自制電磁感應(yīng)加熱器

串聯(lián)諧振2.5KW 鎖相環(huán)追頻ZVS，MOSFET全橋逆變；磁芯變壓器兩檔阻抗變換，水冷散熱，市電自耦調(diào)壓調(diào)功，母線過流保護(hù)。在開始制作之前，有必要明確些基礎(chǔ)性原理及概念，這樣才不至于頭霧水。

、加熱機(jī)制：

1.1渦流，只要是金屬物體處于交變磁場中，都會(huì)產(chǎn)生渦流，強(qiáng)大的高密度渦流能迅速使工件升溫。這個(gè)機(jī)制在所有電阻率不為無窮大的導(dǎo)體中均存在。

1.2感應(yīng)環(huán)流，工件相當(dāng)于個(gè)短路的1匝線圈，與感應(yīng)線圈構(gòu)成個(gè)空心變壓器，由于電流比等于匝比的反比，工件上的電流是感應(yīng)線圈中電流的N（匝數(shù)）倍，強(qiáng)大的感應(yīng)短路電流使工件迅速升溫。這個(gè)機(jī)制在任何導(dǎo)體中均存在，恒定磁通密度情況下，工件與磁場矢量正交的面積越大，工件上感生的電流越大，效率越高。由此可看出，大磁通切割面積的工件比小面積的工件更容易獲得高溫。

1.3磁疇摩擦（在鐵磁體內(nèi)存在著無數(shù)個(gè)線度約為10-4m的原本已經(jīng)磁化了的小區(qū)域，這些小區(qū)域叫磁疇），鐵磁性物質(zhì)的磁疇，在交變磁場的磁化與逆磁環(huán)作用下，劇烈摩擦，產(chǎn)生高溫。這個(gè)機(jī)制在鐵磁性物質(zhì)中占主導(dǎo)。

由此可看出，不同材料的工件，因?yàn)榧訜岬臋C(jī)制不同，造成的加熱效果也不樣。其中鐵磁物質(zhì)三中機(jī)制都占，加熱效果好。鐵磁質(zhì)加熱到居里點(diǎn)以上時(shí)，轉(zhuǎn)為順磁性，磁疇機(jī)制減退甚至消失。這時(shí)只能靠剩余兩個(gè)機(jī)制繼續(xù)加熱。

當(dāng)工件越過居里點(diǎn)后，磁感應(yīng)現(xiàn) 象減弱，線圈等效阻抗大幅下降，致使諧振回路電流增大。越過居里點(diǎn)后，線圈電感量也跟著下降。LC回路的固有諧振頻率會(huì)發(fā)生變化。致使固定激勵(lì)方式的加熱器失諧而造成設(shè)備損壞或效率大減。

二、為什么要采用諧振？應(yīng)采用何種諧振？

2.1先回答個(gè)問題。我曾經(jīng)以為只要往感應(yīng)加熱線圈中通入足夠強(qiáng)的電流，就成臺(tái)感應(yīng)加熱設(shè)備了。也對此做了個(gè)實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)中確實(shí)有加熱效果，但是遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到電源的輸出功率應(yīng)有的效果。這是為什么呢，我們來分析下，顯然，對于固定的工件，加熱效果與逆變器實(shí)際輸出功率成正比。對于感應(yīng)線圈，基本呈現(xiàn)純感性，也就是其間的電流變化永遠(yuǎn)落后于兩端電壓的變化，也就是說電壓達(dá)到峰值的時(shí)候，電流還未達(dá)到峰值，功率因數(shù)很低。我們知道，功率等于電壓波形與電流波形的重疊面積，而在電感中，電流與電壓波形是錯(cuò)開個(gè)角度的，這時(shí)的重疊面積很小，即便其中通過了巨大的電流，也是做無用功。這是如果單純的計(jì)算P=UI，得到的只是無功功率。而對于電容，正好相反，其間的電流永遠(yuǎn)超前于電壓變化。如果將電容與電感構(gòu)成串聯(lián)或并聯(lián)諧振，個(gè)超前，個(gè)滯后，諧振時(shí)正好抵消掉。因此電容在這里也叫功率補(bǔ)償電容。這時(shí)從激勵(lì)源來看，相當(dāng)于向個(gè)純阻性負(fù)載供電-好文章-，電流波形與電壓波形完全重合，輸出大的有功功率。這就是為什么要采取串（并）補(bǔ)償電容構(gòu)成諧振的主要原因。

