實驗中確實有加熱效果，但是遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到電源的輸出功率應(yīng)有的效果。
　　這是為什么呢，我們來分析一下，顯然，對于固定的工件，加熱效果與逆變器實際輸出功率成正比。對于感應(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，也就是說電壓達(dá)到峰值的時候，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開一個角度的，這時的重疊面積很小，即便其中通過了巨大的電流，也是做無用功。這是如果單純的計算P=UI，得到的只是無功功率。  而對于電容，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，一個超前，一個滯后，諧振時正好抵消掉。因此電容在這里也叫功率補(bǔ)償電容。這時從激勵源來看，相當(dāng)于向一個純阻性負(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第二個問題，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。  說得直白一點，并聯(lián)諧振回路，諧振電壓等于激勵源電壓，而槽路（TANK）中的電流等于激勵電流的Q倍。串聯(lián)諧振回路的槽路電流等于激勵源電流，而L,C兩端的電壓等于激勵源電壓的Q倍，各有千秋。 從電路結(jié)構(gòu)來看：  對于恒壓源激勵（半橋，全橋），應(yīng)該采用串聯(lián)諧振回路，因為供電電壓恒定，電流越大，輸出功率也就越大，對于串聯(lián)諧振電路，在諧振點時整個回路阻抗最小，諧振電流也達(dá)到最大值，輸出最大功率。串聯(lián)諧振時，空載的回路Q值最高，L,C兩端電壓較高，槽路電流白白浪費在回路電阻上，發(fā)熱巨大。  對于恒流源激勵（如單管電路），應(yīng)采用并聯(lián)諧振，自由諧振時LC端電壓很高，因此能獲得很大功率。并聯(lián)諧振有個很重要的優(yōu)點，就是空載時回路電流最小，發(fā)熱功率也很小。值得一提的是，從實驗效果來看，同樣的諧振電容和加熱線圈，同樣的驅(qū)動功率，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。我們制作的這個設(shè)備主要由調(diào)壓整流電源、鎖相環(huán)、死區(qū)時間發(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，見下圖

我們再來對構(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（左側(cè)）共同構(gòu)成了一個串聯(lián)諧振回路，因為變壓器次級存在漏感，回路的走線也存在分布電感，所以實際諧振頻率要比單純用C1-C3容量與L1電感量計算的諧振頻率略低。圖中L1實際上為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信號從J2-1輸入，通過隔直電容C4及單刀雙擲開關(guān)S1后進(jìn)入T1的初級，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感無極性電容，這里選用CDE無感吸收電容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)開關(guān)打到上面觸點時，變壓器的匝比為 35:0.75，折合阻抗變比為2178:1；當(dāng)開關(guān)打到下面觸點時，變壓器匝比為24:0.75，折合阻抗變比為1024:1。為何要設(shè)置這個阻抗變比切換，主要基于以下原因。

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

　　 T2是T1初級工作電流的取樣互感器，因為匝比為1:100，且負(fù)載電阻為100Ω，所以當(dāng)電阻上電壓為1V時對應(yīng)T1初級電流為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，如無磁罐也可用磁環(huán)代替。在調(diào)試電路時，可通過示波器檢測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)，亦可作為過流保護(hù)的取樣點。  J1端子輸出諧振電容兩端的電壓信號，當(dāng)電路諧振時，電容電壓與T1次級電壓存在90°相位差，將這個信號送入后續(xù)的PLL鎖相環(huán)，就可以自動調(diào)節(jié)時激勵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時間安全工作。為保證良好的傳輸特性以及防止磁飽和，T1采用兩個 EE85磁芯疊合使用，在繞制線圈時需先用木板做一個比磁芯舌截面稍微大點的模子，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，請自行查閱書籍或網(wǎng)絡(luò)。 以U1五端單片開關(guān)電源芯片LM2576-adj為核心的斬波穩(wěn)壓開關(guān)電路為整個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。因為采用15V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振蕩信號從4腳輸出，一方面送到U2為核心的死區(qū)時間發(fā)生器，用以驅(qū)動后級電路。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，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)來的電壓信號從J4接口輸入PLL板，經(jīng)過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)在說說工作流程，我們選用的是CD4046內(nèi)的鑒相器1（XOR異或門）。對于鑒相器1,當(dāng)兩個輸人端信號Ui、Uo的電平狀態(tài)相異時（即一個高電平，一個為低電平），輸出端信號UΨ為高電平；反之，Ui、Uo電平狀態(tài)相同時（即兩個均為高，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，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的輸入和輸出信號的波形（如圖4所示）可知，其輸出信號的頻率等于輸入信號頻率的兩倍，并且與兩個輸入信號之間的中心頻率保持90°相移。從圖中還可知，fout不一定是對稱波形。對相位比較器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，2腳輸出的脈寬也跟著變化，2腳的PWM信號經(jīng)過U4為核心的有源低通濾波器后得到一個較為平滑的直流電平，將這個直流電平作為VCO的控制電壓，就能形成負(fù)反饋，將VCO的輸出信號與14腳的輸入信號鎖定為相同頻率，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充放電的延遲時間，將實時信號與延遲后的信號做與運算，得到一個合適的死區(qū)。死區(qū)時間大小由R8，R8，C10，C11共同決定。如圖參數(shù)，為1.6uS左右。在實際設(shè)計安裝的時候，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)動波形的死區(qū)對稱性。 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)時間發(fā)生器輸出的電平信號，僅有微弱的驅(qū)動能力，我們必須將其輸出功率放大到一定程度才能有效地推動后續(xù)的GDT（門極驅(qū)動變壓器）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。有人會問設(shè)計兩級圖騰是否多余，我開始也這么認(rèn)為，試驗時單用一級 TIP41，TIP42為圖騰輸出，測試后發(fā)現(xiàn)高電平平頂斜降帶載后比較嚴(yán)重，分析為此型號晶體管的hFE過低引起，增加前級8050/8550推動后，平頂斜降消失。 GDT門極驅(qū)動電路： 
 

