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1、感應(yīng)加熱DIY教程總體架構(gòu):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(guò)流保護(hù)。在開(kāi)始制作之前,有必要明確一些基礎(chǔ)性原理及概念,這樣才不至于一頭霧水。一加熱機(jī)制(掃盲用,高手跳過(guò))1.1渦流,只要是金屬物體處于交變磁場(chǎng)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(wú)窮大的導(dǎo)體中均存在。1.2感應(yīng)環(huán)流,工件相當(dāng)于一個(gè)短路的1匝線圈,與感應(yīng)線圈構(gòu)成一個(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

2、定磁通密度情況下,工件與磁場(chǎng)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(wú)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(chǎng)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一樣。其中鐵磁物質(zhì)三中機(jī)制都占,加熱效果最好。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(guò)居里點(diǎn)后,磁感應(yīng)現(xiàn)象減弱,線圈等效阻抗大幅

3、下降,致使諧振回路電流增大。越過(guò)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先回答第一個(gè)問(wèn)題。我曾經(jīng)以為只要往感應(yīng)線圈中通入足夠強(qiáng)的電流,就成一臺(tái)感應(yīng)加熱設(shè)備了。也對(duì)此做了一個(gè)實(shí)驗(yàn),見(jiàn)下圖。實(shí)驗(yàn)中確實(shí)有加熱效果,但是遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)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(lái)分析一下,顯然,對(duì)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(duì)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(shuō)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

4、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(kāi)一個(gè)角度的,這時(shí)的重疊面積很小,即便其中通過(guò)了巨大的電流,也是做無(wú)用功。這是如果單純的計(jì)算P=UI,得到的只是無(wú)功功率。而對(duì)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,一個(gè)超前,一個(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(lái)看,相當(dāng)于向一個(gè)純阻性負(fù)載供電,電流波形與電壓波形完全重合,輸出最大的有功功率。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(wèn)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(shuō)得直白一點(diǎn),并聯(lián)諧振回路,諧振

5、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(lái)看:對(duì)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,?duì)于串聯(lián)諧振電路,在諧振點(diǎn)時(shí)整個(gè)回路阻抗最小,諧振電流也達(dá)到最大值,輸出最大功率。串聯(lián)諧振時(shí),空載的回路Q值最高,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(duì)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)回路電流最小,發(fā)熱功率也很小。

6、值得一提的是,從實(shí)驗(yàn)效果來(lái)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(guò)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,見(jiàn)下圖。我們?cè)賮?lái)對(duì)構(gòu)成系統(tǒng)的原理圖進(jìn)行一些分析,如下:槽路部分:從上圖可以看出,C1、C2、C3、L1以及T1的次級(jí)(左側(cè))共同構(gòu)成了一個(gè)串聯(lián)諧振回路,因?yàn)樽儔浩鞔渭?jí)存在漏感,回路的走線也存在分布電感,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

7、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,如圖參數(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(guò)隔直電容C4及單刀雙擲開(kāi)關(guān)S1后進(jìn)入T1的初級(jí),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(wú)感無(wú)極性電容,這里選用CDE無(wú)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(kāi)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(kāi)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

8、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(guò)低,將造成逆變橋瞬間燒毀。T2是T1初級(jí)工作電流的取樣互感器,因?yàn)樵驯葹?:100,且負(fù)載電阻為100,所以當(dāng)電阻上電壓為1V時(shí)對(duì)應(yīng)T1初級(jí)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(wú)磁罐也可用磁環(huán)代替。在調(diào)試電路時(shí),可通過(guò)示波器檢測(cè)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(guò)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

9、級(jí)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。(后文詳述)L1,T1 線圈均采用紫銅管制作,數(shù)據(jù)見(jiàn)上圖,工作中,線圈發(fā)熱嚴(yán)重,必須加入水冷措施以保證長(zhǎng)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)需先用木板做一個(gè)比磁芯舌截面稍微大點(diǎn)的模子,在上面繞制好后脫模。如下圖:PLL鎖相環(huán)部分:上圖為PLL部分,是整個(gè)電路的核心。關(guān)于CD4046芯片的結(jié)構(gòu)及工作原理等,我不在這里詳述,請(qǐng)自行查閱書籍或網(wǎng)絡(luò)。以U1五端單片開(kāi)關(guān)電源芯片LM2576-adj為核心的斬波穩(wěn)壓開(kāi)關(guān)電路為

10、整個(gè)PLL板提供穩(wěn)定的,功率強(qiáng)勁的電源。圖中參數(shù)可以提供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,一方面送到U2為核心的死區(qū)時(shí)間發(fā)生器,用以驅(qū)動(dòng)后級(jí)電路。另一方面回饋到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(lái)的電壓信號(hào)從J4接口輸入PLL板,經(jīng)過(guò)R14,D2,D3構(gòu)成的鉗位電路

11、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(kāi)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?,F(xiàn)在說(shuō)說(shuō)工作流程,我們選用的是CD4046內(nèi)的鑒相器1(XOR異或門)。對(duì)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)(即一個(gè)高電平,一個(gè)為低電平),輸出端信號(hào)U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),U輸出為低電平。當(dāng)Ui、Uo的相位差在0°-180°范圍內(nèi)變化時(shí),U的脈沖寬度