2.2第二個(gè)問題，LC諧振有串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振，該采用什么結(jié)構(gòu)呢。

說得直白點(diǎn)，并聯(lián)諧振回路，諧振電壓等于激勵(lì)源電壓，而槽路（TANK）中的電流等于激勵(lì)電流的Q倍。串聯(lián)諧振回路的槽路電流等于激勵(lì)源電流，而L,C兩端的電壓等于激勵(lì)源電壓的Q倍，各有千秋。

從電路結(jié)構(gòu)來看：

對于恒壓源激勵(lì)（半橋，全橋），應(yīng)該采用串聯(lián)諧振回路，因?yàn)楣╇婋妷汉愣?，電流越大，輸出功率也就越大，對于串?lián)諧振電路，在諧振點(diǎn)時(shí)整個(gè)回路阻抗小，諧振電流也達(dá)到大值，輸出大功率。串聯(lián)諧振時(shí)，空載的回路Q值高，L,C兩端電壓較高，槽路電流白白浪費(fèi)在回路電阻上，發(fā)熱巨大。

對于恒流源激勵(lì)（如單管電路），應(yīng)采用并聯(lián)諧振，自由諧振時(shí)LC端電壓很高，因此能獲得很大功率。并聯(lián)諧振有個(gè)很重要的優(yōu)點(diǎn)，就是空載時(shí)回路電流小，發(fā)熱功率也很小。值得提的是，從實(shí)驗(yàn)效果來看，同樣的諧振電容和加熱線圈，同樣的驅(qū)動(dòng)功率，并聯(lián)諧振適合加熱體積較大的工件，串聯(lián)諧振適合加熱體積小的工件。

三、 制作過程

明白了以上原理后，可以著手打造我們的感應(yīng)加熱設(shè)備了。我們制作的這個(gè)設(shè)備主要由調(diào)壓整流電源、鎖相環(huán)、死區(qū)時(shí)間發(fā)生器、GDT電路、MOS橋、阻抗變換變壓器、LC槽路以及散熱系統(tǒng)幾大部分組成。

我們再來對構(gòu)成系統(tǒng)的原理圖進(jìn)行些分析，如下：

槽路部分：

C1、C2、C3、L1以及T1的次（左側(cè)）共同構(gòu)成了個(gè)串聯(lián)諧振回路，因?yàn)樽儔浩鞔未嬖诼└校芈返淖呔€也存在分布電感，所以實(shí)際諧振頻率要比單純用C1-C3容量與L1電感量計(jì)算的諧振頻率略低。圖中L1實(shí)際上為1uH，我將漏感分布電感等加在里面所以為1.3uH，參數(shù)諧振頻率為56.5KHz。

從逆變橋輸出的高頻方波激勵(lì)信號(hào)從J2-1輸入，通過隔直電容C4及單刀雙擲開關(guān)S1后進(jìn)入T1的初，然后流經(jīng)1:100電流

互感器后從J2-2回流進(jìn)逆變橋。在這里，C4單純作為隔直電容，不參與諧振 ，因此應(yīng)選擇容量足夠大的無感無性電容，這里選用CDE無感吸收電容1.7uF 400V五只并聯(lián)以降低發(fā)熱。

S1的作用為阻抗變換比切換，當(dāng)開關(guān)打到上面觸點(diǎn)時(shí)，變壓器的匝比為 35:0.75，折合阻抗變比為2178:1；當(dāng)開關(guān)打到下面觸點(diǎn)時(shí)，變壓器匝比為24:0.75，折合阻抗變比為1024:1。為何要設(shè)置這個(gè)阻抗變比切換，主要基于以下原因。（1）鐵磁性工件的尺寸決定了整個(gè)串聯(lián)諧振回路的等效電阻，尺寸越大，等效電阻越大。（2）回路空載和帶載時(shí)等效電阻差別巨大，如果空載時(shí)變比過低，將造成逆變橋瞬間燒毀。

