實(shí)驗(yàn)中確實(shí)有加熱效果，但是遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到電源的輸出功率應(yīng)有的效果。
　　這是為什么呢，我們來(lái)分析一下，顯然，對(duì)于固定的工件，加熱效果與逆變器實(shí)際輸出功率成正比。對(duì)于感應(yīng)線圈，基本呈現(xiàn)純感性，也就是其間的電流變化永遠(yuǎn)落后于兩端電壓的變化，也就是說(shuō)電壓達(dá)到峰值的時(shí)候，電流還未達(dá)到峰值，功率因數(shù)很低。我們知道，功率等于電壓波形與電流波形的重疊面積，而在電感中，電流與電壓波形是錯(cuò)開(kāi)一個(gè)角度的，這時(shí)的重疊面積很小，即便其中通過(guò)了巨大的電流，也是做無(wú)用功。這是如果單純的計(jì)算P=UI，得到的只是無(wú)功功率。  而對(duì)于電容，正好相反，其間的電流永遠(yuǎn)超前于電壓變化。如果將電容與電感構(gòu)成串聯(lián)或并聯(lián)諧振，一個(gè)超前，一個(gè)滯后，諧振時(shí)正好抵消掉。因此電容在這里也叫功率補(bǔ)償電容。這時(shí)從激勵(lì)源來(lái)看，相當(dāng)于向一個(gè)純阻性負(fù)載供電，電流波形與電壓波形完全重合，輸出最大的有功功率。這就是為什么要采取串（并）補(bǔ)償電容構(gòu)成諧振的主要原因。

2.2第二個(gè)問(wèn)題，LC諧振有串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振，該采用什么結(jié)構(gòu)呢。  說(shuō)得直白一點(diǎn)，并聯(lián)諧振回路，諧振電壓等于激勵(lì)源電壓，而槽路（TANK）中的電流等于激勵(lì)電流的Q倍。串聯(lián)諧振回路的槽路電流等于激勵(lì)源電流，而L,C兩端的電壓等于激勵(lì)源電壓的Q倍，各有千秋。 從電路結(jié)構(gòu)來(lái)看：  對(duì)于恒壓源激勵(lì)（半橋，全橋），應(yīng)該采用串聯(lián)諧振回路，因?yàn)楣╇婋妷汉愣?，電流越大，輸出功率也就越大，?duì)于串聯(lián)諧振電路，在諧振點(diǎn)時(shí)整個(gè)回路阻抗最小，諧振電流也達(dá)到最大值，輸出最大功率。串聯(lián)諧振時(shí)，空載的回路Q值最高，L,C兩端電壓較高，槽路電流白白浪費(fèi)在回路電阻上，發(fā)熱巨大。  對(duì)于恒流源激勵(lì)（如單管電路），應(yīng)采用并聯(lián)諧振，自由諧振時(shí)LC端電壓很高，因此能獲得很大功率。并聯(lián)諧振有個(gè)很重要的優(yōu)點(diǎn)，就是空載時(shí)回路電流最小，發(fā)熱功率也很小。值得一提的是，從實(shí)驗(yàn)效果來(lái)看，同樣的諧振電容和加熱線圈，同樣的驅(qū)動(dòng)功率，并聯(lián)諧振適合加熱體積較大的工件，串聯(lián)諧振適合加熱體積小的工件。

三．制作過(guò)程  
明白了以上原理后，可以著手打造我們的感應(yīng)加熱設(shè)備了。我們制作的這個(gè)設(shè)備主要由調(diào)壓整流電源、鎖相環(huán)、死區(qū)時(shí)間發(fā)生器、GDT電路、MOS橋、阻抗變換變壓器、LC槽路以及散熱系統(tǒng)幾大部分組成，見(jiàn)下圖

我們?cè)賮?lái)對(duì)構(gòu)成系統(tǒng)的原理圖進(jìn)行一些分析，如下： 槽路部分：
 

 

　　從上圖可以看出，C1、C2、C3、L1以及T1的次級(jí)（左側(cè)）共同構(gòu)成了一個(gè)串聯(lián)諧振回路，因?yàn)樽儔浩鞔渭?jí)存在漏感，回路的走線也存在分布電感，所以實(shí)際諧振頻率要比單純用C1-C3容量與L1電感量計(jì)算的諧振頻率略低。圖中L1實(shí)際上為1uH，我將漏感分布電感等加在里面所以為1.3uH，如圖參數(shù)諧振頻率為56.5KHz。  從逆變橋輸出的高頻方波激勵(lì)信號(hào)從J2-1輸入，通過(guò)隔直電容C4及單刀雙擲開(kāi)關(guān)S1后進(jìn)入T1的初級(jí)，然后流經(jīng)1:100電流感器后從J2-2回流進(jìn)逆變橋。

