自制感应加热教程

1、感应加热DIY教程总体架构：串联谐振2.5KW 锁相环追频ZVS, MOSFET全桥逆变；磁芯变压器两档阻抗变换，水冷散热，市电自耦调压调功，母线过流保护。在开始制作之前，有必要明确一些基础性原理及概念，这样才不至于一头雾水。1 .加热机制（扫盲用，高手跳过）1.1 涡流，只要是金属物体处于交变磁场中，都会产生涡流，强大的高密度涡流能迅速使工件升温。这个机制在所有电阻率不为无穷大的导体中均存在。1.2 感应环流，工件相当于一个短路的 1匝线圈，与感应线圈构成一个空心变压器，由于电流比等于匝比的反比，工件上的电流 是感应线圈中电流的 N （匝数）倍，强大的感应短路电流使工件迅速升温。这个机制在任

2、何导体中均存在，恒定磁通密度情况 下，工件与磁场矢量正交的面积越大，工件上感生的电流越大，效率越高。由此可看出，大磁通切割面积的工件比小面积的工 件更容易获得高温。1.3 磁畴摩擦（在铁磁体内存在着无数个线度约为 10-4m的原本已经磁化了的小区域， 这些小区域叫磁畴），铁磁性物质的磁畴, 在交变磁场的磁化与逆磁环作用下，剧烈摩擦，产生高温。这个机制在铁磁性物质中占主导。由此可看出，不同材料的工件，因为加热的机制不同，造成的加热效果也不一样。其中铁磁物质三中机制都占，加热效果最好。铁磁质加热到居里点以上时，转为顺磁性，磁畴机制减退甚至消失。这时只能靠剩余两个机制继续加热。当工件越过居里点后，磁

3、感应现象减弱，线圈等效阻抗大幅下降，致使谐振回路电流增大。越过居里点后，线圈电感量也跟着下降。LC回路的固有谐振频率会发生变化。致使固定激励方式的加热器失谐而造成设备损坏或效率大减。2 .为什么要采用谐振？应采用何种谐振？2.1 先回答第一个问题。我曾经以为只要往感应线圈中通入足够强的电流，就成一台感应加热设备了。也对此做了一个实验，见下图。实验中确实有加热效果，但是远远没有达到电源的输出功率应有的效果。这是为什么呢，我们来分析一下，显然，对于固定的 工件，加热效果与逆变器实际输出功率成正比。对于感应线圈，基本呈现纯感性，也就是其间的电流变化永远落后于两端电压 的变化，也就是说电压达到峰值的时

4、候，电流还未达到峰值，功率因数很低。我们知道，功率等于电压波形与电流波形的重叠 面积，而在电感中，电流与电压波形是错开一个角度的，这时的重叠面积很小，即便其中通过了巨大的电流，也是做无用功。 这是如果单纯的计算 P=UI ,得到的只是无功功率。而对于电容，正好相反，其间的电流永远超前于电压变化。如果将电容与电感构成串联或并联谐振，一个超前，一个滞后，谐 振时正好抵消掉。因此电容在这里也叫功率补偿电容。这时从激励源来看，相当于向一个纯阻性负载供电，电流波形与电压波 形完全重合，输出最大的有功功率。这就是为什么要采取串（并）补偿电容构成谐振的主要原因。2.2 第二个问题，LC谐振有串联谐振和并联谐

5、振，该采用什么结构呢。说得直白一点，并联谐振回路，谐振电压等于激励源电压，而槽路（ TANK）中的电流等于激励电流的 Q倍。串联谐振回路的 槽路电流等于激励源电流，而 L,C两端的电压等于激励源电压的 Q倍，各有千秋。从电路结构来看：对于恒压源激励（半桥，全桥），应该采用串联谐振回路，因为供电电压恒定，电流越大，输出功率也就越大，对于串联谐振电路，在谐振点时整个回路阻抗最小，谐振电流也达到最大值，输出最大功率。串联谐振时，空载的回路Q值最高，L,C两端电压较高，槽路电流白白浪费在回路电阻上，发热巨大。对于恒流源激励（如单管电路），应采用并联谐振，自由谐振时 LC端电压很高，因此能获得很大功率。

