敏感陶瓷微波烧结炉驱动电源设计.pdf

2 01 0正 第 9期 仪表 技术与 传感器 I n s t r u me n t Te c h n iq u e a nd S e ns o r 2 01 0 No 9 敏感陶瓷微波烧结炉驱动电源设计 付明 尹华 杰 华中科技大学 电子科学与技术 系 湖北武汉4 3 0 0 7 4 摘要 微波烧结炉驱动电源是用来驱动磁控管的 采用 P WM脉宽调制技术 通过调节 P WM信号占空比实现对系统 输出功率的调节 P WM信号由以A T m e g a l 6系列单片机为核心的电路产生 电路利用 P I D算法实现对 P WM 占空比的精 确调节 通过 串口与上位机通信 利用 V is u a l C 6 0开发上位机软件 可实现温度曲线设置 烧结曲线的实时绘制与 保存 P I D参数设置等功能 对氧化锌压敏电阻进行了烧结 结果表明 由该电源组成的系统烧结效果优于传统烧结 关键词 磁控管 全桥逆变 单片机 智能控制 中图分类号 T P 2 7 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 2 1 8 4 1 2 0 1 0 0 9 0 0 5 2 0 2 De s ig n o f Po we r Su p pl y f o r M ic r o wa v e S in t e r in g S y s t e m o f Se mic o n d uc t iv e Ce r a mic s F U Mi n g Y I H u a j i e D e p a r t me n t o f E l e c t r o n i c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y Hu a z h o n g U n i v e r s i t y o f S c ie n c e a n d T e c h n o l o g y Wu h a n 4 3 0 0 7 4 C h i n a Ab s t r a c t I n t h e p o w e r s u p p l y f o r d r iv i n g ma g n e t r o n t h e P u l s e Wi d t h Mo d u l a t i o n P WM t e c h n o l o g y w a s a d o p t e d t h e a d j u s t me n t o f P WM s ig n a l d u t y c y c l e wa s u s e d t o r e a l iz e t h e r e g u l a t io n o f o u t p u t p o we r P W M s ig n a l s we r e g e n e r a t e d f r o m t h e c ir c u it w h ic h w a s b a s e d o n A T me g a l 6 c h ip a n d t h e c i r c u it u s e s t h e P I D a l g o rit h m t o a d j u s t P WM d u t y c y c l e a n d c o m m u n i c a t e s w it h P C t h r o u g h a C OM p o r t T h e h o s t c o mp u t e r s o f t w a r e w h ic h is d e v e l o p e d in Vis u a l C 6 0 is a b l e t o r e a l iz e t h e s e t o f t e mp e r a t u r e c u r v e t h e r e a l t ime r e n d e r in g a n d s a v in g o f s in t e r in g c u r v e s a n d t h e s e t o f P I D p a r a me t e r s Z n O Va r is t o r s a r e s in t e r e d a n d t e s t e d a n d t h e r e s u l t s h o w s t h a t t h e s in t e r in g r e s u l t o f t h is s y s t e m iS s u p e r io r t o t h o s e o f t r a d it io n al s in t e r in g Ke y wo r ds ma g n e t r o n f ul l b ri dg e in v e r t e r s ing l e c h ip mic r o c o mp ut e r in t e l l ig e n t c o n t r o l 0引言 微波烧结技术是新兴的材料制备技术 具有缩短烧结时 间 降低烧结温度 提高烧结产品的性能 减少能耗和环保等优 点 这种加热方法能量利用效率高 