　　在這里，C4單純作為隔直電容，不參與諧振，因此應(yīng)選擇容量足夠大的無(wú)感無(wú)極性電容，這里選用CDE無(wú)感吸收電容1.7uF 400V五只并聯(lián)以降低發(fā)熱。  S1的作用為阻抗變換比切換，當(dāng)開(kāi)關(guān)打到上面觸點(diǎn)時(shí)，變壓器的匝比為 35:0.75，折合阻抗變比為2178:1；當(dāng)開(kāi)關(guān)打到下面觸點(diǎn)時(shí)，變壓器匝比為24:0.75，折合阻抗變比為1024:1。為何要設(shè)置這個(gè)阻抗變比切換，主要基于以下原因。

　?。?）鐵磁性工件的尺寸決定了整個(gè)串聯(lián)諧振回路的等效電阻，尺寸越大，等效電阻越大。
　?。?）回路空載和帶載時(shí)等效電阻差別巨大，如果空載時(shí)變比過(guò)低，將造成逆變橋瞬間燒毀。

　　 T2是T1初級(jí)工作電流的取樣互感器，因?yàn)樵驯葹?:100，且負(fù)載電阻為100Ω，所以當(dāng)電阻上電壓為1V時(shí)對(duì)應(yīng)T1初級(jí)電流為1A。該互感器應(yīng)有足夠小的漏感且易于制作，宜采用鐵氧體磁罐制作，如無(wú)磁罐也可用磁環(huán)代替。在調(diào)試電路時(shí)，可通過(guò)示波器檢測(cè)J3兩端電壓的波形形狀和幅度而了解電路的工作狀態(tài)，頻率，電流等參數(shù)，亦可作為過(guò)流保護(hù)的取樣點(diǎn)。  J1端子輸出諧振電容兩端的電壓信號(hào)，當(dāng)電路諧振時(shí)，電容電壓與T1次級(jí)電壓存在90°相位差，將這個(gè)信號(hào)送入后續(xù)的PLL鎖相環(huán)，就可以自動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)激勵(lì)頻率始終等于諧振頻率。且相位恒定。（后文詳述）

　　 L1，T1 線圈均采用紫銅管制作，數(shù)據(jù)見(jiàn)上圖，工作中，線圈發(fā)熱嚴(yán)重，必須加入水冷措施以保證長(zhǎng)時(shí)間安全工作。為保證良好的傳輸特性以及防止磁飽和，T1采用兩個(gè) EE85磁芯疊合使用，在繞制線圈時(shí)需先用木板做一個(gè)比磁芯舌截面稍微大點(diǎn)的模子，在上面繞制好后脫模。如下圖：
 

 

PLL鎖相環(huán)部分：
 

 

　　上圖為PLL部分，是整個(gè)電路的核心。關(guān)于CD4046芯片的結(jié)構(gòu)及工作原理等，我不在這里詳述，請(qǐng)自行查閱書(shū)籍或網(wǎng)絡(luò)。 以U1五端單片開(kāi)關(guān)電源芯片LM2576-adj為核心的斬波穩(wěn)壓開(kāi)關(guān)電路為整個(gè)PLL板提供穩(wěn)定的，功率強(qiáng)勁的電源。圖中參數(shù)可以提供15V2A的穩(wěn)定電壓。因?yàn)椴捎?5V的VDD電源，芯片只能采用CD40xx系列的CMOS器件，74系列的不能在此電壓下工作。

　　CD4046 鎖相環(huán)芯片的內(nèi)部VCO振蕩信號(hào)從4腳輸出，一方面送到U2為核心的死區(qū)時(shí)間發(fā)生器，用以驅(qū)動(dòng)后級(jí)電路。另一方面回饋到CD4046的鑒相器輸入B端口3 腳。片內(nèi)VCO的頻率范圍由R16、R16、W1、C13的值共同決定，如圖參數(shù)時(shí)，隨著VCO控制電壓0-15V變化，振蕩頻率在20KHz- 80KHz之間變化。  從諧振槽路Vcap接口J1送進(jìn)來(lái)的電壓信號(hào)從J4接口輸入PLL板，經(jīng)過(guò)R14，D2，D3構(gòu)成的鉗位電路后，送入 CD4046的鑒相器輸入A端口14腳。這里要注意的是，Vcap電壓的相位要倒相輸入，才能形成負(fù)反饋。D2，D3宜采用低結(jié)電容的檢波管或開(kāi)關(guān)管如 1N4148、1N60之類。

