当前位置：首页 > news >正文

5.高频加热的原理与常用集成电路介绍

news 来源：原创 2025/8/3 11:14:09

一、高频加热的类型

利用高频电源加热通常由两种方法：电介质加热（被加热物体绝缘）与感应加热（被加热物体导电），详细解释如下：

电介质加热（利用高频电压的高频电场导致物体自身分子摩擦发热）

绝缘的材料置于变化的电场中时，通过材料本身的介电损耗使其发热的过程，称为电介质加热，电介质加热能够从内部对被加热物体(绝缘体)均匀加热。

高频电压加到两极极板层上，在两极之间产生交变的电场。加热物体处于这个电场中，其内的极分子随着电场做同频率的旋转或者振动，从而产生热量，达到加热效果。示意图如下：

2.感应加热（利用高频电流产生交变磁场）

通过把高频大电流流向被绕制成环状或其它形状的加热线圈，由此在线圈内产生极性瞬间变化的强磁场，将金属等被加热物体放置在线圈内，磁束就会贯通整个被加热物体，在被加热物体的内部与便会产生相对应的很大涡电流。由于电阻的存在，所以会产生很多的焦耳热(Q=I2R)，使物体自身的温度迅速上升。感应加热需三个条件：

A.产生高频交流电流流经线圈,产生交变感应磁场

B.交变磁场在被加热金属物体中产生交变涡流

C.涡流产生焦耳热加热物体。由于交变电流的趋肤效应，交变电流集中于物体表层，因此物体表层温度升温快。频率越高，电流就越集肤在金属表面

名词解释：趋肤效应：当导体中有交流电或者交变电磁场时，导体内部的电流分布不均匀，电流集中在导体的“皮肤”部分，也就是说电流集中在导体外表的薄层，越靠近导体表面，电流密度越大，导体内部实际上电流较小。

二、高频加热的用途

淬火：将工件加热到一定温度后再次快速冷却下来，增加工件的硬度和耐磨性。

熔炼：比如中频感应熔炼炉

钎焊：将钎焊料加热到融化温度而使两个或几个零件连接在一起。

三、感应加热电源的组成

整流电路（50HZ的交流变直流）、逆变器（直流变成高频的交流电）、控制与保护电路组成。

四、逆变器的工作原理

4.1 逆变器的基本原理

如下图所示，开关S1,S4闭合时，电压uo 方向从左到右。开关S3,S2闭合时，电压uo 方向从右到左。开关频率越高，那么电压uo的切换频率也越高。这就是逆变，即把直流变成高频交流的基本原理。

如果负载是纯电阻（R）的，那么电压与电流是波形相同，相位相同；如果负载是阻感性的(R+L)，那么由于电感电流不能突变，电流io相位滞后于uo，下图所示：

4.1.1 输出电压的调节方法：

可以把开关开的时间缩短（即占空比缩小，即S1S4关断后过一会S2S3才通），这样平均起来电压就变低了。

4.1.2 高频开关器件：

可以采用IGBT，MOSFET，GTO，GTR作为开关器件。比如英飞凌FF300R12KS4的IGBT模块上升时间+下降时间<1us,即理论上开关频率很高1000K/s.

4.1.3 占空比调节芯片：

SG3525是电流控制型PWM控制器，可以接反馈电流来调节脉宽的。或者直接用管脚9的电压来控制占空比：（0.9-3.3 V 对应占空比0-49）.

SG3525 是一种性能优良、功能齐全和通用性强的单片集成PWM控制芯片，它简单可靠及使用方便灵活，输出驱动为推拉输出形式，增加了驱动能力；内部含有欠压锁定电路、软启动控制电路、PWM锁存器，有过流保护功能，频率可调，同时能限制最大占空比。