而且微波的非热效应还能 够降低烧结时间 提高敏感陶瓷材料的性能 1 1 微波烧结系统 的核心是微波发生源 包括 2个部分 高压直流电源和磁控管 其中高压直流电源用来为磁控管提供工作 电压 目前微波烧 结炉驱动电源大都是将工频电压经高压变压器升压后整流滤 波 或升压后再倍压整流后得到直流高压 但是这类磁控管驱 动电源由于变压器 滤波电容等体积大 能量利用效率低 不易 实现智能化控制等一些缺点 并不是最理想的磁控管驱动电 源 针对这些问题 有必要研究一种专用微波烧结炉磁控管驱 动电源 1 驱动电源原 理 磁控管驱动电源原理框图如 图 1所示 其原理是 2 2 0 V 5 0 H z 的单相交流电经过二极管组成的桥式整流电路后 变为脉 动的直流电压 然后经过 L c滤波电路平滑滤波后 加在由 I G B T模块组成的全桥逆变器上 该全桥逆变器采用的是 P WM 脉宽调制方式驱动的 驱动频率采用 2 0 k H z 驱动波形的占空 比是可调的 基金项 目 国家 8 6 3 计划资助项 目 2 0 0 7 A A 0 3 Z 1 2 0 收稿 日期 2 0 1 0 0 2 0 5收修改稿 日期 2 0 1 0 0 3 2 4 图 1 驱动 电源原理框图 电源的驱动与控制电路主要借助 A T m e g a l 6单片机 实现 输出电流 电压及加热温度的实时显示 输出功率的大小的精 确调节以及同 P C机 的互 联 2 驱动 电源功率 回路设计 功率主回路主要包括低压整流电路 全桥逆变回路 高压 整流回路几部分 低压整流部分原理较简单 下面主要介绍全 桥逆变回路和高压整流滤波回路2部分 2 1 全桥逆变 回路 功率变换采用全桥逆变回路 电路图如图 2所示 逆变回 路采用的开关器件为 I G B T I G B T可视为双极型大功率晶体管与功率场效应晶体管的 复合 通过施加正向栅极电压形成沟道 提供晶体管基极电流 使 I G B T导通 如果提供反向栅级电压则可以消除沟道 使得 I G B T因为流过反向栅极电流而关断 j I G B T集大功率晶体管 通态压降小 载流密度大 耐压高和功率 MO S F E T驱动功率小 开关速度快 输入阻抗高 热稳定性好的优点 是该电路理想的 开关 器件 第 9期 付明等 敏感陶瓷微波烧结炉驱动电源设计 5 3 图 2全桥逆变回路 由于 I G B T开关管会受到高频变压器漏感的影响 其源极 S 与漏极 D之间会产生数倍于电源电压的尖峰电压 该尖峰电压 会严重影响 I G B T的工作 为了保证电路能够正常工作 必须 在 I G B T的源 漏极之间设置缓冲吸收电路 用以控制 I G B T浪 涌电压和续流二极管的恢复浪涌电压 2 2高压整流 回路 由于要使磁控管工作需提供直流高压 因此必须将高频变 压器副边的脉动交流电压整流成直流电压 超快恢复二极管的反向恢复时间的长短对整个电路的稳 定性有很大影响 在该全桥整流电路中 当一个桥臂的二极管 处于反向恢复状态时 此时这个桥臂的上下二极管是直通的 电压输出为零 同时会有很大的反向恢复电流在 回路中的电感 上产生很大的感生电动势 加在超快恢复二极管的两端 如果 用示波器观测 可以观察到有几倍于变压器的输出电压 这将 很可能将超快恢复二极管反向击穿 此处的高频二极管必须 要有快的恢复时间 且耐压值要尽量高 并且可以采用桥臂上 二极管相串联的方式来 降低加在每个管子上的电压 选用的 二极管反向重复峰值电压为 V 1 0 k V 反向恢复时间 T 1 0 1 S 正向压降 r o 2 5 V 3 I GB T驱动 电路设计 该电路的功能是为 I G B T提供脉宽调制信号 该模块运用 P WM结合数字 P I D算法的温度控制方法 以 I G B T器件为控制 对象 实现驱动电源输出功率的稳定精确控制 功率主电路采用的是全桥逆变回路 用 P WM脉宽调制信 号来驱动 4个 I G B T开关管 由于主回路会对驱动电路产生干 扰 所以应该在主回路与驱动回路之间采取隔离措施 该 电路 采用光耦进行 隔离 该驱动电源利用 P I D算法根据系统的误差来进行控制 具 体的控制过程为 当样品实际温度 远大于或远小于设定温度 时 迅速加大或减小 P WM脉宽波形 的 占空 比 而当温差小于 设定值 如2 C 后即采用 P I D控制 以使系统快速结束过渡过 程 这种控制过程的好处是 由于 P I D控制是在较小温差时开 始进入的 可以在有效的避免各种饱和的同时加快调节速度 系统还可在线修正 P I D参数 增加了系统的自动化程度 4 控 制与显 示部分 该部分的功能是对驱动电源的输出进行采样 实时显示输 出电压与电流 显示由红外测温仪测量的微波烧结炉的温度数 据 4 1 采样部分 A T me g a l 6单片机中涉及 A D转换功能的寄存器主要有 4 个 1 A D C多路复用选择寄存器 A D Mu x A D MU X寄存 器用于参考电压的选择 转换结果对齐方式选择和模拟输入通 道切换 2 A D C数据寄存器 A D c L及 A D C H A D C转换结果 为十位 存放于 A D C数据寄存器 A D C L及 A D C H中 默认状况 情况下转 换结果 为右对 齐 3 A D C控制和状态寄存器 A A D c s R A A D S R A用于 