T2是T1初工作電流的取樣互感器，因?yàn)樵驯葹?:100，且負(fù)載電阻為100Ω，所以當(dāng)電阻上電壓為1V時(shí)對應(yīng)T1初電流為1A。該互感器應(yīng)有足夠小的漏感且易于制作，宜采用鐵氧體磁罐制作，如無磁罐也可用磁環(huán)代替。在調(diào)試電路時(shí)，可通過示波器檢測J3兩端電壓的波形形狀和幅度而了解電路的工作狀態(tài)，頻率，電流等參數(shù)，亦可作為過流保護(hù)的取樣點(diǎn)。

J1端子輸出諧振電容兩端的電壓信號(hào)，當(dāng)電路諧振時(shí)，電容電壓與T1次電壓存在90°相位差，將這個(gè)信號(hào)送入后續(xù)的PLL鎖相環(huán)，就可以自動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)激勵(lì)頻率始終等于諧振頻率。且相位恒定。

L1，T1 線圈均采用紫銅管制作，工作中，線圈發(fā)熱嚴(yán)重，加入水冷措施以保證長時(shí)間安全工作。為保證良好的傳輸特性以及防止磁飽和，T1采用兩個(gè) EE85磁芯疊合使用，在繞制線圈時(shí)需先用木板做個(gè)比磁芯舌截面稍微大點(diǎn)的模子，在上面繞制好后脫模。

PLL鎖相環(huán)部分：

PLL是整個(gè)電路的核心，請自行查閱書籍或網(wǎng)絡(luò)。 以U1五端單片開關(guān)電源芯片LM2576-adj為核心的斬波穩(wěn)壓開關(guān)電路為整個(gè)PLL板提供穩(wěn)定的，功率強(qiáng)勁的電源。提供15V2A的穩(wěn)定電壓。因?yàn)椴捎?5V的VDD電源，芯片只能采用CD40xx系列的CMOS器件，74系列的不能在此電壓下工作。

CD4046 鎖相環(huán)芯片的內(nèi)部VCO振蕩信號(hào)從4腳輸出，方面送到U2為核心的死區(qū)時(shí)間發(fā)生器，用以驅(qū)動(dòng)后電路。另方面回饋到CD4046的鑒相器輸入B端口3 腳。片內(nèi)VCO的頻率范圍由R16、R16、W1、C13的值共同決定，如圖參數(shù)時(shí)，隨著VCO控制電壓0-15V變化，振蕩頻率在20KHz- 80KHz之間變化。

從諧振槽路Vcap接口J1送進(jìn)來的電壓信號(hào)從J4接口輸入PLL板，經(jīng)過R14，D2，D3構(gòu)成的鉗位電路后，送入 CD4046的鑒相器輸入A端口14腳。這里要注意的是，Vcap電壓的相位要倒相輸入，才能形成負(fù)反饋。D2，D3宜采用低結(jié)電容的檢波管或開關(guān)管如 1N4148、1N60之類。

C7、C12為CD4046的電源退耦，旁路掉電源中的高頻分量，使其穩(wěn)定工作。

現(xiàn)在說說工作流程，我們選用的是CD4046內(nèi)的鑒相器1（XOR異或門）。對于鑒相器1,當(dāng)兩個(gè)輸人端信號(hào)Ui、Uo的電平狀態(tài)相異時(shí)（即個(gè)高電平，個(gè)為低電平），輸出端信號(hào)UΨ為高電平；反之，Ui、Uo電平狀態(tài)相同時(shí)（即兩個(gè)均為高，或均為低電平），UΨ輸出為低電平。當(dāng)Ui、Uo的相位差Δφ在0°-180°范圍內(nèi)變化時(shí)，UΨ的脈沖寬度m亦隨之改變，即占空比亦在改變。從比較器Ⅰ的輸入和輸出信號(hào)的波形可知，其輸出信號(hào)的頻率等于輸入信號(hào)頻率的兩倍，并且與兩個(gè)輸入信號(hào)之間的中心頻率保持90°相移。從圖中還可知，fout不定是對稱波形。對相位比較器Ⅰ，它要求Ui、Uo的占空比均為50％（即方波），這樣才能使鎖定范圍為大。

