圖2為電磁振蕩的原理圖,其中包括電源主回路、同步電路、脈寬調制電路、IGBT的驅動保護電路。其中IGBT的驅動保護電路是采用的圖1的方案。在完整的電磁振蕩電路中還包括電源電路、電流負反饋電路、過壓保護電路、以及單片機控制電路。
主回路中,IGBT受到的驅動信號為近似矩形的脈沖,當IGBT導通的時候,勵磁線圈L2的電流急劇增加,能量以電感的電流形式保存起來,當IGBT截止時,勵磁線圈L2與電容C3的并聯回路發生諧振,電壓可以超過1000V。驅動矩形脈沖信號的脈寬決定了電磁振蕩工作的功率,但是這個寬度是通過同步電路和脈寬調制電路共同決定的。
同步電路必須準確監視主回路工作狀況,當IGBT的集電極電壓下降接近0V時,勵磁線圈中電流正在反向減小,通過脈寬調制電路輸出一個觸發脈沖,通過同步電路和脈寬調制電路組成的電路可以使驅動脈沖再次加到IGBT的柵極,強行使IGBT導通。
在脈寬調制電路中,通過改變 電平的值,可以控制功率,它是由單片機輸出與電流負反饋信號共同決定的。IC1和IC2為快速比較器LM319。如圖2中所示,當V3> 時,比較器的輸出端相當于開路,通過外接上拉電阻,可以得到高電平,從而驅動IGBT導通,而當V3< 時,比較器的輸出口相當于接地,輸出為低電平。

圖2 電磁振蕩電路圖
如圖2為電磁振蕩電路原理圖,當220V的交流電經過硅橋(B1),再通過電容C1的濾波處理,轉換成為直流電壓信號。勵磁線圈(爐盤)和電容C3為并聯的,用以產生電磁振蕩。
圖3為電磁振蕩過程中的各點的波形,這些信號都是在振蕩過程中相當重要的,如果有一個信號出錯,都會影響電磁振蕩的正常進行,其中包括了參考電源信號V1,電壓反饋信號V2,以及同步結果信號V5,控制功率的參考電壓信號Vref,以及IGBT的驅動信號等。
t0-t1過程:IGBT為截止狀態,L、C正在發生振蕩。首先,在t0時刻,電路中的能量表現為電感L2的電流,接下來能量通過電感轉向電容器,即以電流的形式向電壓的形式轉換,通過電容器C3與電感L2的并聯回路給電容充電。當電容電壓達到最大值的時候,如圖3中的V2的峰值時刻,這時電容的電壓能夠達到1000V,電感的電流為0,接下來能量從電容C3轉向電感。當V2電壓低于比較的電壓信號V1時,比較器1的輸出發生一次翻轉,此時電容C5迅速放電,使得V3的電壓低于了功率參考電壓Vref,由于比較器2的作用,強行使IGBT導通。
t1-t2過程:IGBT為導通狀態,這個時間段內,電感L2的電流急劇增加,如圖3所示,反饋電壓V2接近0,比較器1的輸出口V5也為低電平。在這個時候,電容C5開始充電,當這個電壓(V3)高于功率參考電壓Vref的時候,比較器2的輸出口電壓發生翻轉,把IGBT的驅動電壓強行拉低了,這就是一個IGBT導通的一個過程。
t0-t2的過程就是一個電磁振蕩的過程,也是電磁振蕩的一個周期,以后的過程與這段時間相同,如圖3中,t2-t3過程與t0-t1過程完全相同,t3-t4過程與t1-t2過程完全相同。t0-t1的時間間隔取決于諧振線圈L2和諧振電容C3,所以這個電磁振蕩的頻率f主要取決于L2和C3。

圖3 電磁振蕩過程中的一些重要信號波形
電壓V1、V2的選取在整個系統中相當重要,它關系到同步電路部分能否準確監測主回路的狀態。在靜態的時候,V2 要略高于V1,以保證比較器1的輸出為高。但是如果V2過高,R14選取相對過大,在振蕩的過程中,會出現電容C3的電壓已降為0時不能及時驅動IGBT,使其導通,這樣不能準確監測主回路的工作狀態。同樣如果R14與R12的匹配的值過小,會提前促使IGBT導通,這樣一來由于反壓過高,此時IGBT一旦導通,就會被損壞。
在反復的實驗中,得到了如圖4的數據,t1和t1’則并不是同一時刻,這是值得注意的,這也是相當重要的。一個振蕩周期大概為40μs,如圖4中所示,t1’要比t1滯后2個μs,這個滯后是允許的,但是這個時間不能太長。說明在反饋電壓V2還沒有降到0的時候,已經又有信號驅動IGBT,使其導通。首先這個時間是允許的,因為IGBT有一個柵極電壓VGE,這個電壓的具體值根據不同的器件而定的,大概為2V~5V,說明在t1’時刻IGBT不一定已經導通了。其次,這個時間不易過長,如果過長了,則會出現反饋電壓V2還沒有降到0,就再次驅動IGBT了,這個時候IGBT的集電極還有很高的電壓,這樣一來,IGBT很可能受到損壞。在實際的電路中,可以通過調節V1與V2的電壓來控制t1與t1’之間的時間間隔,其中V1是一個參考電壓,也就是一個基準電壓,V2是反饋電壓,通過使用比較器起到同步的作用。

圖4 把驅動電壓與反饋電壓合成的效果圖