对 A D转换模块的工作方式选择及控制 下面是电压采样部分主程序 电流采样主程序与此类似 u in t a d v 电压 采样转化子程序 u in t a d d a ta v D DR A B I T P A 0 P OR T A B i T P A O P A 0输入 电压 AD MU X 0 b 部参考电压 5 V 右对齐 A DC S R 0 X 8 0 寄存器初始化 A DC S R l B I T A D S C 数模转换开始 w h i l e A D C S R B I T A D I F a d d a t a v A D C L 读取 A D转换值 a d d a t a v a d d a t a v ADCH 2 5 6 转换值的标准化 r e t u m a d d a t a v 4 2串行通信部分 A T m e g a l 6 单片机串口 通信功能主要用到了单片机片内集 成支持同步 异步串行通信的 U S A R T接口 U S A R T串口通信 模块所涉及的寄存器主要有4个 1 U S A R T数据寄存器 u D R U S A R T发送数据缓冲寄 存器 T X B 和 U S A R T接受数据缓冲寄存器 R X B 共享同样的 I O地址 即为 U S A R T的数据寄存器 U D R 2 U S A R T控制和状态寄存器 A U C s R A U C S R A寄存 器主要实现的是接受 发送数据的状态指示 寄存器空及数据 溢出的状态指示等相关 U S A R T寄存器状态的指示功能 3 U S A R T控制和状态寄存器 B u c S R B U C S R B寄存 器主要实现的是接受 发送数据功能的使能 寄存器空中断使 能以及 U S A R T寄存器字符长度设定等功能 4 U S A R T控制和状态寄存器 c u c s R c U C S R C寄存 器主要实现的是通行模式的选择 寄存器的选择以及时钟模式 的选择等功能 4 J 下面是串 口通信主程序 下转 第 5 6页 广 广 鱼 旦 旦 三 测试表明 系统具有特征 1 能够产生三角波 正弦波 方 波3种周期性信号 2 波形输出频率范围 1 H z 一1 MH z 幅值范 围0 5 V 3 具有频率 幅值和相位设置功能 可取范围允许 内的任意值 4 输出信号频率稳定度优于 1 0 5 输出波形 无明显失真 4 结束 语 文中介绍的信号源能产生高分辨率 高稳定度的正弦波 三角波和方波信号 系统将计算机应用程序和 F P G A实时控制 技术相结合 可灵活调节输出信号的波形 频率 幅值和相位等 参数 该信号源可作为测试设备系统 自检时的模拟信号输入 目前已成功应用于一些测试设备 参考文献 1 祝敏 高志辉 D D S 信号的杂散及抑制分析 电子工程师 2 0 0 8 3 4 9 1 7 1 9 2 孙群 宋卿 基于 D D S技术的便携式波形信号发生器 仪表技术 与传感器 2 0 0 9 4 6 7 7 0 3 刘国良 廖力清 施进平 A D 9 8 3 3 型高精度可编程波发生器及其 应用 国外电子器件 2 0 0 6 6 4 4 4 7 4 王庆琪 梁吴 韦敏习 一种随机的快脉冲信号发生器的设计 核 电子学与探测技术 2 0 0 4 2 4 5 5 3 7 作者简介 张美仙 1 9 8 6 一 硕士研究生 研究方 向 测试计 量技术及仪 器 E m a i l z n 8 6 1 1 2 3 1 6 3 e o m 上接第 5 3页 d e fin e m c l k 8 0 0 0 0 0 0 晶振频率 p r a g ma in t e r r u p t h a n d l e r u a r t一1x 1 2 接受 中断标示 v o id u a n i n i t u i n t b a u d UC S RB 0 x 0 0 U C S R A 0 x O 0 控制寄存器清零 U C S R C 1 UR S E L J O U P M 0 l 3 8 设置波特率 U C S R B 1 T X E N l 1 R XE N l 1 R X C I E 接收 发送使能 接收中断使能 S R E G B I T 7 全局中断开放 D D R Dl 0 X 0 2 配置 T X为输出 l 发送数据与接受数据部分程序的编写易于实现 在此不作 详述 显示电路部分 不仅采用了数码管交替显示输出电压 电流 温度等数据 另外还利用 V C 6 0软件 开发了上位机 软件 可以通过串口接受数据来实时显示各项测量值 并绘制 成曲线 便于观察和研究之用 5 调试及运行 为获取电路在输人为不同电压值情况下的输出功率 效率 等数据 该电源的输入没有直接接在 2 2 0 V 5 0 H z 的市电上 而 是通过 自耦变压器来进行逐步升压 电源输入输出性能参数 如表 1 所示 表中所示 输入电压 是整流滤波后的电压值 表 1 电源输入输出性能参数表 为了测试电源性能 利用该电源组成的系统对氧化锌压敏 电阻进行了烧结 烧结后测量了静态参数 包括漏电流 压敏 电压 非线性系数 a 包封后测量了限制电压 5 k A 2 0 k A 8 2 0 1x s 4 0 k A通流能力 如表2所示 表中T 1 1 3为传统烧结至