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试制感应加热电路及NE555的ZCS软开关应用

正文#
更多 发布于:2014-10-21 05:28
试制感应加热-NE555的ZCS软开关应用
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感应加热需要很大幅度变化的交变磁场
如果仅仅是将方波电压加在电感上
锯齿波电流的变化是有限的
一味的减小电感量 会造成磁场强度的降低
所以必须通过加大电压来达到更大的输入电流
这样就给电源转换带来更大的负担  

同时电压和电流波形之间存在一个90°的相位差
将会使有效功率非常的低 也就是俗称的功率因数cosψ
ψ的大小就是电压电流波形之间的相位差
一个系统的交流功率因数就是这样衡量的

为此 加上一个电容可以使得与电感的交流电路中的作用相抵消
电容器在交流电路中和电感的作用恰恰相反
在数学意义上也分别代表积分和微分
是一对互补的原件

所以可以选择通过并联适当容量的电容器
使得回路发生谐振 从而给电流波形创造过零切断/导通的机会
由于我使用的是半桥拓扑 属于恒压源驱动方式
故此选择电感和电容串联来作为谐振拓扑
电路图如下:

图片:22__3c4cc1a70762c41.png

图片:22__c28f27aaf903ccc.png


在MOSFET两端加上快恢复二极管 来实现工作在微感性状态下谐振电路的续流
在MOSFET的GS两端加上稳压二极管对 能有效箝位栅极驱动变压器的漏感给输出驱动信号带来的尖峰 在MOSFET的驱动中 我们最好把它控制在+-20V范围内
在阻尼电阻两端反向并联一个快恢复二极管 可以减少MOSFET的电流拖尾 加快开关速度
在桥输入两端并联上优质的5μF BM无感电容可以有效吸收电源两端母线电感带来的尖峰

图片:22__6404e958cf3dc02.png


串联谐振电路由电流互感器和加热线圈与TANK电容组成

图片:22__184998b1fbad492.png


在这里我实验用的参数是:
L=20μH L2=33μH
L空心线圈电感量 L2加入加热物件电感量(实际会随着物体温度变化而变化)
使用铝芯线绕制(条件限制 实际使用发热非常大)
C=200.0nF
C使用正品BM1200V 0.3μF电磁炉电容 三串二并组成耐压3600V 容量200nF的电容组
作为槽路谐振电容 由于要承受巨大的槽路电流 必须要求品质非常好
电流互感器TR1 把槽路电流的变化转换为电压信号 反馈回控制电路 供频率追踪电路鉴相
频率追踪电路将输出信号与电流互感器信号做对比
改变输出频率以使得电压电流相位不断减小 最后使得电路发生谐振
达成零点流开关(ZCS)工作模式



控制电路:

控制电路一般需要有提供驱动功率电路的能力
同时能够在电路参数发生改变的时候 追踪电路的频率变化
在这里 我尝试了一种全新的工作电路
完全是全新的自创的电路 在这里把NE555接成振荡器
占空比输出调到0.5 以驱动半桥拓扑
NE555本来就可以接成斯密特触发器使用
可以看以下链接来熟悉NE555:
http://www.dz3w.com/info/digital/121348.html
但是如果仅仅是作为斯密特触发器 工作难免不稳定
所以我想到是否能用NE555组成RC震荡器 从电路的Pin2 Pin6输入反馈信号
来实现输入和输出信号的同频
实际上这个想法在proteus ISIS里得到了验证
请大家看如下仿真结果:
用NE555接成振荡器 Pin2 Pin6输入同步信号

图片:22__27ab9e41123c34c.png


输入信号用74HC14斯密特反相做反相
接上示波器 然后开仿真 输入信号竟然能不受到RC频率的干扰
直接从Pin3输出与进入信号同频同相的方波信号
 

图片:22__08e9a37900b4e16.png


同时在实验过程中发现输入信号的高电平必须超过3.4V
否则电路将会停止工作 Pin3持续输出低电平0V

为了验证理论的正确
我做了两组对照试验
同样两组电路 一个有信号输入 一个没有 其他电路参数全部相同

图片:22__adcb61c5f730a01.jpg

图片:22__f28b43ace16b4d8.jpg


在两个示波器波形中可以很明显的看到Pin3输出信号
和信号源提供的信号严格同步 不受到RC的干扰
这样一来
就能够使得反馈信号断掉之后
电路还能硬性启动 而不会停止工作
这对如SSTC等天线反馈的东西来说 非常受用

既然有了理论支持
那么我就依次设计了一个驱动电路
基本方式是利用两个NPN PNP三极管 TIP41/2
和一个.68μF电容结成不对称半桥 (也可叫BJT接法)
来推动栅极驱动变压器Gate driver transformer
原理图如下(实际电路有改动):

图片:22__41dc96e3bcb64e0.png



对应输出端子A1/2 B1/2分别用双绞线连接到半桥上A1/2 B1/2端子
使用双绞线的原因是为了减小栅极干扰 避免MOSFET意外开关
同时驱动线越短越好 这是为了减小寄生电感
实际电流互感器我在这里用了磁环套在槽路上来实现
同时要经过阻抗变换电路
实际制作过程中 发现反馈信号输入到Pin2 Pin6 内阻抗非常重要
就算是Kohm级别 都会影响到电路的正常工作
在这里 大家就要想办法做一个阻抗匹配啦
我在使用了一个1M的电阻来减小对电位的下拉 但这并不是最好的

至此 电路部分完毕


加热物品是一个铁咖啡罐
初始温度32.7°C

图片:22__a045537a0656222.jpg


加热短短十几秒
铁罐温度飙升到272.8°C
 

图片:22__593627708ee46f3.jpg


铁罐冒出油漆被烧焦后的青烟
焊锡接触罐体表面 能够被融化

由于加热线圈我选择了铝线绕制
电阻非常大 发热也很严重
在罐体被加热之后 线圈温度也到了76.2°C

图片:22__42e5d76101e5cba.jpg


此时线圈已经开始松动
塑料包皮已经软化掉了
如果继续通电 线圈将会被烧毁 所以也就没再试验下去


图片:22__5181d07fc8c5d69.png


这是槽路电流的波形
互感器规格为1:20
次级电流为0.7A
测得Ipeak=14A

全文完
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