 

 

上圖為MOSFET的門極驅(qū)動電路，采用GDT驅(qū)動的好處就是即便驅(qū)動級出問題，也不可能出現(xiàn)共態(tài)導(dǎo)通激勵電平。 
留適當(dāng)?shù)乃绤^(qū)時間，這個電路死區(qū)大到1.6uS。而且MOSFET開關(guān)迅速，沒有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)動信號，從GDT板的J1，J4接口輸入，經(jīng)過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的振蕩Q值，起到減少過沖和振鈴的作用。從脈沖變壓器輸出的±15V的浮地脈沖，通過R1-R4限流緩沖（延長對Cgs的充電時間，減緩開通斜率）后，齊納二極管ZD1-ZD8對脈沖進(jìn)行雙向鉗位，最后經(jīng)由J2，J3，J5，J6端子輸出到四個MOS管的GS極。這里因為關(guān)斷期間為 -15V電壓，即便有少量的電平抖動也不會使MOS管異常開通，造成共態(tài)導(dǎo)通。注意，J2，J3用以驅(qū)動一個對角的MOS管，J5，J6用于驅(qū)動另一個對角的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)動板高度，這里采用4只脈沖變壓器分別對4支管子進(jìn)行驅(qū)動。脈沖變壓器T1- T4均采用EE19磁芯，不開氣隙，初級次級均用0.33mm漆包線繞制30T，為提高繞組間耐壓起見，并未采用雙線并繞。而是先繞初級，用耐高溫膠帶3 層絕緣后再繞次級，采用密繞方式，注意圖中+，-號表示的同名端。C1-C4均采用CBB無極性電容。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)過自耦調(diào)壓器后從J2輸入，經(jīng)過B1全波整流后送入C1-C4進(jìn)行濾波。為了在MOS橋開關(guān)期間，保持母線電壓恒定（恒壓源），故沒有加入濾波電感。C1，C2為ＭＫＰ電容，主要作用為全橋鉗位過程期間的逆向突波吸收。整流濾波后的脈動直流從 J1輸出。 全橋部分：
 

 

上圖為MOSFET橋電路，結(jié)構(gòu)比較簡單，不再贅述。強(qiáng)調(diào)一下，各個MOS管的GS極到GDT板之間的引線，盡可能一樣長，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：開關(guān)時間小于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以及感應(yīng)線圈部分，在滿功率輸出時，流經(jīng)的電流達(dá)到500A之巨，如果沒有強(qiáng)有力的冷卻措施，將在短時間內(nèi)過熱燒毀。 
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，雙絞線長度小于10cm。
 

 

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

1. PLL板整體功能檢測。電路組裝好后，先斷開高壓電源，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四個MOS管的GS電壓，看是否滿足相位和幅度要求。對角的波形同相，同一臂的波形反相。幅度為±15V。如果此步驟無問題，進(jìn)行下一步。如果波形相位異常，檢測雙絞線連接是否有誤。 

2.死區(qū)時間對稱性調(diào)整。用示波器監(jiān)測同一臂的兩個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MOS的GS電壓的高電平寬度基本一致即可。死區(qū)時間差異過大的話，容易造成在振蕩的前幾個周期內(nèi)，就造成磁芯的累計偏磁而發(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，能獲得最大的跟蹤捕捉范圍，因此有必要進(jìn)行一個調(diào)整。槽路部分S1切換到上方觸點，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。通過自耦調(diào)壓器將高壓輸入調(diào)節(jié)在30VAC。用萬用表交流電流檔監(jiān)測高壓輸入電流，同時用示波器監(jiān)測槽路部分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，電流表的示數(shù)也為最大值。這時諧振頻率與VCO中心頻率基本相等。 諧振時的波形如下圖，電流波形標(biāo)準(zhǔn)正弦波，與驅(qū)動波形滯后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)測槽路部分J3接口電壓波形形狀和頻率。此時用改錐在±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，這時因為有較大的等效負(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，用示波器同時監(jiān)測槽路部分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)動電壓波形，此時全橋負(fù)載呈弱感性，并進(jìn)入ZVS狀態(tài)。
 
6.工件加熱測試，上述步驟均成功后，即可開始加熱工件。先放入工件，用萬用表電流檔監(jiān)測高壓電流。緩慢提升自耦調(diào)壓器輸出電壓，可以看到工件開始發(fā)熱，應(yīng)保證 220VAC高壓下，電流小于15A。這時功率達(dá)到2500W。當(dāng)加熱體積較大的工件時，因為等效阻抗大，須將槽路部分S1切換至下方觸點。 至此，整個感應(yīng)加熱電路調(diào)試完畢。開始感受高溫體驗吧。