатор + контур) при пустом индукторе составляет 137,5 кГц.

Рисунок 8 - Схема выходного контура

Последовательный вариант контура выбран благодаря тому свойству, что при отклонении частоты инвертора от резонансной, это не приводит к возрастанию тока в контуре, с учетом того, что используется ручной способ подстройки частоты. При этом для инвертора нежелательны режимы, при которых выходная частота будет ниже резонансной. В этом случае контур будет представлять для инвертора емкостной характер нагрузки, могут возникать пики сквозного тока моста, обусловленные задержкой обратного восстановления диодов сток-исток. На рисунке 9 приведены осциллограммы тока питания моста и напряжения на индукторе в эксперименте с пустым индуктором, при напряжении питания моста 10В.

   

Рисунок 9 - Ток в цепи питания моста (CH1) и напряжение на индукторе (CH2) в зависимости от частоты питания LC-контура

Другая особенность последовательного контура не позволяет ему работать с пустым индуктором (без нагрузки), так как в режиме резонанса ток питания контура будет максимальным и при высокой добротности в сочетании с низким активным сопротивлением контура может для инвертора быть практически эквивалентен КЗ (если схемой управления не предусмотрены отсечки или ограничение мощности в таком режиме). Крутизна нарастания тока при приближении к резонансной частоте тем больше, чем выше добротность контура, которая в свою очередь обратно пропорциональна активной мощности, рассеиваемой в контуре (как определять добротность написано здесь). Таким образом исключить режим работы с пустым индуктором можно, например, при постоянной работе с графитовым тиглем (допустимо с пустым), который будет постоянно отбирать энергию на собственный нагрев.
Резонансная частота контура зависит также от материала и массы объектов, вносимых в индуктор. В зависимости от магнитной проницаемости и удельного сопротивления, разные материалы заготовок по разному влияют на индуктивность индуктора. Кроме того, у нагреваемого материала эти параметры зависят от температуры. Например, у стали при переходе температуры выше примерно 800°C, относительно резко падает магнитная проницаемость и практически сравнивается с этой величиной для воздуха. Из-за этого по мере нагрева непостоянна и толщина скин-слоя, которая зависит не только от частоты, но и от магнитной проницаемости и удельного сопротивления. Мощность, передаваемая на нагрев заготовки максимальна только на резонансной частоте. Поэтому при фиксированной частоте генератора нельзя добиться полной отдачи мощности на нагрев при разных массах, материалах и при разной степени нагрева заготовок. Но, на практике оказалось, что если объем заготовок относительно индуктора небольшой, то частота практически не сдвигается.

Есть несколько способов ручной подстройки частоты генератора в резонанс с LC-контуром, вот некоторые из них:

• С помощью осциллографа, по отсутствию сдвига фаз между током в контуре напряжением на нем.
• Поиск частоты, при которой амплитуда напряжения на L или C элементах контура достигает наибольших значений (форма напряжения при этом синусоидальная). На элементах контура амплитуда напряжения может во много раз превышать напряжение питания, поэтому указанную процедуру необходимо проводить при пониженном напряжении питания инвертора и с делителем напряжения.
• Отслеживание тока, потребляемого инвертором в процессе регулирования частоты генератора (R9). Частота, при которой ток последовательного контура имеет наибольшую величину, является резонансной.


Рисунок 10 - Влияние стального объекта в индукторе на резонансную кривую контура





Фотоархив





Видео







Комментарии



#4 сообщение от admin	11.02.2014
Андрей, с шунтом схема, теоретически, работать будет, но генератор будет гальванически связан с сетью, я бы так не делал.. А трансформатор тока - ферритовое кольцо М2000НМ1 К28-16-9 (можно и меньше), с обмоткой 50 вит., одетое на силовой провод.
#3 сообщение от Андрей	10.02.2014
А можна вместо т-ра тока в цепь питания 310 последовательно включить шунт на 0.2 ом 20 вт и с него подавать напряжение на ШИМ
#2 сообщение от Андрей	10.02.2014
Как мотать трансформатор тока?
#1 сообщение от вячеслав	18.10.2013
Здравствуйте.Если у Вас заказать индукционный нагреватель то сколько он будет стоить.
1   2   3   4   5






Добавление комментария
Имя:
E-mail:
Сообщение: