Девайсы
Статьи
Контакты

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.



Блок управления

Схема блока управления на UC3825
Рисунок 1 - Схема блока управления мостом



Принципиальная схема блока управления аналогична схеме из "Полумоста на UC3825", с основным отличием в количестве линий управления ключами инвертора. Регулировка выходной мощности производится изменением длительности импульсов при помощи резистора R6.
Регулировку схемы ограничения тока КЗ можно производить на готовом устройстве с использованием мощной активной нагрузки, при пониженном напряжении силовой цепи. В разрыв питания силовой цепи включается амперметр, подстроечник R13 устанавливается на минимум, подается пониженное питание. С изменением сопротивления подстроечника R13 должны меняться показания амперметра, он показывает ток, при котором будет действовать ограничение. Величина уставки устанавливается в зависимости от того, на какой максимальный ток рассчитаны транзисторы инвертора.
Генератором в блоке управления является микросхема UC3825, которая имеет два выхода для управления ключами двухтактного преобразователя. Выходные каскады данной микросхемы способны управлять с приемлемым быстродействием полевыми транзисторами с небольшим зарядом затвора (Ciss), но не могут быть задействованы для управления силовыми ключами. У ключей инвертора, как правило, величина заряда затвора велика, поэтому для достижения достаточно короткого времени заряда затворов, на них необходимо подавать импульсы с пиками тока обычно не менее 2А. А если задействовано параллельное соединение нескольких транзисторов в качестве одного ключа, то требуются ещё более мощный драйвер. Поэтому применен драйвер на MOSFETах VT3/VT4. Применение полевых транзисторов IRF530 в драйвере с относительно малым зарядом затвора и с относительно малым сопротивлением открытого канала (Rds_on), позволяет добиться минимальных задержек импульсов, требуемой их мощности, при довольно малых потерях в транзисторах драйвера (нагреве). На вторичной стороне трансформатора GDT задействованы цепи разряда затвора, применение которых позволяет существенно сократить время разряда и несколько снизить нагрузку на драйвер. Транзистор (VT1, VT2, VT5, VT6) в цепи разряда запирается 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. При необходимости дальнейшего сокращения длительности фронтов управляющих импульсов, возможно включение диодов параллельно затворным резисторам и применение схем разряда на полевых транзисторах. Но в данном случае схема дает приемлемые длительности фронтов. Резисторы по 1кОм параллельно затворам здесь применены не столько для ускорения разряда (с этим справляется схема разряда), сколько для защиты от сохранения заряда затвора при случайном обрыве цепей управления (применен разъем). На выходе плата генерирует четыре однополярных управляющих сигнила. Осциллограмма (Рис. 2 а) снята, с двух линий управления без подключенных ключей, на ней видны два сигнала и мертвое время. На осциллограмме (Рис. 2 б) изображен один из управляющих сигналов, непосредственно на ногах 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, параллельных вторичным обмоткам, но при этом будет возрастать средний ток питания драйвера. Т.к. затворы силовых транзисторов могут пробиться уже при напряжении 20В и выше, их желательно защищать TVS-диодами (например, P6KE18), хотя, иногда успешно применяются стабилитроны (например, КС515, КС518), как и сделано в данном устройстве.



Рисунок 2 - Осциллограммы управляющих сигналов (частота 140 кГц)




Рисунок 3 - Изображение платы управления


Driver_PCB_r1.lay (160 кб) - плата управления в формате SprintLayout



Силовой блок

Схема силового блока
Рисунок 4 - Схема силового блока



В силовой блок входят сам инвертор, выпрямитель сетевого напряжения, трансформатор тока, схема питания кулера и индикации его перегрева. Транзисторы моста обвязаны стабилитронами, возвратными диодами и RC-снабберами. 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. 2 б). При стабильной работе длительность фронта/спада может быть порядка 200-250 нс, амплитуда импульсов 12-14 В, dead-time не менее 0,8 мкс (для IGBT оно было бы больше). Инвертор испытан на нагрузке в 2кВт. Для повышения мощности можно использовать более мощные транзисторы и лучшую систему охлаждения.





