5.高頻加熱的原理與常用集成電路介紹

一、高頻加熱的類型

????????利用高頻電源加熱通常由兩種方法：電介質加熱（被加熱物體絕緣）與感應加熱（被加熱物體導電），詳細解釋如下：

電介質加熱（利用高頻電壓的高頻電場導致物體自身分子摩擦發熱）

絕緣的材料置于變化的電場中時，通過材料本身的介電損耗使其發熱的過程，稱為電介質加熱，電介質加熱能夠從內部對被加熱物體(絕緣體)均勻加熱。

高頻電壓加到兩極極板層上，在兩極之間產生交變的電場。加熱物體處于這個電場中，其內的極分子隨著電場做同頻率的旋轉或者振動，從而產生熱量，達到加熱效果。示意圖如下：

? 2.感應加熱（利用高頻電流產生交變磁場）

????????通過把高頻大電流流向被繞制成環狀或其它形狀的加熱線圈，由此在線圈內產生極性瞬間變化的強磁場，將金屬等被加熱物體放置在線圈內，磁束就會貫通整個被加熱物體，在被加熱物體的內部與便會產生相對應的很大渦電流。由于電阻的存在，所以會產生很多的焦耳熱(Q=I2R)，使物體自身的溫度迅速上升。感應加熱需三個條件：

????????A.產生高頻交流電流流經線圈,產生交變感應磁場

????????B.交變磁場在被加熱金屬物體中產生交變渦流

????????C.渦流產生焦耳熱加熱物體。由于交變電流的趨膚效應，交變電流集中于物體表層，因此物體表層溫度升溫快。頻率越高，電流就越集膚在金屬表面

??????

????????名詞解釋：趨膚效應：當導體中有交流電或者交變電磁場時，導體內部的電流分布不均勻，電流集中在導體的“皮膚”部分，也就是說電流集中在導體外表的薄層，越靠近導體表面，電流密度越大，導體內部實際上電流較小。

二、高頻加熱的用途

????????淬火：將工件加熱到一定溫度后再次快速冷卻下來，增加工件的硬度和耐磨性。

????????熔煉：比如中頻感應熔煉爐

????????釬焊：將釬焊料加熱到融化溫度而使兩個或幾個零件連接在一起。

三、感應加熱電源的組成

整流電路（50HZ的交流變直流）、逆變器（直流變成高頻的交流電）、控制與保護電路組成。

四、逆變器的工作原理

4.1 逆變器的基本原理

????????如下圖所示，開關S1,S4閉合時，電壓uo 方向從左到右。開關S3,S2閉合時，電壓uo 方向從右到左。開關頻率越高，那么電壓uo的切換頻率也越高。這就是逆變，即把直流變成高頻交流的基本原理。

?????????如果負載是純電阻（R）的，那么電壓與電流是波形相同，相位相同；如果負載是阻感性的(R+L)，那么由于電感電流不能突變，電流io相位滯后于uo，下圖所示：

4.1.1 輸出電壓的調節方法：

????????可以把開關開的時間縮短（即占空比縮小，即S1S4關斷后過一會S2S3才通），這樣平均起來電壓就變低了。

4.1.2 高頻開關器件：

????????可以采用IGBT，MOSFET，GTO，GTR作為開關器件。比如英飛凌FF300R12KS4的IGBT模塊上升時間+下降時間<1us,即理論上開關頻率很高1000K/s.

4.1.3 占空比調節芯片：

????????SG3525是電流控制型PWM控制器，可以接反饋電流來調節脈寬的。或者直接用管腳9的電壓來控制占空比：（0.9-3.3 V 對應占空比0-49）.

????????SG3525 是一種性能優良、功能齊全和通用性強的單片集成PWM控制芯片，它簡單可靠及使用方便靈活，輸出驅動為推拉輸出形式，增加了驅動能力；內部含有欠壓鎖定電路、軟啟動控制電路、PWM鎖存器，有過流保護功能，頻率可調，同時能限制最大占空比。