12、m亦隨之改變,即占空比亦在改變。從比較器的輸入和輸出信號(hào)的波形(如圖4所示)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不一定是對(duì)稱波形。對(duì)相位比較器,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最大。如下圖。由上圖可看出,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(guò)U4為核心的有源低通濾波器后得到一個(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

13、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,得到一個(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(duì)稱性。下圖清晰地展示了死區(qū)的效果。關(guān)于圖騰輸出,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,我們必須將其輸出功率放大到一定程度才能有效地推動(dòng)后續(xù)的GDT(門極驅(qū)動(dòng)變壓器)部分,Q1-Q8構(gòu)成了雙極性射極跟隨器,俗稱圖騰柱,將較

14、高的輸入阻抗變換為極低的輸出阻抗,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(wèn)設(shè)計(jì)兩級(jí)圖騰是否多余,我開(kāi)始也這么認(rèn)為,試驗(yàn)時(shí)單用一級(jí) TIP41,TIP42為圖騰輸出,測(cè)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(guò)低引起,增加前級(jí)8050/8550推動(dòng)后,平頂斜降消失。GDT門極驅(qū)動(dòng)電路:上圖為MOSFET的門極驅(qū)動(dòng)電路,采用GDT驅(qū)動(dòng)的好處就是即便驅(qū)動(dòng)級(jí)出問(wèn)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(kāi)關(guān)迅速,沒(méi)有IGBT的拖尾,很難炸管。而且MOS的米勒效應(yīng)小很多。電

15、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板圖騰柱輸出的兩路倒相驅(qū)動(dòng)信號(hào),從GDT板的J1,J4接口輸入,經(jīng)過(guò)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級(jí)的振蕩Q值,起到減少過(guò)沖和振鈴的作用。從脈沖變壓器輸出的±15V的浮地脈沖,通過(guò)R1-R4限流緩沖(延長(zhǎng)對(duì)Cgs的充電時(shí)間,減緩開(kāi)通斜率)后,齊納二極管ZD1-ZD8對(duì)脈沖進(jìn)行雙向鉗位,最后經(jīng)由J2,J3,J5,J6端子輸出到四個(gè)MOS管的GS極。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(kāi)通,造成共態(tài)導(dǎo)通。注意,J2,J3用

16、以驅(qū)動(dòng)一個(gè)對(duì)角的MOS管,J5,J6用于驅(qū)動(dòng)另一個(gè)對(duì)角的mos管。為了有效利用之前PLL板圖騰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(duì)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(kāi)氣隙,初級(jí)次級(jí)均用0.33mm漆包線繞制30T,為提高繞組間耐壓起見(jiàn),并未采用雙線并繞。而是先繞初級(jí),用耐高溫膠帶3 層絕緣后再繞次級(jí),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(wú)極性電容。其余按電路參數(shù)。 電源部分:上圖為母線電源部分,市電電壓經(jīng)過(guò)自耦調(diào)壓器后從J2輸入,經(jīng)過(guò)B1全波整流后送入C1-C4進(jìn)行濾波。為了在MOS橋開(kāi)關(guān)期間,保持母線電壓恒

17、定(恒壓源),故沒(méi)有加入濾波電感。C1,C2為電容,主要作用為全橋鉗位過(guò)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:上圖為 MOSFET 橋電路,結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,不再贅述。強(qiáng)調(diào)一下,各個(gè) MOS 管的 GS 極到 GDT 板之間的引線,盡可能一樣長(zhǎng),但應(yīng)小于 。必須采用雙絞線。MOS管的選取應(yīng)遵循以下要求:開(kāi)關(guān)時(shí)間小于100nS、耐壓高于500V、內(nèi)部自帶阻尼二極管、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級(jí)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(méi)有強(qiáng)有力的冷卻措施,將在短時(shí)間內(nèi)過(guò)熱燒毀。該系統(tǒng)宜采用水冷措施,利

18、用銅管本身作為水流通路。泵采用隔膜泵,一是能自吸,二是壓力高。電路采用的是國(guó)產(chǎn)普蘭迪隔膜泵,輸出壓力達(dá)到0.6MPa3mm內(nèi)徑的銅管中實(shí)現(xiàn)大流量水冷。五組裝部分,輸出端口的1腳接G,2腳接S,雙絞線長(zhǎng)度小于10cm。六調(diào)試該電路的調(diào)試比較簡(jiǎn)單,主要分以下幾個(gè)步驟進(jìn)行。1. PLL板整體功能檢測(cè)。電路組裝好后,先斷開(kāi)高壓電源,將PLL板跳線的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(cè)四個(gè)MOS管的GS電壓,看是否滿足相位和幅度要求。對(duì)角的波形同相,同一臂的波形反相。幅度為±15V。如果此步驟無(wú)問(wèn)題,進(jìn)行下一步。如果波形相位異常,檢測(cè)雙絞線連接是否有誤。2. 死區(qū)時(shí)間對(duì)稱性調(diào)整。用示波器監(jiān)測(cè)同一臂的兩個(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一致即可。死區(qū)時(shí)間差異過(guò)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,隔直電容能減輕這一情況。 3. VCO 中心頻率調(diào)整。PLL環(huán)路中,的中心頻率在諧振頻率附近時(shí),能獲得最大的跟蹤捕捉范圍,因此有必要進(jìn)行一個(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 0.5VCC4

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