當(dāng)14腳與3腳之間的相位差發(fā)生變化時(shí)，2腳輸出的脈寬也跟著變化，2腳的PWM信號(hào)經(jīng)過U4為核心的有源低通濾波器后得到個(gè)較為平滑的直流電平，將這個(gè)直流電平作為VCO的控制電壓，就能形成負(fù)反饋，將VCO的輸出信號(hào)與14腳的輸入信號(hào)鎖定為相同頻率，固定相位差。

關(guān)于死區(qū)發(fā)生器，本電路中，以U2 CD4001四2輸入端與非門和外圍R8，R8，C10，C11共同組成，利用了RC充放電的延遲時(shí)間，將實(shí)時(shí)信號(hào)與延遲后的信號(hào)做與運(yùn)算，得到個(gè)合適的死區(qū)。死區(qū)時(shí)間大小由R8，R8，C10，C11共同決定。如圖參數(shù)，為1.6uS左右。在實(shí)際設(shè)計(jì)安裝的時(shí)候，C10或C11應(yīng)使用68pF的瓷片電容與5-45pF的可調(diào)電容并聯(lián)，以方便調(diào)整兩組驅(qū)動(dòng)波形的死區(qū)對稱性。

關(guān)于輸出，從死區(qū)時(shí)間發(fā)生器輸出的電平信號(hào)，僅有微弱的驅(qū)動(dòng)能力，我們將其輸出功率放大到定程度才能有效地推動(dòng)后續(xù)的GDT（門驅(qū)動(dòng)變壓器）部分，Q1-Q8構(gòu)成了雙性射跟隨器，俗稱圖騰柱，將較高的輸入阻抗變換為低的輸出阻抗，適合驅(qū)動(dòng)功率負(fù)載。 R10.R11為上拉電阻，增強(qiáng)CD4001輸出的“1”電平的強(qiáng)度。有人會(huì)問設(shè)計(jì)兩圖騰是否多余，我開始也這么認(rèn)為，試驗(yàn)時(shí)單用 TIP41，TIP42為圖騰輸出，測試后發(fā)現(xiàn)高電平平頂斜降帶載后比較嚴(yán)重，分析為此型號(hào)晶體管的hFE過低引起，增加前8050/8550推動(dòng)后，平頂斜降消失。

GDT門驅(qū)動(dòng)電路：

MOSFET的門驅(qū)動(dòng)電路，采用GDT驅(qū)動(dòng)的好處就是即便驅(qū)動(dòng)出問題，也不可能出現(xiàn)共態(tài)導(dǎo)通激勵(lì)電平。

留適當(dāng)?shù)乃绤^(qū)時(shí)間，這個(gè)電路死區(qū)大到1.6uS。而且MOSFET開關(guān)迅速，沒有IGBT的拖尾，很難炸管。而且MOS的米勒效應(yīng)小很多。

電路處于ZVS狀態(tài)，管子2KW下工作基本不發(fā)熱，熱擊穿不復(fù)存在。

從PLL板輸出的兩路倒相驅(qū)動(dòng)信號(hào)，從GDT板的J1，J4接口輸入，經(jīng)過C1-C4隔直后送入脈沖隔離變壓器T1-T4。R5，R6的存在，降低了隔直電容與變壓器初的振蕩Q值，起到減少過沖和振鈴的作用。從脈沖變壓器輸出的±15V的浮地脈沖，通過R1-R4限流緩沖（延長對Cgs的充電時(shí)間，減緩開通斜率）后，齊納二管ZD1-ZD8對脈沖進(jìn)行雙向鉗位，后經(jīng)由J2，J3，J5，J6端子輸出到四個(gè)MOS管的GS。這里因?yàn)殛P(guān)斷期間為 -15V電壓，即便有少量的電平抖動(dòng)也不會(huì)使MOS管異常開通，造成共態(tài)導(dǎo)通。注意，J2，J3用以驅(qū)動(dòng)個(gè)對角的MOS管，J5，J6用于驅(qū)動(dòng)另個(gè)對角的mos管。 為了有效利用之前PLL板輸出的功率以及減小驅(qū)動(dòng)板高度，這里采用4只脈沖變壓器分別對4支管子進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。脈沖變壓器T1- T4均采用EE19磁芯，不開氣隙，初次均用0.33mm漆包線繞制30T，為提高繞組間耐壓起見，并未 采用雙線并繞。而是先繞初，用耐高溫膠帶3 層緣后再繞次，采用密繞方式，注意圖中+，-號(hào)表示的同名端。C1-C4均采用CBB無性電容。其余按電路參數(shù)。