4.2 逆變器的分類以及實際實現方式

按相數：單相，三相

按直流電源特性分類：電壓型逆變器、電流型逆變器。

根據電路結構：單相半橋，單相全橋，推挽逆變，三相橋變。

按換流方式：全控型開關器件換流逆變器、負載諧振式換流逆變器、強迫換流逆變器。

4.2.1電壓型逆變器（使用最廣泛）特點：

1).輸入側有一個大電容，輸入電壓穩定。

2).橋臂不可直通，否則輸入電壓源將被短路。

3).應用比較廣泛。

??????? 電壓型逆變器??????????????????????????????? 電流型逆變器

4.2.2 電流型逆變器的特點：

1).輸入側有大電感，因此輸入電流穩定

2).橋臂可直通（即輸出可短路），但是不能開路（否則電流沒地方去）

3).目前應用少。因為電感儲能密度小，導致體積大且笨重。且電感自身損耗也比電容大。

4.2.3 半橋和全橋電路

4.3: 諧振

將逆變頻率設定在負載調諧頻率附近，可獲得正弦曲線的電流輸出。

調諧方式有兩種：

串聯諧振式逆變電路：

并聯諧振式逆變電路

五．網絡上一些分享的電路

5.1?案例1? 電壓型串聯諧振式逆變電路

圖1 逆變

??????????????? 圖2 驅動及保護電路的原理圖

圖1中高頻電流互感器TA對諧振電流進行采樣，該采樣電流信號經圖2中的快恢復二極管V5~V8的全橋整流、電容C4的濾波、電阻Rl3和R15的分壓，在過二極管V9加到SG3525A的引腳10（強制關斷端）上，起到電流保護作用。電容器C4濾波后的電流信號，再經過電容C5的濾波、RP和R16的分壓送至SG3525A的引腳l（誤差放大器反相信號輸入端），調節電位器RP，可調節輸出功率和控制加熱速度。SG3525A是PWM控制集成電路，輸出電流大于200mA，輸出脈沖電流可達土500mA，可以直接驅動IGBT。輸出PWM脈沖信號頻率最高可達500kHz。具有軟啟動功能

整機采用自然冷卻，為了降低空載時的功耗，在系統中增加一個檢測被加熱件是否通過加熱線圈的檢測電路。當沒有被加熱件通過加熱線圈時，繼電器K的常閉觸點閉合，SG3525A引腳16（基準電壓端）輸出的5V電壓加到引腳10，PWM鎖存器關斷，主電路輸出關斷。當被加熱件從加熱線圈內通過時，檢測電路輸出信號將繼電器K的常閉觸點打開，SG3525A引腳16的5V電壓不再加到引腳10，PWM鎖存器去鎖，系統處于加熱狀態

5.2? 案例2? 電流型并聯諧振式逆變電路

5.3 案例3 半橋串聯逆變器

【附錄1】串聯、并聯諧振的介紹

1.什么是諧振、諧振？

在某一特定頻率下，U與I達到同相位，稱為諧振。

2.串聯諧振

整體阻抗：Z= R+jwL+1/jwC = R+ j(wL - 1/wC)

當?時，整體阻抗Z=R最小。此時電流最大，諧振的頻率是電路自身參數決定的，稱為電路的固有震蕩頻率。

I = U/Z = U/R. 電阻R上電壓就是U。?

而電感上的電壓大小為： ,

若C=150pF, L=250mH, R=20.? 那么UL = 65U. 可見電感上的電壓是輸入電壓的65倍。

這就是收音機利用諧振從不同頻段的信號源中選擇所需要頻率(即與諧振頻率相同)的信號的原理。

3.并聯諧振

當，整體阻抗Z最大,Z=R，同電壓時電流最小，

若電阻上電流為，即電感上的電流是電阻上電流的R/wL倍。

在并聯諧振電路中，電路的總電流最小（=電阻上的電流），而支路的電流往往大于電路的總電流，因此并聯諧振也稱為電流諧振

【附錄2】高頻焊接中常用的芯片

IGBT

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）絕緣柵雙極晶體管。可用于多種類型的電子器件中實現高效率的快速開關。IGBT的典型符號及其圖像如下所示

????????IGBT結合了晶體管的低飽和電壓和MOSFET的高輸入阻抗和開關速度。這種組合的結果提供了雙極晶體管的輸出開關和導通特性，但電壓像MOSFET一樣被控制。常用的比如Infineon的IGBT:? FF300R12KS4:? 雙通道，300A, 1200V。

IGBT驅動三相電機示意圖：

2.諧振電容：MKPR-MT 諧振電容? 3uF

應用于電力電子設備中的串/并聯諧振；電焊機，電源，感應加熱設備等諧振場合。

3.IGBT的控制芯片：SG3525（脈寬可調的集成芯片）

SG3525是電壓模式PWM控制器集成電路。它用于市場上大多數逆變器。

它用于為電力電子項目和開關模式電源生成 PWM 信號。它提供反饋電路，通過將反饋信號與參考電壓進行比較來控制輸出電壓。它具有一個保護電路，可根據反饋電流限制關閉 PWM 信號.

可以給定管腳9的電壓來控制占空比：（0.9-3.3 V 對應占空比0-49）

?1).? 1腳、2腳、9腳和16腳。這四個腳主要實現反饋和補償。
?2).? 3腳、8腳、10腳是功能引腳。
?3).? 4腳、5腳、6腳、7腳決定了輸出PWM波形的頻率。頻率的計算公式為：f=1/(CT*(0.7RT+3RD))
?4).? 12腳、13腳和15腳是電源腳和地腳。
?5).? 11腳和14腳是輸出腳。

1腳和2腳分別是芯片內部誤差放大器的反相輸入端和同向輸入端。當1腳電壓比2腳電壓低時，輸出的PWM占空比增加；反之減小。

??3腳用于同步兩個波形。

??4腳是芯片內部振蕩器的輸出腳，可用于判斷頻率是否設置正確。

??5腳、6腳和7腳共同決定了輸出PWM的頻率，頻率的計算公式為：f=1/(CT*(0.7RT+3RD))