　　 C7、C12為CD4046的電源退耦，旁路掉電源中的高頻分量，使其穩(wěn)定工作。  現(xiàn)在說(shuō)說(shuō)工作流程，我們選用的是CD4046內(nèi)的鑒相器1（XOR異或門）。對(duì)于鑒相器1,當(dāng)兩個(gè)輸人端信號(hào)Ui、Uo的電平狀態(tài)相異時(shí)（即一個(gè)高電平，一個(gè)為低電平），輸出端信號(hào)UΨ為高電平；反之，Ui、Uo電平狀態(tài)相同時(shí)（即兩個(gè)均為高，或均為低電平），UΨ輸出為低電平。當(dāng)Ui、Uo的相位差Δφ在0°-180°范圍內(nèi)變化時(shí)，UΨ的脈沖寬度m亦隨之改變，即占空比亦在改變。從比較器Ⅰ的輸入和輸出信號(hào)的波形（如圖4所示）可知，其輸出信號(hào)的頻率等于輸入信號(hào)頻率的兩倍，并且與兩個(gè)輸入信號(hào)之間的中心頻率保持90°相移。從圖中還可知，fout不一定是對(duì)稱波形。對(duì)相位比較器Ⅰ，它要求Ui、Uo的占空比均為50％（即方波），這樣才能使鎖定范圍為最大。如下圖。
 

 

由上圖可看出，當(dāng)14腳與3腳之間的相位差發(fā)生變化時(shí)，2腳輸出的脈寬也跟著變化，2腳的PWM信號(hào)經(jīng)過(guò)U4為核心的有源低通濾波器后得到一個(gè)較為平滑的直流電平，將這個(gè)直流電平作為VCO的控制電壓，就能形成負(fù)反饋，將VCO的輸出信號(hào)與14腳的輸入信號(hào)鎖定為相同頻率，固定相位差。 

關(guān)于死區(qū)發(fā)生器，本電路中，以U2 CD4001四2輸入端與非門和外圍R8，R8，C10，C11共同組成，利用了RC充放電的延遲時(shí)間，將實(shí)時(shí)信號(hào)與延遲后的信號(hào)做與運(yùn)算，得到一個(gè)合適的死區(qū)。死區(qū)時(shí)間大小由R8，R8，C10，C11共同決定。如圖參數(shù)，為1.6uS左右。在實(shí)際設(shè)計(jì)安裝的時(shí)候，C10或C11應(yīng)使用68pF的瓷片電容與5-45pF的可調(diào)電容并聯(lián)，以方便調(diào)整兩組驅(qū)動(dòng)波形的死區(qū)對(duì)稱性。 下圖清晰地展示了死區(qū)的效果。
 

 

　　關(guān)于圖騰輸出，從死區(qū)時(shí)間發(fā)生器輸出的電平信號(hào)，僅有微弱的驅(qū)動(dòng)能力，我們必須將其輸出功率放大到一定程度才能有效地推動(dòng)后續(xù)的GDT（門極驅(qū)動(dòng)變壓器）部分，Q1-Q8構(gòu)成了雙極性射極跟隨器，俗稱圖騰柱，將較高的輸入阻抗變換為極低的輸出阻抗，適合驅(qū)動(dòng)功率負(fù)載。 R10.R11為上拉電阻，增強(qiáng)CD4001輸出的“1”電平的強(qiáng)度。有人會(huì)問(wèn)設(shè)計(jì)兩級(jí)圖騰是否多余，我開(kāi)始也這么認(rèn)為，試驗(yàn)時(shí)單用一級(jí) TIP41，TIP42為圖騰輸出，測(cè)試后發(fā)現(xiàn)高電平平頂斜降帶載后比較嚴(yán)重，分析為此型號(hào)晶體管的hFE過(guò)低引起，增加前級(jí)8050/8550推動(dòng)后，平頂斜降消失。 GDT門極驅(qū)動(dòng)電路： 
 

 

 