Рисунок 5 - Изображение силового блока



Индукционный нагрев

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. Батарея конденсаторов набрана из 16 шт. CBB81 0,1мкФ*2000В, общая емкость составляет 1,6 мкФ. Согласующий трансформатор намотан на сердечнике из трех колец М2000НМ К45x28x8, имеет 25 витков первичной обмотки. Фактическая резонансная частота контура составляет 146 кГц.


Рисунок 6 - Схема выходного контура


При резонансе напряжений в идеальном последовательном LC-контуре, ток ограничивается только активным сопротивлением контура. Следовательно, если частота инвертора равна резонансной частоте контура, индуктор пустой (без нагрузки) и не принято никаких мер по избежанию работы в таком режиме, то инвертор будет работать практически на КЗ. Избежать такого режима можно несколькими способами. Один из них - постоянная работа с графитовым тиглем. Второй способ - включение с уже нагруженным индуктором (с заготовкой). При внесении заготовки в индуктор, меняется его индуктивность и резонансная частота контура. При внесении в индуктор ферромагнетиков (сталь, железо), резонансная частота сдвигается вниз, а при внесении диамагнетиков (медь) - частота сдигается вверх. Насколько сильно изменится частота, зависит от массы и материала заготовки (его магнитной проницаемости). Кроме того, резонансная частота меняется по мере нагрева заготовки, поскольку магнитные свойства материала зависят от его температуры. 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 разных степенях нагрева заготовок.

Есть несколько способов подстройки частоты генератора в резонанс с LC-контуром:
Первый (канонический) - с помощью осциллографа, по отсутствию сдвига фаз между током в контуре напряжением на нем.
Второй способ - 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.
Третий и наиболее простой способ - отслеживание тока, потребляемого инвертором в процессе регулирования частоты генератора (R9). Частота, при которой потребляемый ток наибольший, является резонансной.
Следующий график показывает приблизительную зависимость потребляемого контуром тока от частоты инвертора, со стальной заготовкой в индукторе, и без нее.


Рисунок 7 - Изменение резонансной кривой при внесении стальной заготовки




Фотоархив



Видео





Комментарии

#24 сообщение от admin 13.08.2015
Константин, возможно. Просто эти резисторы я подбирал в соответствии с требуемым в моем случае диапазоном регулирования скважности, при этом Vcc с моим питающим трансформатором падало примерно до 12В. Проверю Ваши номиналы и внесу поправку, спасибо.
#23 сообщение от Константин 10.08.2015
В схеме управления резисторы R5 и R7 выбраны не верно. Для 15В нужно ставить около 10к и 2,7к соответственно.
#22 сообщение от igor 23.11.2014
Unкакое наприжене должно быти у кандинсатороф в блоке управлене
#21 сообщение от sasha 13.05.2014
спасибо за ответы.учту.интересно видели ли вы на сайте http://gyrator.ru/circuitry-switching-sinus схему с применением uc3823.я пробовал ставить uc3823n и uc 3823an-не идет.по даташиту они отлтчаются друг от друга назначением вывода11 и 14.
#20 сообщение от admin 12.05.2014
sasha, если повесить соответствующий транс, работать то оно будет, но выходное напряжение будет нестабильно (отсутствие ОС) и слишком большой будет ток в ключах при Ктр = 51 (для полумоста). Я бы дулал push-pull с ОС.
#19 сообщение от sasha 08.05.2014
я имел ввиду полумостовой инвертор на uc3825
#18 сообщение от sasha 08.05.2014
можно ли использовать вашу схему для инвертора 12в-310в
#17 сообщение от admin 28.04.2014
Если имеются ввиду диоды, которые стоят в цепи ОС, то да. Думаю, хватило бы и HER101, т.к. амплитуда напряжения там врядли будет выше 30В при тех же номиналах резисторов.
#16 сообщение от Дмитрий 28.04.2014
А если схеме полумоста поставить диоды не uf4007, а HER305?Вемплитуда же меньше, значит и диоды можно ставить слабее, ведь так?
#15 сообщение от admin 20.04.2014
0,12 кв.мм.
|1| |2| |3| |4| |5|



Добавление комментария
Имя:
E-mail:
Сообщение:
0