小功率高頻感應加熱器的設計與制作

小功率高頻感應加熱器的設計與制作
家用感應加熱裝置的典型應用是電磁灶,其功率一般在lkW左右,要求被加熱容器的底部直徑不小于120mm.本設計的感虛加熱器輸出功率定在200W~300W,感應器有效直徑lOOmm 左右,主要用于小容量的液體、食品、易拉罐飲品的加熱,在家庭、醫(yī)院、賓館房間、零售商店中有廣泛應用.感應加熱要求感應線圈的品質(zhì)因數(shù)(Q值)高,Q可由下式計算: Q=X/R=ωL/R 其中,L 是感應線圈的電感(單位H),ω 是驅(qū)動源的開關頻率,R 是感應線圈的等效串聯(lián)電阻(Ω).通過以不同的驅(qū)動頻率驅(qū)動加熱線圈,可以得到線圈參數(shù)與頻率的關系.當感應線圈靠近鐵制品時．其等效電阻將大幅度增加,Q 值下降;而當其靠近非鐵磁性金屬時,其等效電阻增加很少,其Q 值下降不大．這種特性使鐵金屬更易被感應加熱.例如,在驅(qū)動頻率為100kHz 時,靠近鐵制品的線圈,其R 值為2Ω,而靠近鋁制品時,R 值儀0.238Ω;當驅(qū)動頻率為400kHz 時,空載線圈的Q 值達到318,在靠近鋁制品時下降為124,而在靠近鐵制品時下降至13.因此,在選擇驅(qū)動源頻率時,要選擇空載線圈的R 值和有鐵金屬時的R 值相差大的頻率,這個頻率范圍一般在lOOkHz 至400kHz.為了減小加熱線圈自身的損耗,線圈需用很多股細銅線組成的絞合線來繞制,這樣容易制戰(zhàn)高頻損失小、Q值高的線圈.感應線圈有兩種形狀,一種是加熱普通平底鐵金屬容器的平板線圈．另一種是加熱易拉罐的筒形線圈.在實際的感應加熱電路中,感應線圈與其等效串聯(lián)阻抗R,以及外加電容器C 等共同構成LCR 串聯(lián)諧振電路.圖1 是本高頻感應加熱器的方框圖．采用絕緣柵場效應管的半橋驅(qū)動、LC 串聯(lián)諧振電路,用鎖相環(huán)(PLL)和脈寬調(diào)制(PWM)電路作閉環(huán)控制,以保證串聯(lián)諧振頻率的穩(wěn)定:用半橋功率電路驅(qū)動加熱線圈.半橋輸出電路輸出阻抗低,即使用方波信號作電壓驅(qū)動,輸出電流波形也是正弦波,因而電壓相電流的相位差小,功率傳輸效率高.整機電路見圖2.PLL 及PWM 恒流控制電路:采用開關穩(wěn)壓集成電路UC3825,實際開關頻率可達lMHz,具有兩路大電流推挽式輸出電路.利用UC3825 內(nèi)的振蕩電路構成壓控振蕩器VCO,其頻率范圍可取為200kHz~300kHz,由定時阻容元件R10+R9//Rt 和C5 的值決定.動態(tài)電阻Rt 由小信號MOSFET 管構成,其阻值受MCl4060B 的輸出控制.考慮到加熱線圈L 的電感量及串聯(lián)諧振電容量的自由度,這個頻率的可變化范圍應有兩倍左右.當取圖2中的數(shù)值時,振蕩頻率約160kHz~380kHz.為了保證振蕩頻率的穩(wěn)定,采用PLL 電路MCl4046B 作相位檢測器.由電流互感器CT 檢測出通過加熱線圈L 的電流,CT 次級的負載Rl 取200Ω,轉(zhuǎn)換,比為1V/1A,經(jīng)D1、D2 雙向限幅．Cl 耦合至ICl 的PCa 端;ICl 的PCb 端輸入電壓由IC2 的PWM 輸出電壓分壓.得到,其值約5Vpeak,以滿足CMOS 電平的需要.由于流過加熱線圈的電流有少許滯后,故在PCb 端加入容量約1000pF 的相位補償電容器C2.如果工作頻率和LC 參數(shù)有變化, 該電容量也應梢應變化. 如f=300kHz 、電流相位滯后45. 時． 相位補償電容:Ccomp=1/2πRf=l/6.28x500x300xl03=1061pF如果以某一頻率驅(qū)動加熱線圈,當接近鋁制時,由于LCR串聯(lián)諧振電路的阻抗很低,通過的大電流可能會損壞MOSFET;如果空載,也可能造成桐同后果.因此必須采用恒流控制.這里,利用電流互感器CT 的輸出經(jīng)D3、D4 倍壓整流屆作為反饋信號,輸出電流的調(diào)節(jié)用脈寬調(diào)制方式控制平均電流,由IC2 內(nèi)部的誤差放大器來實現(xiàn).由IC2 內(nèi)部的基準電壓源經(jīng)電阻分壓后取得+2.5V 的電壓,作為比較器的基準電壓.調(diào)節(jié)W1 可改變輸出電流,也可調(diào)節(jié)輸出功率.
MOSFET 驅(qū)動電路、半橋輸出電路及LC 串聯(lián)諧振電路:在負荷為鐵制品時,由于串聯(lián)諧振電路的R 將增大,故應設置較高的電源電腥(選定為300V).又由于在空載時,R 很小而Q 值高．將有很大的電流流過功率輸出管,故應選用漏極電流大的MOSFET 管.這里選用電流達12A 的2SKl489 兩強構成半橋輸出．驅(qū)動信號由UC3825 輸出、經(jīng)C13~CJ6 和脈沖變壓器Tl、T2 耦合至推動級.D7~D10 用于保護大功率MOSFET.在半橋輸出電路中插入了電流互感器CT,用以檢出流過加熱線圈的電流.加熱線圈L 和電容C19、C20 構成LC 諧振電路．作為半橋輸出的負載.當LC 串聯(lián)電路諧振時,即使用方波驅(qū)動,流過線圈的電流波形也是正弦波.加熱線圈可作為平板形(加熱甲底容器)或筒形(加熱易拉.罐).為減少由于集膚效應產(chǎn)生高頻損失,加熱線圈的材料用120 根φ0.08mm 的細銅線絞合而成.線圈的尺寸見圖3.整機供電電路:功率輸出電路由交流市電經(jīng)橋式整流提供+300V 電源,用7812 和78L05 提供+12V 及+5V給其余電路供電.+300V 電源在開機時會有大的沖擊電流,因而濾波電容不能用電解電容,而要選薄膜電容器;C24 為4.71μF,另在半橋輸出的電源端子加4.7μF(C21),使濾波電容的總?cè)葑顬?.4μF.為避免半橋輸出電路產(chǎn)生的噪聲串人交流供電線路,加入了電感L2 作濾波器.元件選用:D1l、D13、D7、D9 采用肖特基二級管,D8、D10 采用超高速二極管;電感Ll、L2 及電流互感器CT 均采用磁環(huán)繞制.試用效果:由WI 設定功率為250W,此時交流電流約1.2A.對盛水的平底鐵制容器,用平板線圈加熱到水溫80℃耗時200 秒;當不盛水時,加熱至100℃僅用加40 秒;當用筒形線圈加熱盛滿水的鐵罐頭盒時,加熱至80℃耗時180 秒.