自制zvs感应加热教程

　　电磁感应加热，或简称感应加热，是加热导体材料比如金属材料的一种方法。它主要用于金属热加工、热处理、焊接和熔化。顾名思义，感应加热是利用电磁感应的方法使被加热的材料的内部产生电流，依靠这些涡流的能量达到加热目的。感应加热系统的基本组成包括感应线圈，交流电源和工件。根据加热对象不同，可以把线圈制作成不同的形状。线圈和电源相连，电源为线圈提供交变电流，流过线圈的交变电流产生一个通过工件的交变磁场，该磁场使工件产生涡流来加热。

　　一、电磁感应加热原理

　　生磁的过程是通过电磁加热装置的转换，将50HZ/60HZ的交流电变换成直流电压，再经过控制电路将直流电压转换频率为20-40KHZ的高频电压输出，快速运动的高压电流在线缆内产生高速变化的磁场磁生热，电缆与铁质容器接触后容器表面具即切割交变磁力线而在容器底部金属部分产生交变的电流（即涡流），涡流使容器底部的铁原子高速无规则运动，原子互相碰撞、摩擦而产生热能。

　　简单说，电磁感应加热的原理就是利用电、磁、热能间的转换达到使被加热物体自身发热的效果。

　　二、电磁感应加热条件

　　1、转换电能的电磁加热装置

　　2、传递电能的电缆

　　3、含铁质的容器巨大的热能能够使得被加热物品自身发热。

　　三、电磁加热技术应用领域

　　应用电磁加热技术原理的产品，电磁加热控制器的应用范围非常广泛：

　　1、塑机械加热、木材、建筑、食品、医疗、化工等节能改造，如塑料注射机，挤出机，吹膜机，拉丝机，塑料薄膜，管材，线材等机器、食品加工、纺织、印染、冶金、轻工、机械、表面热处理及焊接，锅炉，开水炉等行业，可以替代电阻加热，以及燃料明火传统能源。

　　2、纺织印染 原料采用电磁加热可以提高能源利用效率，提高加热速度，提高温度控制精度

　　3、轻工行业 罐头以及其它塑料包装的封口等等。锅炉行业 电磁锅炉利用其加热速度快的特点，可抛弃传统锅炉整体加热的方式，只在锅炉的出水端进行加热，使水流在流动中完成加热，加热速度快，节省空间。

　　4、机械行业 高频电磁加热可以应用于与金属表明热处理，其效果比传统处理方式有显著提高，其他如各种机械零件的淬火，以及淬火后的回火、退火和正火等热处理的加热，压力加工前的透热电磁加热技术的应用，不仅有利于产品品质、生产效率的提升和节能降耗降低成本，也提升了设备制造企业的技术水平，在传统行业中越来越广泛地被接受和使用。

　　四、自制zvs感应加热教程

　　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

　　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 为什么要采用谐振？

　　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 LC谐振有串联谐振和并联谐振，该采用什么结构？

　　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。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：

　　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56.5KHz。

　　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100Ω，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，可通过示波器检测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：

　　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。 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UΨ为高电平；反之，Ui、Uo电平状态相同时（即两个均为高，或均为低电平），UΨ输出为低电平。当Ui、Uo的相位差Δφ在0°-180°范围内变化时，UΨ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。

　　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。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板的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30T，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。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100nS、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。

　　4.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。

　　5.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。

　　6.调试

　　该电路的调试比较简单，主要分以下几个步骤进行。

　　6.1PLL板整体功能检测。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。

　　6.2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。

　　6.3VCO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置于中点。通过自耦调压器将高压输入调节在30VAC。用万用表交流电流档监测高压输入电流，同时用示波器监测槽路部分J3接口电压，缓慢调节PLL板的W1，使J3电压为标准正弦波。此时，电流表的示数也为最大值。这时谐振频率与VCO中心频率基本相等。 谐振时的波形如下图，电流波形标准正弦波，与驱动波形滞后200nS左右。

　　6.4PLL锁定调整。将PLL板JP1跳线的1，2脚短路，使VCO的电压控制权转交给鉴相滤波网络。保持高压输入为30VAC，用示波器监测槽路部分J3接口电压波形形状和频率。此时用改锥在±一圈范围内调整W1，若示波器波形频率保持不变，形状仍然为良好的正弦波。则表示电路已近稳定入锁，如果无法锁定，交换槽路部分J1的接线再重复上述步骤。当看到电路锁定后，在加热线圈中放入螺丝刀杆，这时因为有较大的等效负载阻抗，波形幅度下降，但仍然保持良好的正弦波。如果此时失锁，可微调W1保持锁定。

　　6.5电流滞后角调整。电路锁定后，用示波器同时监测槽路部分J3接口电压以及PLL板GDT2或GDT1接口电压，缓慢调节W2，使电流波形（正弦波）稍微落后于驱动电压波形，此时全桥负载呈弱感性，并进入ZVS状态。

　　6.6工件加热测试，上述步骤均成功后，即可开始加热工件。先放入工件，用万用表电流档监测高压电流。缓慢提升自耦调压器输出电压，可以看到工件开始发热，应保证 220VAC高压下，电流小于15A。这时功率达到2500W。当加热体积较大的工件时，因为等效阻抗大，须将槽路部分S1切换至下方触点。 至此，整个感应加热电路调试完毕。开始感受高温体验吧。