??8腳是軟起動腳。連接該腳的電容容值越大，軟起動的時間越長。

??9腳是補償腳，連接芯片內部誤差放大器的輸出。通過該腳對反饋網絡進行補償，可以減小負載變化或者芯片電源波動時輸出PWM的電平的波形。

??10腳是關閉腳。該腳接地時芯片正常工作，該腳接高電平時芯片將保持在關閉模式。可接保護電路。

??11腳和14腳是PWM輸出腳。

??12腳是地腳。

??13腳是圖騰柱輸出的電源腳，決定了輸出PWM的高電平。

??15腳是芯片電源腳。

??16腳是芯片輸出的5.1V參考電源腳。可作為誤差放大器的基準電源，也可以作為關閉腳的電源

4.過零觸發雙硅輸出光耦MOC3061：

由發光二極管+雙向可控硅組成的光電耦合器。零交叉可用于控制端與交流240V下電感負載電路間的隔離。???

用于紅綠燈、電磁閥、電機控制器等的控制。

輸出電流0.5A。輸出端電壓600V。

5.6N137 高速光耦合器

6N137光耦合器是一款用于單通道的高速光耦合器，其內部有一個850nm波長AlGaAsLED和一個集成檢測器組成，其檢測器由一個光敏二極管、高增益線性運放及一個肖特基鉗位的集電極開路的三極管組成。具有溫度、電流和電壓補償功能，高的輸入輸出隔離，LSTTL/TTL兼容，高速(典型為10MBd)，5mA的極小輸入電流.

LM339N：

LM339類似于增益不可調的運算放大器。每個比較器有兩個輸入端和一個輸出端

它是四電壓比較器，用于電磁爐的保護控制電路，比如溫度保護、電壓、電流檢測等等

兩個輸入端電壓差別大于10mV就能確保輸出能從一種狀態可靠地轉換到另一種狀態，因此，把LM339用在弱信號檢測等場合是比較理想的

Pin	Name	Description
1	1OUT	Output pin of the comparator 1
2	2OUT	Output pin of the comparator 2
3	VCC	Power supply
4	2IN-	Negative input pin of the comparator 2
5	2IN+	Positive input pin of the comparator 2
6	1IN-	Negative input pin of the comparator 1
7	1IN+	Positive input pin of the comparator 1
8	3IN-	Negative input pin of the comparator 3
9	3IN+	Positive input pin of the comparator 3
10	4IN-	Negative input pin of the comparator 4
11	4IN+	Positive input pin of the comparator 4
12	GND	Ground
13	4OUT	Output pin of the comparator 4
14	3OUT	Output pin of the comparator 3

在電路中，比較輸出為

如果V1> V2，則Vo = VCC

如果V2> V1，則Vo = 0V或GND

7.NE555P:

NE555P芯片是一種多功能集成電路芯片，可用于各種電子設備中。它的基本工作原理是在電容和電阻組成的RC電路上產生周期性的脈沖，從而實現定時器、脈沖發生器、振蕩器等功能

1	GND：接地端口，連接到電源的負極或地線上
2	TRIG：觸發輸入端口，當此引腳電壓降至1/3Vcc時，輸出端為高電平
3	OUT：輸出端口，輸出VCC或者0V。
4	RESET：重置輸入端口，當輸入低電平時復位，此時輸出低電平
5	CTRL：控制端口，可通過外部電阻或電容進行調節此引腳接空時，默認閾值為1/3vcc與2/3VCC
6	THRS：比較器正極輸入端口，通過它來設置計時周期
7	DIS：放電，用于給電容放電
8	VCC：電源正極輸入端口，可接受電壓范圍為4.5V~15V

2 TR	THRS	輸出
<1/3Vcc	<2/3Vcc	高電平
>1/3Vcc	<2/3Vcc	不變
>1/3Vcc	>2/3Vcc	低電平	放電導通

8.4558D:

4558d芯片是一種雙運放集成電路，由日本NEC公司生產。它是一種廣泛使用的通用型芯片，在音頻設備中得到了廣泛應用。本文將介紹4558d芯片的功能和電壓規格.

4558d芯片具有兩個獨立的高增益運放器：

9.MC14568B:

MC14566B工業時基發生器采用MOS P溝道和N溝道增強型器件在單片結構中構建。該設備由一個除以10的波紋計數器和一個除以5或除以6的波紋計數器組成，以允許從50或60 Hz的線路進行穩定的時間生成。通過將該設備級聯為除以60的計數器，可以計算秒和分鐘，并在電路輸出端以BCD格式提供。內置單穩多諧振蕩器，其輸出可用作復位或時鐘脈沖，提供額外的頻率靈活性。此外，還包括一個引腳，允許除以5 P SUFFIX PLASTIC CASE 648計數，從歐洲50 Hz線路產生1.0 Hz.