6、并联谐振有个很重要的 优点，就是空载时回路电流最小，发热功率也很小。值得一提的是，从实验效果来看，同样的谐振电容和加热线圈，同样的驱 动功率，并联谐振适合加热体积较大的工件，串联谐振适合加热体积小的工件。3 .制作过程明白了以上原理后，可以着手打造我们的感应加热设备了。我们制作的这个设备主要由调压整流电源、锁相环、死区时间发生器、GDT电路、MOS桥、阻抗变换变压器、LC槽路以及散热系统几大部分组成，见下图。我们再来对构成系统的原理图进行一些分析，如下:槽路部分：电1LR照的他It*置也外程M的的栏上逑。TIH后拉* f UWttTlfflFi 年抑盅黑阳冉金的*耦詈.用£丹哲fcr

7、rft-i Hite4c,雀It法相里3T20我也餐小番gM六处则un,赳心/7是用IZ与淡立型:K,用既由器LT犹H用必腓*4成晓才JLDOL 底俞¥*£裾 匚143条扁4厢大功率谓怩电总创用高-7怩用工，值无感电，JI修眈瞥 电客船JtKiS场演腐上同所肃,巷实现埒从上图可以看出，C1、C2、C3、L1以及T1的次级（左侧）共同构成了一个串联谐振回路，因为变压器次级存在漏感，回路的走线也存在分布电感，所以实际谐振频率要比单纯用C1-C3容量与L1电感量计算的谐振频率略低。图中L1实际上为1uH ,我将漏感分布电感等加在里面所以为1.3uH ,如图参数谐振频率为 56.5

8、KHZ。从逆变桥输出的高频方波激励信号从J2-1输入，通过隔直电容C4及单刀双掷开关S1后进入T1的初级，然后流经1:100电流 互感器后从J2-2回流进逆变桥。在这里，C4单纯作为隔直电容，不参与谐振，因此应选择容量足够大的无感无极性电容，这 里选用CDE无感吸收电容1.7uF 400V五只并联以降低发热。S1的作用为阻抗变换比切换，当开关打到上面触点时，变压器的匝比为 35:0.75 ,折合阻抗变比为2178:1 ;当开关打到下面触 点时，变压器匝比为 24:0.75 ,折合阻抗变比为1024:1。为何要设置这个阻抗变比切换，主要基于以下原因。（1）铁磁性工件的尺寸决定了整个串联谐振回路的

9、等效电阻，尺寸越大，等效电阻越大。（2）回路空载和带载时等效电阻差别巨大，如果空载时变比过低，将造成逆变桥瞬间烧毁。T2是T1初级工作电流的取样互感器，因为匝比为 1:100 ,且负载电阻为100 Q,所以当电阻上电压为1V时对应T1初级电流 为1A。该互感器应有足够小的漏感且易于制作，宜采用铁氧体磁罐制作，如无磁罐也可用磁环代替。在调试电路时，可通过示 波器未测J3两端电压的波形形状和幅度而了解电路的工作状态，频率，电流等参数，亦可作为过流保护的取样点。J1端子输出谐振电容两端的电压信号，当电路谐振时，电容电压与 T1次级电压存在90。相位差，将这个信号送入后续的 PLL 锁相环，就可以自动

10、调节时激励频率始终等于谐振频率。且相位恒定。（后文详述）L1, T1线圈均采用紫铜管制作，数据见上图，工作中，线圈发热严重，必须加入水冷措施以保证长时间安全工作。为保证良好 的传输特性以及防止磁饱和，T1采用两个EE85磁芯叠合使用，在绕制线圈时需先用木板做一个比磁芯舌截面稍微大点的模子， 在上面绕制好后脱模。如下图：PLL锁相环部分:hlilB IMh 1E时NO:血 huIAIHLII MMItai .IVR .UMhMnMKL MkVJK*Knk«li :MT皿十上图为PLL部分，是整个电路的核心。关于 CD4046芯片的结构及工作原理等，我不在这里详述，请自行查阅书籍或网络。

