小功率高频感应加热器的设计与制作原理及电路图

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。

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。