1MHz_4kW超高频感应加热电源的研究与实现

        感应加热是利用导体在高频磁场作用下产生的 感应电流引起导体自身发热而进行加热的一种技 术I感应加热系物体内部发热，具有加热速度快、热 效率高、加热均匀且有选择性、产品质量好、无环境 污染、易于实现生产自动化等优点，其功率密度在被 加热工件内的分布可方便地通过频率的选择和感应 圈的合理设计而得到I感应加热装置最早使用于表 面热处理，以后进入到焊接领域和各种透热场合^目 前，感应加热技术已广泛应用于国民经济的各个领 域，包括金属熔炼、铸造、焊接、热处理、热锻造，食品 及医药行业的饮料盒、药瓶封口以及半导体的区熔

提纯、单晶生长、外延等热加工工艺I对于小型工件 的表面热处理或超小型工件的加工和焊接，则要求 功率更加集中，感应加热设备要有更高的输出频率I 频率的提高对加热效率的提高具有显著意义，但是 频率提高受到器件自身开关速度和技术工艺的限 制I提高感应加热的功率和频率，一直是感应加热领 域研究的重点与难点I 1996年，沈晨、吴兆麟等研制 了 20^^/300^02的似08？2丁高频电源并投入实 际应用⑴；2002年，沈锦飞、惠晶等研制出侧丨 2似只2的似08？2丁高频电源样机⑴^

1系统构成

超高频感应加热设备系统框图如图1所示.系 统主要由7个部分组成：

(丄)不控整流

采用不控整流将市电交流变为不可调的直流^ 为了简化电路这里没有采用直流斩波或可控硅移 相，而是采用调整失谐的方法来调整功率^

(幻滤波电路

电压源逆变谐振一般采用电容滤波，为减小体 积，这里采用了电感；为防止电流冲击，在电路中设 置了延迟环节^

⑶全桥逆变电路

为满足1似只2的频率要求，须采用快速V 似05场效应管I鉴于单管电流容量的限制，在满足 耐压的前提下，采用了多管并联方式以满足输出功 率的要求^

(幻高频变压器隔离

串联谐振一般值较大，谐振电压达千伏以 上，须采用变压器隔离，同时变压器起阻抗匹配作 用I在频率为1似只2的条件下，变压器磁芯选用高 频铁氧体磁芯^

(幻调节器

在闭环反馈系统，采用？I调节器，做到无静差 并能快速跟踪^

(幻锁相环

由于加热工件的大小不同，而且工件温度变化 过程中频率也随时变化，因此要求逆变频率跟随谐 振频率变化，并且相位一致I通过对多种方案的比 较，确定采用锁相技术，以准确跟随谐振频率的变化 和控制相位^

(乃驱动电路
超高频感应加热设备频率高达1似只2，采用脉 冲变压器能满足如此高的速度要求^

2提高频率的关键技术及实现

实现频率大幅提高采用的主要关键技术包括提 高V-似08场效应管的开关速度、双环分段式高频 变压器设计、桥臂推挽脉冲变压器驱动电路设计等^ 2^ 1提高V-似08场效应管的开关速度

在国际主要的电力电子器件生产厂商中，日本 三菱公司是能够生产存储时间最短的场效应管的厂 商之一，其场效应管的存储时间约20朋.即便如此， 将其直接用于1似只2的开关频率，也无法承受开关 损耗.本研究采用降栅压的方法，使开关速度提高2 倍以上I栅压降得过低则不能保证管子完全导通，因 此设计了一套栅压监控电路，在保证器件充分导通 的前提下，又使器件不进入过饱和区，做到最佳开关 状态是本方法的核心^

2 ^ 2双环分段式高频变压器的设计

在超高频感应加热设备中，隔离变压器的设计 从理论到工艺都是难度最大的，串联谐振属于电压 谐振，谐振电压为电阻电压的倍I随着谐振频率 的提高，为保证输出足够功率，0值的选取必须保证 足够大，一般达到15〜20左右.因此，隔离变压器原 边的电压和谐振电容电压很高〔本设备实测为

3 500乂左右），而在体积较小的磁芯上保证几千伏 绝缘是难以实现的.考虑到体积与高压矛盾，这里设 计了一种特殊的变压器结构-一双环分段式高压变 压器.

采用的环形磁芯无气隙、漏磁小，因此相同匝数 的线圈，励磁电流小、损耗小I同时，为使次级与原级 耦合良好，且考虑到次级的大电流，工艺上要求必须 单匝次级，所以选用双磁环I绕线方法采取三段式， 公共部分绕制三分之一匝数，该三分之一匝数的磁 通为两磁环磁通之和，剩余的三分之二匝数平均分 给左右两磁环，这样匝间电压大大降低I虽然首末电 压很高，但距离加大了，所以该结构对绝缘的要求得 到降低^

2 ^ 3桥臂推挽脉冲变压器驱动电路

驱动电路是本设备中的关键的部分，它保证主 电路与控制电路的高低压隔离，同时进行功率放大^ 在1似只2的高频条件下保证脉冲的上升沿与下降 沿的陡度是本电路的技术核心.

在驱动电路中常规的隔离措施是用快速光耦，

文章用联合感应加热设备有限公司编辑 www.uihm.cn