11、以U1五端单片开关电源芯片LM2576-adj为核心的斩波稳压开关电路为整个PLL板提供稳定的，功率强劲的电源。图中参数可以提供15V2A的稳定电压。因为采用15V的VDD电源，芯片只能采用CD40xx系列的CMOS器件,74系列的不能在此电 压下工作。CD4046锁相环芯片的内部 VCO振荡信号从4脚输出，一方面送到U2为核心的死区时间发生器，用以驱动后级电路。另一方 面回馈到CD4046的鉴相器输入B端口 3脚。片内VCO的频率范围由R16、R16、W1、C13的值共同决定，如图参数时， 随着VCO控制电压0-15V变化，振荡频率在 20KHz- 80KHz 之间变化。从谐振槽路Vcap接

12、口 J1送进来的电压信号从J4接口输入PLL板，经过R14, D2 , D3构成的钳位电路后，送入 CD4046的 鉴相器输入A端口 14脚。这里要注意的是，Vcap电压的相位要倒相输入，才能形成负反馈。D2, D3宜采用低结电容的检波管或开关管如 1N4148、1N60之类。C7、C12为CD4046的电源退耦，旁路掉电源中的高频分量，使其稳定工作。现在说说工作流程，我们选用的是 CD4046内的鉴相器1 （XOR异或门）。对于鉴相器1,当两个输人端信号Ui、Uo的电平状 态相异时（即一个高电平，一个为低电平），输出端信号 UT为高电平；反之，Ui、Uo电平状态相同时（即两个均为高，或均 为

13、低电平），UT输出为低电平。当Ui、Uo的相位差碓0°-180°范围内变化时，UW的脉冲宽度m亦随之改变，即占空比亦 在改变。从比较器I的输入和输出信号的波形（如图 4所示）可知，其输出信号的频率等于输入信号频率的两倍，并且与两个输入信号之间的中心频率保持 90°相移。从图中还可知，fout不一定是对称波形。对相位比较器I,它要求 Ui、Uo的占空比 均为50% （即方波），这样才能使锁定范围为最大。如下图。ttwcaa；ri n n nAuto>:.i4uiiet由上图可看出，当14脚与3脚之间的相位差发生变化时，2脚输出的脉宽也跟着变化，2脚的PWM信号

14、经过U4为核心的有源低通滤波器后得到一个较为平滑的直流电平，将这个直流电平作为VCO的控制电压，就能形成负反馈，将 VCO的输出信号与14脚的输入信号锁定为相同频率，固定相位差。关于死区发生器，本电路中，以 U2 CD4001四2输入端与非门和外围 R8, R8, C10, C11共同组成，利用了 RC充放电的延迟时间，将实时信号与延迟后的信号做与运算，得到一个合适的死区。死区时间大小由R8, R8, C10, C11共同决定。如图参数，为1.6uS左右。在实际设计安装的时候，C10或C11应使用68pF的瓷片电容与5-45pF的可调电容并联，以方便调整两组驱动波形的死区对称性。下图清晰地展示

15、了死区的效果。关于图腾输出，从死区时间发生器输出的电平信号，仅有微弱的驱动能力，我们必须将其输出功率放大到一定程度才能有效地推动后续的GDT （门极驱动变压器）部分，Q1-Q8构成了双极性射极跟随器，俗称图腾柱，将较高的输入阻抗变换为极低的输 出阻抗，适合驱动功率负载。R10.R11为上拉电阻，增强CD4001输出的“1”电平的强度。有人会问设计两级图腾是否多余,我开始也这么认为，试验时单用一级TIP41, TIP42为图腾输出，测试后发现高电平平顶斜降带载后比较严重，分析为此型号晶体管的hFE过低引起，增加前级8050/8550推动后，平顶斜降消失。GDT门极驱动电路：上图为MOSFET的门