上圖為MOSFET的門極驅(qū)動(dòng)電路，采用GDT驅(qū)動(dòng)的好處就是即便驅(qū)動(dòng)級(jí)出問(wèn)題，也不可能出現(xiàn)共態(tài)導(dǎo)通激勵(lì)電平。 
留適當(dāng)?shù)乃绤^(qū)時(shí)間，這個(gè)電路死區(qū)大到1.6uS。而且MOSFET開(kāi)關(guān)迅速，沒(méi)有IGBT的拖尾，很難炸管。而且MOS的米勒效應(yīng)小很多。
 
　　電路處于ZVS狀態(tài)，管子2KW下工作基本不發(fā)熱，熱擊穿不復(fù)存在。 
從 PLL板圖騰柱輸出的兩路倒相驅(qū)動(dòng)信號(hào)，從GDT板的J1，J4接口輸入，經(jīng)過(guò)C1-C4隔直后送入脈沖隔離變壓器T1-T4。R5，R6的存在，降低了隔直電容與變壓器初級(jí)的振蕩Q值，起到減少過(guò)沖和振鈴的作用。從脈沖變壓器輸出的±15V的浮地脈沖，通過(guò)R1-R4限流緩沖（延長(zhǎng)對(duì)Cgs的充電時(shí)間，減緩開(kāi)通斜率）后，齊納二極管ZD1-ZD8對(duì)脈沖進(jìn)行雙向鉗位，最后經(jīng)由J2，J3，J5，J6端子輸出到四個(gè)MOS管的GS極。這里因?yàn)殛P(guān)斷期間為 -15V電壓，即便有少量的電平抖動(dòng)也不會(huì)使MOS管異常開(kāi)通，造成共態(tài)導(dǎo)通。注意，J2，J3用以驅(qū)動(dòng)一個(gè)對(duì)角的MOS管，J5，J6用于驅(qū)動(dòng)另一個(gè)對(duì)角的mos管。 

　　為了有效利用之前PLL板圖騰輸出的功率以及減小驅(qū)動(dòng)板高度，這里采用4只脈沖變壓器分別對(duì)4支管子進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。脈沖變壓器T1- T4均采用EE19磁芯，不開(kāi)氣隙，初級(jí)次級(jí)均用0.33mm漆包線繞制30T，為提高繞組間耐壓起見(jiàn)，并未采用雙線并繞。而是先繞初級(jí)，用耐高溫膠帶3 層絕緣后再繞次級(jí)，采用密繞方式，注意圖中+，-號(hào)表示的同名端。C1-C4均采用CBB無(wú)極性電容。其余按電路參數(shù)。 電源部分：
 

 

　　上圖為母線電源部分，市電電壓經(jīng)過(guò)自耦調(diào)壓器后從J2輸入，經(jīng)過(guò)B1全波整流后送入C1-C4進(jìn)行濾波。為了在MOS橋開(kāi)關(guān)期間，保持母線電壓恒定（恒壓源），故沒(méi)有加入濾波電感。C1，C2為ＭＫＰ電容，主要作用為全橋鉗位過(guò)程期間的逆向突波吸收。整流濾波后的脈動(dòng)直流從 J1輸出。 全橋部分：
 

 

上圖為MOSFET橋電路，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，不再贅述。強(qiáng)調(diào)一下，各個(gè)MOS管的GS極到GDT板之間的引線，盡可能一樣長(zhǎng)，但應(yīng)小于10cm。必須采用雙絞線。MOS管的選取應(yīng)遵循以下要求：開(kāi)關(guān)時(shí)間小于100nS、耐壓高于500V、內(nèi)部自帶阻尼二極管、電流大于 20A、耗散功率大于150W。 

四．散熱系統(tǒng) 
槽路部分的阻抗變換變壓器次級(jí)以及感應(yīng)線圈部分，在滿功率輸出時(shí)，流經(jīng)的電流達(dá)到500A之巨，如果沒(méi)有強(qiáng)有力的冷卻措施，將在短時(shí)間內(nèi)過(guò)熱燒毀。 
該系統(tǒng)宜采用水冷措施，利用銅管本身作為水流通路。泵采用隔膜泵，一是能自吸，二是壓力高。電路采用的是國(guó)產(chǎn)普蘭迪隔膜泵，輸出壓力達(dá)到0.6MPa，輕松在3mm內(nèi)徑的銅管中實(shí)現(xiàn)大流量水冷。
 

 

五．組裝 
按下圖組裝，注意GDT部分，輸出端口的1腳接G，2腳接S，雙絞線長(zhǎng)度小于10cm。
 

 