電源部分：

市電電壓經(jīng)過自耦調(diào)壓器后從J2輸入，經(jīng)過B1全波整流后送入C1-C4進(jìn)行濾波。為了在MOS橋開關(guān)期間，保持母線電壓恒定（恒壓源），故沒有加入濾波電感。C1，C2為ＭＫＰ電容，主要作用為全橋鉗位過程期間的逆向突波吸收。整流濾波后的脈動(dòng)直流從 J1輸出。

全橋部分：

MOSFET橋電路結(jié)構(gòu)比較簡單，不再贅述。強(qiáng)調(diào)下，各個(gè)MOS管的GS到GDT板之間的引線，盡可能樣長，但應(yīng)小于250px。采用雙絞線。MOS管的選取應(yīng)遵循以下要求：開關(guān)時(shí)間小于100nS、耐壓高于500V、內(nèi)部自帶阻尼二管、電流大于 20A、耗散功率大于150W。

四、散熱系統(tǒng)

槽路部分的阻抗變換變壓器次以及感應(yīng)線圈部分，在滿功率輸出時(shí)，流經(jīng)的電流達(dá)到500A之巨，如果沒有強(qiáng)有力的冷卻措施，將在短時(shí)間內(nèi)過熱燒毀。

該系統(tǒng)宜采用水冷措施，利用銅管本身作為水流通路。泵采用隔膜泵，是能自吸，二是壓力高。電路采用的是國產(chǎn)普蘭迪隔膜泵，輸出壓力達(dá)到0.6MPa，輕松在3mm內(nèi)徑的銅管中實(shí)現(xiàn)大流量水冷。

五、組裝

組裝注意GDT部分，輸出端口的1腳接G，2腳接S，雙絞線長度小于250px。

六、調(diào)試

該電路的調(diào)試比較簡單，主要分以下幾個(gè)步驟進(jìn)行。

1. PLL板整體功能檢測。電路組裝好后，先斷開高壓電源，將PLL板JP1跳線的2,3腳短路，使VCO輸出固定頻率的方波。然后用示波器分別檢測四個(gè)MOS管的GS電壓，看是否滿足相位和幅度要求。對角的波形同相，同臂的波形反相。幅度為±15V。如果此步驟無問題，進(jìn)行下步。如果波形相位異常，檢測雙絞線連接是否有誤。

2.死區(qū)時(shí)間對稱性調(diào)整。用示波器監(jiān)測同臂的兩個(gè)MOS的GS電壓，調(diào)節(jié)PLL板C10或C11并聯(lián)的可調(diào)電容，使兩個(gè)MOS的GS電壓的高電平寬度基本致即可。死區(qū)時(shí)間差異過大的話，容易造成在振蕩的前幾個(gè)周期內(nèi)，就造成磁芯的累計(jì)偏磁而發(fā)生飽和炸管，隔直電容能減輕這情況。

3. VCO 中心頻率調(diào)整。PLL環(huán)路中，VCO的中心頻率在諧振頻率附近時(shí)，能獲得大的跟蹤捕捉范圍，因此有必要進(jìn)行個(gè)調(diào)整。槽路部分S1切換到上方觸點(diǎn)，PLL板JP1跳線的2,3腳短路，使VCO控制電壓處于0.5VCC，W2置于中點(diǎn)。通過自耦調(diào)壓器將高壓輸入調(diào)節(jié)在30VAC。用萬用表交流電流檔監(jiān)測高壓輸入電流，同時(shí)用示波器監(jiān)測槽路部分J3接口電壓，緩慢調(diào)節(jié)PLL板的W1，使J3電壓為標(biāo)準(zhǔn)正弦波。此時(shí)，電流表的示數(shù)也為大值。這時(shí)諧振頻率與VCO中心頻率基本相等。電流波形標(biāo)準(zhǔn)正弦波，與驅(qū)動(dòng)波形滯后200nS左右。