16、极驱动电路，采用 GDT驱动的好处就是即便驱动级出问题，也不可能出现共态导通激励电平。留适当的死区时间，这个电路死区大到1.6uS o而且MOSFET开关迅速，没有IGBT的拖尾，很难炸管。而且 MOS的米勒效应小很多。电路处于ZVS状态，管子2KW下工作基本不发热，热击穿不复存在。从PLL板图腾柱输出的两路倒相驱动信号，从 GDT板白J J1, J4接口输入，经过C1-C4隔直后送入脉冲隔离变压器 T1-T4。 R5, R6的存在，降低了隔直电容与变压器初级的振荡Q值，起到减少过冲和振铃的作用。从脉冲变压器输出的±15V的浮地脉冲，通过R1-R4限流缓冲（延长对Cgs的充电时间，减

17、缓开通斜率）后，齐纳二极管 ZD1-ZD8对脉冲进行双向钳位，最后 经由J2, J3, J5, J6端子输出到四个 MOS管的GS极。这里因为关断期间为 -15V电压，即便有少量的电平抖动也不会使 MOS管异常开通，造成共态导通。注意，J2, J3用以驱动一个对角的 MOS管，J5, J6用于驱动另一个对角的 mos管。为了有效利用之前PLL板图腾输出的功率以及减小驱动板高度，这里采用 4只脉冲变压器分别对4支管子进行驱动。脉冲变压 器T1- T4均采用EE19磁芯，不开气隙，初级次级均用0.33mm漆包线绕制30为提高绕组间耐压起见，并未采用双线并绕。而是先绕初级，用耐高温胶带 3层绝缘后再

18、绕次级，采用密绕方式，注意图中+,-号表示的同名端。C1-C4均采用CBB无极性电容。其余按电路参数。电源部分：上图为母线电源部分，市电电压经过自耦调压器后从J2输入，经过B1全波整流后送入C1-C4进行滤波。为了在 MOS桥开关期间，保持母线电压恒定（恒压源），故没有加入滤波电感。C1, C2为MKP电容，主要作用为全桥钳位过程期间的逆向突波吸收。整流滤波后的脉动直流从J1输出。全桥部分：上图为MOSFET桥电路，结构比较简单，不再赘述。强调一下，各个 MOS管的GS极到GDT板之间的引线，尽可能一样长，但应小于10cm o必须采用双绞线。MOS管的选取应遵循以下要求：开关时间小于 100n

19、S、耐压高于500V、内部自带阻尼二极管、电流大于 20A、耗散功率大于150W o四.散热系统槽路部分的阻抗变换变压器次级以及感应线圈部分，在满功率输出时，流经的电流达到500A之巨，如果没有强有力的冷却措施，将在短时间内过热烧毁。该系统宜采用水冷措施，利用铜管本身作为水流通路。泵采用隔膜泵，一是能自吸，二是压力高。电路采用的是国产普兰迪隔膜泵，输出压力达到0.6MPa ,轻松在3mm内径的铜管中实现大流量水冷。五.组装按下图组装，注意 GDT部分，输出端口的1脚接G, 2脚接S,双绞线长度小于10cm一电型v唱a更六.调试该电路的调试比较简单，主要分以下几个步骤进行。1 . PLL板整体功

20、能检测。电路组装好后，先断开高压电源，将 PLL板JP1跳线的2,3脚短路，使VCO输出固定频率的方波。然 后用示波器分别检测四个 MOS管的GS电压，看是否满足相位和幅度要求。对角的波形同相，同一臂的波形反相。幅度为±15V。 如果此步骤无问题，进行下一步。如果波形相位异常，检测双绞线连接是否有误。2 .死区时间对称性调整。用示波器监测同一臂的两个 MOS的GS电压，调节PLL板C10或C11并联的可调电容，使两个MOS 的GS电压的高电平宽度基本一致即可。死区时间差异过大的话，容易造成在振荡的前几个周期内，就造成磁芯的累计偏磁而发生饱和炸管，隔直电容能减轻这一情况。3 . VCO中心频率调整。PLL环路中，VCO的中心频率在谐振频率附近时，能获得最大的跟踪捕捉范围，因此有必要进行一个调整。槽路部分S1切换到上方触点，PLL板JP1跳线的2,3脚短路，使VCO控制电压处于0.5VCC , W2置于中