小功率高频感应加热器的设计与制作

小功率高频感应加热器的设计与制作小功率高频感应加热器的设计与制作家用感应加热装置的典型应用是电磁灶,其功率一般在lkW左右,要求被加热容器的底部直径不小于120mm.本设计的感虚加热器输出功率定在200W~300W,感应器有效直径lOOmm左右,主要用于小容量的液体、食品、易拉罐饮品的加热,在家庭、医院、宾馆房间、零售商店中有广泛应用.感应加热要求感应线圈的品质因数(Q值)高,Q可由下式计算:Q=X/R=ωL/R其中,L是感应线圈的电感(单位H),ω是驱动源的开关频率,R是感应线圈的等效串联电阻(Ω).通过以不同的驱动频率驱动加热线圈,可以得到线圈参数与频率的关系.当感应线圈靠近铁制品时．其等效电阻将大幅度增加,Q值下降;而当其靠近非铁磁性金属时,其等效电阻增加很少,其Q值下降不大．这种特性使铁金属更易被感应加热.例如,在驱动频率为100kHz时,靠近铁制品的线圈,其R值为2Ω,而靠近铝制品时,R值仪0.238Ω;当驱动频率为400kHz时,空载线圈的Q值达到318,在靠近铝制品时下降为124,而在靠近铁制品时下降至13.因此,在选择驱动源频率时,要选择空载线圈的R值和有铁金属时的R值相差大的频率,这个频率范围一般在lOOkHz至400kHz.为了减小加热线圈自身的损耗,线圈需用很多股细铜线组成的绞合线来绕制,这样容易制战高频损失小、Q值高的线圈.感应线圈有两种形状,一种是加热普通平底铁金属容器的平板线圈．另一种是加热易拉罐的筒形线圈.在实际的感应加热电路中,感应线圈与其等效串联阻抗R,以及外加电容器C等共同构成LCR串联谐振电路.图1是本高频感应加热器的方框图．采用绝缘栅场效应管的半桥驱动、LC串联谐振电路,用锁相环(PLL)和脉宽调制(PWM)电路作闭环控制,以保证串联谐振频率的稳定:用半桥功率电路驱动加热线圈.半桥输出电路输出阻抗低,即使用方波信号作电压驱动,输出电流波形也是正弦波,因而电压相电流的相位差小,功率传输效率高.整机电路见图2.PLL及PWM恒流控制电路:采用开关稳压集成电路UC3825,实际开关频率可达lMHz,具有两路大电流推挽式输出电路.利用UC3825内的振荡电路构成压控振荡器VCO,其频率范围可取为200kHz~300kHz,由定时阻容元件R10+R9//Rt和C5的值决定.动态电阻Rt由小信号MOSFET管构成,其阻值受MCl4060B的输出控制.考虑到加热线圈L的电感量及串联谐振电容量的自由度,这个频率的可变化范围应有两倍左右.当取图2中的数值时,振荡频率约160kHz~380kHz.为了保证振荡频率的稳定,采用PLL电路MCl4046B作相位检测器.由电流互感器CT检测出通过加热线圈L的电流,CT次级的负载Rl取200Ω,转换,比为1V/1A,经D1、D2双向限幅．Cl耦合至ICl的PCa端;ICl的PCb端输入电压由IC2的PWM输出电压分压.得到,其值约5Vpeak,以满足CMOS电平的需要.由于流过加热线圈的电流有少许滞后,故在PCb端加入容量约1000pF的相位补偿电容器C2.如果工作频率和LC参数有变化,该电容量也应梢应变化.如f=300kHz、电流相位滞后45.时．相位补偿电容:Ccomp=1/2πRf=l/6.28x500x300xl03=1061pF如果以某一频率驱动加热线圈,当接近铝制时,由于LCR串联谐振电路的阻抗很低,通过的大电流可能会损坏MOSFET;如果空载,也可能造成桐同后果.因此必须采用恒流控制.这里,利用电流互感器CT的输出经D3、D4倍压整流届作为反馈信号,输出电流的调节用脉宽调制方式控制平均电流,由IC2内部的误差放大器来实现.由IC2内部的基准电压源经电阻分压后取得+2.5V的电压,作为比较器的基准电压.调节W1可改变输出电流,也可调节输出功率.MOSFET驱动电路、半桥输出电路及LC串联谐振电路:在负荷为铁制品时,由于串联谐振电路的R将增大,故应设置较高的电源电腥(选定为300V).又由于在空载时,R很小而Q值高．将有很大的电流流过功率输出管,故应选用漏极电流大的MOSFET管.这里选用电流达12A的2SKl489两强构成半桥输出．驱动信号由UC3825输出、经C13~CJ6和脉冲变压器Tl、T2耦合至推动级.D7~D10用于保护大功率MOSFET.在半桥输出电路中插入了电流互感器CT,用以检出流过加热线圈的电流.加热线圈L和电容C19、C20构成LC谐振电路．作为半桥输出的负载.当LC串联电路谐振时,即使用方波驱动,流过线圈的电流波形也是正弦波.加热线圈可作为平板形(加热甲底容器)或筒形(加热易拉.罐).为减少由于集肤效应产生高频损失,加热线圈的材料用120根φ0.08mm的细铜线绞合而成.线圈的尺寸见图3.整机供电电路:功率输出电路由交流市电经桥式整流提供+300V电源,用7812和78L05提供+12V及+5V给其余电路供电.+300V电源在开机时会有大的冲击电流,因而滤波电容不能用电解电容,而要选薄膜电容器;C24为4.71μF,另在半桥输出的电源端子加4.7μF(C21),使滤波电容的总容最为9.4μF.为避免半桥输出电路产生的噪声串人交流供电线路,加入了电感L2作滤波器.元件选用:D1l、D13、D7、D9采用肖特基二级管,D8、D10采用超高速二极管;电感Ll、L2及电流互感器CT均采用磁环绕制.试用效果:由WI设定功率为250W,此时交流电流约1.2A.对盛水的平底铁制容器,用平板线圈加热到水温80℃耗时200秒;当不盛水时,加热至100℃仅用加40秒;当用筒形线圈加热盛满水的铁罐头盒时,加热至80℃耗时180秒.