4.2 逆变器的分类以及实际实现方式

按相数：单相，三相

按直流电源特性分类：电压型逆变器、电流型逆变器。

根据电路结构：单相半桥，单相全桥，推挽逆变，三相桥变。

按换流方式：全控型开关器件换流逆变器、负载谐振式换流逆变器、强迫换流逆变器。

4.2.1电压型逆变器（使用最广泛）特点：

1).输入侧有一个大电容，输入电压稳定。

2).桥臂不可直通，否则输入电压源将被短路。

3).应用比较广泛。

电压型逆变器电流型逆变器

4.2.2 电流型逆变器的特点：

1).输入侧有大电感，因此输入电流稳定

2).桥臂可直通（即输出可短路），但是不能开路（否则电流没地方去）

3).目前应用少。因为电感储能密度小，导致体积大且笨重。且电感自身损耗也比电容大。

4.2.3 半桥和全桥电路

4.3: 谐振

将逆变频率设定在负载调谐频率附近，可获得正弦曲线的电流输出。

调谐方式有两种：

串联谐振式逆变电路：

并联谐振式逆变电路

五．网络上一些分享的电路

5.1 案例1 电压型串联谐振式逆变电路

图1 逆变

图2 驱动及保护电路的原理图

图1中高频电流互感器TA对谐振电流进行采样，该采样电流信号经图2中的快恢复二极管V5~V8的全桥整流、电容C4的滤波、电阻Rl3和R15的分压，在过二极管V9加到SG3525A的引脚10（强制关断端）上，起到电流保护作用。电容器C4滤波后的电流信号，再经过电容C5的滤波、RP和R16的分压送至SG3525A的引脚l（误差放大器反相信号输入端），调节电位器RP，可调节输出功率和控制加热速度。SG3525A是PWM控制集成电路，输出电流大于200mA，输出脉冲电流可达土500mA，可以直接驱动IGBT。输出PWM脉冲信号频率最高可达500kHz。具有软启动功能

整机采用自然冷却，为了降低空载时的功耗，在系统中增加一个检测被加热件是否通过加热线圈的检测电路。当没有被加热件通过加热线圈时，继电器K的常闭触点闭合，SG3525A引脚16（基准电压端）输出的5V电压加到引脚10，PWM锁存器关断，主电路输出关断。当被加热件从加热线圈内通过时，检测电路输出信号将继电器K的常闭触点打开，SG3525A引脚16的5V电压不再加到引脚10，PWM锁存器去锁，系统处于加热状态

5.2 案例2 电流型并联谐振式逆变电路

5.3 案例3 半桥串联逆变器

【附录1】串联、并联谐振的介绍

1.什么是谐振、谐振？

在某一特定频率下，U与I达到同相位，称为谐振。

2.串联谐振

整体阻抗：Z= R+jwL+1/jwC = R+ j(wL - 1/wC)

当时，整体阻抗Z=R最小。此时电流最大，谐振的频率是电路自身参数决定的，称为电路的固有震荡频率。

I = U/Z = U/R. 电阻R上电压就是U。

而电感上的电压大小为： ,

若C=150pF, L=250mH, R=20. 那么UL = 65U. 可见电感上的电压是输入电压的65倍。

这就是收音机利用谐振从不同频段的信号源中选择所需要频率(即与谐振频率相同)的信号的原理。

3.并联谐振

当，整体阻抗Z最大,Z=R，同电压时电流最小，

若电阻上电流为，即电感上的电流是电阻上电流的R/wL倍。

在并联谐振电路中，电路的总电流最小（=电阻上的电流），而支路的电流往往大于电路的总电流，因此并联谐振也称为电流谐振

【附录2】高频焊接中常用的芯片

IGBT

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）绝缘栅双极晶体管。可用于多种类型的电子器件中实现高效率的快速开关。IGBT的典型符号及其图像如下所示

IGBT结合了晶体管的低饱和电压和MOSFET的高输入阻抗和开关速度。这种组合的结果提供了双极晶体管的输出开关和导通特性，但电压像MOSFET一样被控制。常用的比如Infineon的IGBT: FF300R12KS4: 双通道，300A, 1200V。

IGBT驱动三相电机示意图：

2.谐振电容：MKPR-MT 谐振电容 3uF

应用于电力电子设备中的串/并联谐振；电焊机，电源，感应加热设备等谐振场合。

3.IGBT的控制芯片：SG3525（脉宽可调的集成芯片）

SG3525是电压模式PWM控制器集成电路。它用于市场上大多数逆变器。

它用于为电力电子项目和开关模式电源生成 PWM 信号。它提供反馈电路，通过将反馈信号与参考电压进行比较来控制输出电压。它具有一个保护电路，可根据反馈电流限制关闭 PWM 信号.

