基于ZVS技術的感應加熱電源的設計

貴州民族大學工程技術人才實踐訓練中心 賀天鵬 聶思敏 李學林 鄭澤鴻

0 引言

至今，金屬加工的方式有三種，分別是感應加熱法、電阻加熱法和直接加熱法，三種方式綜合比較后，感應加熱有著明顯的優勢，優點在于其控制靈敏、加熱速度快、體積小、效率高，還有一個更加獨特的優點，就是采用非接觸加熱方式，使得其噪音小和粉塵小的特點[1]。感應加熱電源根據半導體的發展和使用場合，主要往大容量、高頻化、高功率因素和智能化方向發展，其基本原理就是電磁感應原理，將工件置于感應線圈內，線圈兩端接入交流電，在線圈內部產生交變磁場，交變磁場通過工件，使得工件產生渦流，因工件本身的阻尼作用使其產生大量的熱量[1]。本文介紹的內容是以基于ZVS技術，設計一款直流電壓輸入24V的感應加熱電源，通過闡述電路的運行過程和工作原理，最后通過實驗驗證此電路的正確性和可行性。

1 ZVS技術簡介

電路開關管控制一般采用PWM控制方式，由于開關管是理想器件，在開通時開關管電壓不能立即下降到零，同時它的電流也不能立即上升到負載電流，在這段時間里電壓與電流就有一個交疊區，產生損耗，我們稱之為開通損耗[2]，在開關管關閉時，同樣也會產生一個關斷損耗[3]，開通損耗和關斷損耗通稱開關損耗，并且開關損耗與開關頻率成正比[4]，頻率越高損耗也高，損耗越大，所以我們提出ZVS（Zero Voltage Switch縮寫）技術即零電壓開關技術。

ZVS技術指在開關管兩端并聯電容，能延緩開關管關斷后電壓上升速率，從而降低開關管的關斷損耗，整個過程主要依靠電路中的諧振Lr來實現。如圖1所示，諧振電容Cr與開關管S并聯，整流二極管VD與諧振電感串聯[5]，開關管S在零電壓時閉合和斷開，諧振開關工作在半波模式。

圖1 ZVS準諧振開關電路

2 電路設計及分析

2.1 主要元器件說明

基于ZVS技術的感應加熱器電路如圖2所示，DC1為直流電壓輸入端，輸入直流電壓24V；L1、L2為扼流電感；Q2、Q5為型號為S8050的NPN三極管；Q3、Q6為型號為S8550的PNP三極管；R1、R3為1/4W金屬膜電阻，阻值為1K歐姆；R2、R4為1/2W金屬膜電阻，阻值為5.1K歐姆；D3、D5為IN4742型穩壓管的Vzmin為11.4V，Vzmax則為12.6V；D2、D4為快速恢復二極管FR107；Q1、Q4為IRFP260N型N溝道場效應管，漏極/源極擊穿電壓200 V，漏極連續電流50 A；Q7為IRF3205型N溝道場效應管，漏極/源極擊穿電壓55 V，漏極連續電流98 A；DC2為直流輸出12V的輔助電源。

圖2 感應加熱器電路圖

2.2 電路工作原理分析

當DC1端輸入直流電壓24V電源，DC2端輸入直流電壓12V時，當開關S2閉合，由Q2Q3和Q5Q6分別組成的兩對互補推挽電路獲得啟動電壓，再經過D3、D4穩壓二極管，讓電壓鉗位在12V，分別送入Q1、Q4的GS極，使得兩個MOS管同時導通，由于兩個MOS管的GS鉗位電壓的離散性和MOS管本身跨導參數的離散性的差異，導致上電瞬間流經Q1、Q4的電流不同，假設Q1電流大于Q4，此時電流從b點流向a點，那么b點電位大于a點電位，Q1導通時a點近似接地，D4導通，Q5截止，Q6導通，將Q4柵極電位強行拉低，Q4失去柵極電壓而截止，形成正反饋，MOS管Q1完全導通，MOS管Q4完全截止，完成啟動過程；當L3磁飽和時，電容C1上瞬間的大電流流經L3，在Q1的導通電阻上形成疊加，使得a點的電壓升高，D4截止，Q4導通，b點近似接地，D2導通，Q1柵極電位強行拉低，Q1失去柵極電壓而截止，周而復始，MOS管在VDS= 0V的情況下導通，這就是零電壓開關技術。

3 實驗及結果分析

使用Multisim 13電路仿真軟件中對電路進行仿真測試，如圖3所示，分別實使用虛擬四通道示波器-SXC1同時采集MOS管Q1、Q6的柵極的電壓波形圖，使用虛擬四通道示波器-SXC2同時采集L3兩端的波形，使用虛擬四通道示波器-SXC3同時采集MOS管Q1、Q6的柵極的電壓波形圖，啟動仿真軟件電路仿真按鈕，分別測得D2、D4的波形和L3兩端的波形如圖4所示。

圖3 仿真電路

圖4 電路仿真波形

由圖4中左圖的波形圖可以看得出，當D2導通時，三極管Q3導通接地，MOS管柵極電壓被強行拉低，使得MOS管Q1導通，如圖4中圖所示，此時對管Q6便處于截止狀態；從圖4右圖的L3兩端的波形知道，在L3中產生45.7KHz正弦波，將C1、L3的仿真值帶入LC振蕩頻率計算公式：

計算結果為45.977KHz，與等于仿真測量到的頻率值。

4 結論

通過Multisim仿真軟件的仿真結果進行分析，開關管在源漏極的電壓為0才導通，使得ZVS技術能夠解決開關管的開關損耗問題，在感應加熱電源趨于高頻化的發展趨勢下，ZVS技術是一個能解決開關管能耗有效方案。ZVS技術會使諧振電壓大于2倍輸入電壓，開關管 的耐壓值也要相應增加，這樣會增加電路的成本，降低電路的可靠性。

[1]劉超．基于TMS320F28335的感應加熱式電源[D]．安徽工業大學,2017．

[2]朱軍．零電流轉換移相全橋直流變換器研究[D]．重慶大學,2008．

[3]凌飛．高頻無極燈諧振逆變器建模與諧振環參數設計[D]．東北大學,2011．

[4]陳亞非．一種應用于雷達系統的高壓大功率電源及控保系統的研制與PSPICE仿真[D]．山東大學,2006．

[5]陳煒．用于高氣壓輝光放電的全橋軟開關電源的研究[D]．華中科技大學,2006．