六．調(diào)試 
該電路的調(diào)試比較簡(jiǎn)單，主要分以下幾個(gè)步驟進(jìn)行。 

1. PLL板整體功能檢測(cè)。電路組裝好后，先斷開(kāi)高壓電源，將PLL板JP1跳線的2,3腳短路，使VCO輸出固定頻率的方波。然后用示波器分別檢測(cè)四個(gè)MOS管的GS電壓，看是否滿足相位和幅度要求。對(duì)角的波形同相，同一臂的波形反相。幅度為±15V。如果此步驟無(wú)問(wèn)題，進(jìn)行下一步。如果波形相位異常，檢測(cè)雙絞線連接是否有誤。 

2.死區(qū)時(shí)間對(duì)稱性調(diào)整。用示波器監(jiān)測(cè)同一臂的兩個(gè)MOS的GS電壓，調(diào)節(jié)PLL板C10或C11并聯(lián)的可調(diào)電容，使兩個(gè)MOS的GS電壓的高電平寬度基本一致即可。死區(qū)時(shí)間差異過(guò)大的話，容易造成在振蕩的前幾個(gè)周期內(nèi)，就造成磁芯的累計(jì)偏磁而發(fā)生飽和炸管，隔直電容能減輕這一情況。
 
3. VCO 中心頻率調(diào)整。PLL環(huán)路中，VCO的中心頻率在諧振頻率附近時(shí)，能獲得最大的跟蹤捕捉范圍，因此有必要進(jìn)行一個(gè)調(diào)整。槽路部分S1切換到上方觸點(diǎn)，PLL板JP1跳線的2,3腳短路，使VCO控制電壓處于0.5VCC，W2置于中點(diǎn)。通過(guò)自耦調(diào)壓器將高壓輸入調(diào)節(jié)在30VAC。用萬(wàn)用表交流電流檔監(jiān)測(cè)高壓輸入電流，同時(shí)用示波器監(jiān)測(cè)槽路部分J3接口電壓，緩慢調(diào)節(jié)PLL板的W1，使J3電壓為標(biāo)準(zhǔn)正弦波。此時(shí)，電流表的示數(shù)也為最大值。這時(shí)諧振頻率與VCO中心頻率基本相等。 諧振時(shí)的波形如下圖，電流波形標(biāo)準(zhǔn)正弦波，與驅(qū)動(dòng)波形滯后200nS左右。 

 

 

4. PLL鎖定調(diào)整。將PLL板JP1跳線的1,2腳短路，使VCO的電壓控制權(quán)轉(zhuǎn)交給鑒相濾波網(wǎng)絡(luò)。保持高壓輸入為30VAC，用示波器監(jiān)測(cè)槽路部分J3接口電壓波形形狀和頻率。此時(shí)用改錐在±一圈范圍內(nèi)調(diào)整W1，若示波器波形頻率保持不變，形狀仍然為良好的正弦波。則表示電路已近穩(wěn)定入鎖，如果無(wú)法鎖定，交換槽路部分J1的接線再重復(fù)上述步驟。當(dāng)看到電路鎖定后，在加熱線圈中放入螺絲刀桿，這時(shí)因?yàn)橛休^大的等效負(fù)載阻抗，波形幅度下降，但仍然保持良好的正弦波。如果此時(shí)失鎖，可微調(diào)W1保持鎖定。
 
5.電流滯后角調(diào)整。電路鎖定后，用示波器同時(shí)監(jiān)測(cè)槽路部分J3接口電壓以及PLL板GDT2或GDT1接口電壓，緩慢調(diào)節(jié)W2，使電流波形（正弦波）稍微落后于驅(qū)動(dòng)電壓波形，此時(shí)全橋負(fù)載呈弱感性，并進(jìn)入ZVS狀態(tài)。
 
6.工件加熱測(cè)試，上述步驟均成功后，即可開(kāi)始加熱工件。先放入工件，用萬(wàn)用表電流檔監(jiān)測(cè)高壓電流。緩慢提升自耦調(diào)壓器輸出電壓，可以看到工件開(kāi)始發(fā)熱，應(yīng)保證 220VAC高壓下，電流小于15A。這時(shí)功率達(dá)到2500W。當(dāng)加熱體積較大的工件時(shí)，因?yàn)榈刃ё杩勾?，須將槽路部分S1切換至下方觸點(diǎn)。 至此，整個(gè)感應(yīng)加熱電路調(diào)試完畢。開(kāi)始感受高溫體驗(yàn)吧。