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.
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