4000W超高频感应加热电源方案分享之系统设计

超高频感应加热电源目前已经被广泛的应用到工业加工和制造领域中，其本身具有的环保、高效、低功耗等特点，也让超高频感应加热电源的技术革新速度逐渐加快。在今明两天的方案分享中，我们将会为大家分享一种4000W的超高频感应加热电源设计方案，今天我们将会首先就这一方案的系统设计和提高频率的关键技术及实现方法进行简述。

主系统设计

在本方案中，我们所设计的这一超高频感应加热电源设备的功率可达到4000W，为达到这一设计目的，我们所设计的设备系统框图如下图图1所示。该系统主要由不控整流电路、滤波电路、全桥逆变电路、高频变压器隔离、调节器、锁相环和驱动电路7个部分组成。

图1 超高频感应加热设备系统框图

在不控整流部分的设计中，我们主要采用不控整流将市电交流变为不可调的直流。为了简化电路这里没有采用直流斩波或可控硅移相，而是采用调整失谐的方法来调整功率。滤波电路的设计同样是必不可少的，由于电压源逆变谐振一般采用电容滤波，因此为了进一步减小体积，这里采用了电感。为防止电流冲击，在电路中设置了延迟环节。

为满足这一超高频感应加热电源1MHz的工作频率要求，在全桥逆变电路的设计过程中我们选择采用快速V2MOS场效应管。鉴于单管电流容量的限制，在满足耐压的前提下，采用了多管并联方式以满足输出功率的要求。

在高频变压器隔离的设计过程中，考虑到在感应加热设备的系统中其串联谐振一般Q值较大，谐振电压达千伏以上，因此该系统需采用变压器隔离，同时变压器起阻抗匹配作用。在频率为1MHz的条件下，变压器磁芯选用高频铁氧体磁芯。在闭环反馈系统，采用PI调节器，做到无静差并能快速跟踪。

在这一4000W超高频感应加热电源的应用过程中，由于需要加热的工件的大小、形状不同，而且工件温度变化过程中频率也随时变化，这也就要求逆变频率跟随谐振频率变化，并且相位一致。通过对多种方案的比较，确定采用锁相技术，以准确跟随谐振频率的变化和控制相位。超高频感应加热设备频率高达1MHz，采用脉冲变压器完成驱动电路的设计能满足如此高的速度要求。

提高频率的关键技术及实现方式

为了达到这一超高频感应加热电源4000W、1MHz的工作要求，我们必须采用一些必要的技术改良措施，以此来实现频率大幅提高。在本方案中我们所采用的主要关键技术包括提高V2MOS场效应管的开关速度、双环分段式高频变压器设计等。下面我们来分别进行介绍。

提高V2MOS场效应管的开关速度

为了进一步提升V2MOS场效应管的开关速度，在本方案中我们采用降栅压的方法，这一设置能够使开关速度提高2倍以上。栅压降得过低则不能保证管子完全导通，因此设计了一套栅压监控电路，在保证器件充分导通的前提下，又使器件不进入过饱和区，做到最佳开关状态是本方法的核心。

双环分段式高频变压器的设计

在超高频的感应加热电源设计过程中，隔离变压器的设计从理论到工艺都是难度最大的，也同样是本方案难度最大的部分。串联谐振属于电压谐振，谐振电压为电阻电压的Q倍。随着谐振频率的提高，为保证输出足够功率，因此Q值的选取必须保证足够大，一般需要达到15～20左右。因此，隔离变压器原边的电压和谐振电容电压很高（本设备实测为3500V左右），而在体积较小的磁芯上保证几千伏绝缘是难以实现的。

在本方案中，为了兼顾体积和高压二者的设计要求，我们采用的是一种特殊的变压器结构，即双环分段式高压变压器。采用的环形磁芯无气隙、漏磁小，因此相同匝数的线圈，励磁电流小、损耗小。同时，为使次级与原级耦合良好，且考虑到次级的大电流，工艺上要求必须单匝次级，所以选用双磁环。绕线方法采取三段式，公共部分绕制三分之一匝数，该三分之一匝数的磁通为两磁环磁通之和，剩余的三分之二匝数平均分给左右两磁环，这样匝间电压大大降低。虽然首末电压很高，但距离加大了，所以该结构对绝缘的要求得到降低。

以上就是本文针对一种4000W超高频感应加热电源的系统设计所进行的简析和介绍，明天我们将会重点进行这一方案中的驱动电路设计总结和分析，欢迎大家继续关注。