可以给定管脚9的电压来控制占空比：（0.9-3.3 V 对应占空比0-49）

1). 1脚、2脚、9脚和16脚。这四个脚主要实现反馈和补偿。
2). 3脚、8脚、10脚是功能引脚。
3). 4脚、5脚、6脚、7脚决定了输出PWM波形的频率。频率的计算公式为：f=1/(CT*(0.7RT+3RD))
4). 12脚、13脚和15脚是电源脚和地脚。
5). 11脚和14脚是输出脚。

1脚和2脚分别是芯片内部误差放大器的反相输入端和同向输入端。当1脚电压比2脚电压低时，输出的PWM占空比增加；反之减小。

3脚用于同步两个波形。

4脚是芯片内部振荡器的输出脚，可用于判断频率是否设置正确。

5脚、6脚和7脚共同决定了输出PWM的频率，频率的计算公式为：f=1/(CT*(0.7RT+3RD))

8脚是软起动脚。连接该脚的电容容值越大，软起动的时间越长。

9脚是补偿脚，连接芯片内部误差放大器的输出。通过该脚对反馈网络进行补偿，可以减小负载变化或者芯片电源波动时输出PWM的电平的波形。

10脚是关闭脚。该脚接地时芯片正常工作，该脚接高电平时芯片将保持在关闭模式。可接保护电路。

11脚和14脚是PWM输出脚。

12脚是地脚。

13脚是图腾柱输出的电源脚，决定了输出PWM的高电平。

15脚是芯片电源脚。

16脚是芯片输出的5.1V参考电源脚。可作为误差放大器的基准电源，也可以作为关闭脚的电源

4.过零触发双硅输出光耦MOC3061：

由发光二极管+双向可控硅组成的光电耦合器。零交叉可用于控制端与交流240V下电感负载电路间的隔离。

用于红绿灯、电磁阀、电机控制器等的控制。

输出电流0.5A。输出端电压600V。

5.6N137 高速光耦合器

6N137光耦合器是一款用于单通道的高速光耦合器，其内部有一个850nm波长AlGaAsLED和一个集成检测器组成，其检测器由一个光敏二极管、高增益线性运放及一个肖特基钳位的集电极开路的三极管组成。具有温度、电流和电压补偿功能，高的输入输出隔离，LSTTL/TTL兼容，高速(典型为10MBd)，5mA的极小输入电流.

LM339N：

LM339类似于增益不可调的运算放大器。每个比较器有两个输入端和一个输出端

它是四电压比较器，用于电磁炉的保护控制电路，比如温度保护、电压、电流检测等等

两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，因此，把LM339用在弱信号检测等场合是比较理想的

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

在电路中，比较输出为

如果V1> V2，则Vo = VCC

如果V2> V1，则Vo = 0V或GND

7.NE555P:

NE555P芯片是一种多功能集成电路芯片，可用于各种电子设备中。它的基本工作原理是在电容和电阻组成的RC电路上产生周期性的脉冲，从而实现定时器、脉冲发生器、振荡器等功能

1	GND：接地端口，连接到电源的负极或地线上
2	TRIG：触发输入端口，当此引脚电压降至1/3Vcc时，输出端为高电平
3	OUT：输出端口，输出VCC或者0V。
4	RESET：重置输入端口，当输入低电平时复位，此时输出低电平
5	CTRL：控制端口，可通过外部电阻或电容进行调节此引脚接空时，默认阈值为1/3vcc与2/3VCC
6	THRS：比较器正极输入端口，通过它来设置计时周期
7	DIS：放电，用于给电容放电
8	VCC：电源正极输入端口，可接受电压范围为4.5V~15V

2 TR	THRS	输出
<1/3Vcc	<2/3Vcc	高电平
>1/3Vcc	<2/3Vcc	不变
>1/3Vcc	>2/3Vcc	低电平	放电导通

8.4558D:

4558d芯片是一种双运放集成电路，由日本NEC公司生产。它是一种广泛使用的通用型芯片，在音频设备中得到了广泛应用。本文将介绍4558d芯片的功能和电压规格.

4558d芯片具有两个独立的高增益运放器：

9.MC14568B:

MC14566B工业时基发生器采用MOS P沟道和N沟道增强型器件在单片结构中构建。该设备由一个除以10的波纹计数器和一个除以5或除以6的波纹计数器组成，以允许从50或60 Hz的线路进行稳定的时间生成。通过将该设备级联为除以60的计数器，可以计算秒和分钟，并在电路输出端以BCD格式提供。内置单稳多谐振荡器，其输出可用作复位或时钟脉冲，提供额外的频率灵活性。此外，还包括一个引脚，允许除以5 P SUFFIX PLASTIC CASE 648计数，从欧洲50 Hz线路产生1.0 Hz.

【附录3】SPWM基本原理

当占空比按照正弦变化时，脉冲面积也将按照正弦规律变化，输出为正弦波。

4.过零触发双硅输出光耦MOC3061：

相关文章：