基于ZVS技术的感应加热电源的设计

贵州民族大学工程技术人才实践训练中心 贺天鹏 聂思敏 李学林 郑泽鸿

0 引言

至今，金属加工的方式有三种，分别是感应加热法、电阻加热法和直接加热法，三种方式综合比较后，感应加热有着明显的优势，优点在于其控制灵敏、加热速度快、体积小、效率高，还有一个更加独特的优点，就是采用非接触加热方式，使得其噪音小和粉尘小的特点[1]。感应加热电源根据半导体的发展和使用场合，主要往大容量、高频化、高功率因素和智能化方向发展，其基本原理就是电磁感应原理，将工件置于感应线圈内，线圈两端接入交流电，在线圈内部产生交变磁场，交变磁场通过工件，使得工件产生涡流，因工件本身的阻尼作用使其产生大量的热量[1]。本文介绍的内容是以基于ZVS技术，设计一款直流电压输入24V的感应加热电源，通过阐述电路的运行过程和工作原理，最后通过实验验证此电路的正确性和可行性。

1 ZVS技术简介

电路开关管控制一般采用PWM控制方式，由于开关管是理想器件，在开通时开关管电压不能立即下降到零，同时它的电流也不能立即上升到负载电流，在这段时间里电压与电流就有一个交叠区，产生损耗，我们称之为开通损耗[2]，在开关管关闭时，同样也会产生一个关断损耗[3]，开通损耗和关断损耗通称开关损耗，并且开关损耗与开关频率成正比[4]，频率越高损耗也高，损耗越大，所以我们提出ZVS（Zero Voltage Switch缩写）技术即零电压开关技术。

ZVS技术指在开关管两端并联电容，能延缓开关管关断后电压上升速率，从而降低开关管的关断损耗，整个过程主要依靠电路中的谐振Lr来实现。如图1所示，谐振电容Cr与开关管S并联，整流二极管VD与谐振电感串联[5]，开关管S在零电压时闭合和断开，谐振开关工作在半波模式。

图1 ZVS准谐振开关电路

2 电路设计及分析

2.1 主要元器件说明

基于ZVS技术的感应加热器电路如图2所示，DC1为直流电压输入端，输入直流电压24V；L1、L2为扼流电感；Q2、Q5为型号为S8050的NPN三极管；Q3、Q6为型号为S8550的PNP三极管；R1、R3为1/4W金属膜电阻，阻值为1K欧姆；R2、R4为1/2W金属膜电阻，阻值为5.1K欧姆；D3、D5为IN4742型稳压管的Vzmin为11.4V，Vzmax则为12.6V；D2、D4为快速恢复二极管FR107；Q1、Q4为IRFP260N型N沟道场效应管，漏极/源极击穿电压200 V，漏极连续电流50 A；Q7为IRF3205型N沟道场效应管，漏极/源极击穿电压55 V，漏极连续电流98 A；DC2为直流输出12V的辅助电源。

图2 感应加热器电路图

2.2 电路工作原理分析

当DC1端输入直流电压24V电源，DC2端输入直流电压12V时，当开关S2闭合，由Q2Q3和Q5Q6分别组成的两对互补推挽电路获得启动电压，再经过D3、D4稳压二极管，让电压钳位在12V，分别送入Q1、Q4的GS极，使得两个MOS管同时导通，由于两个MOS管的GS钳位电压的离散性和MOS管本身跨导参数的离散性的差异，导致上电瞬间流经Q1、Q4的电流不同，假设Q1电流大于Q4，此时电流从b点流向a点，那么b点电位大于a点电位，Q1导通时a点近似接地，D4导通，Q5截止，Q6导通，将Q4栅极电位强行拉低，Q4失去栅极电压而截止，形成正反馈，MOS管Q1完全导通，MOS管Q4完全截止，完成启动过程；当L3磁饱和时，电容C1上瞬间的大电流流经L3，在Q1的导通电阻上形成叠加，使得a点的电压升高，D4截止，Q4导通，b点近似接地，D2导通，Q1栅极电位强行拉低，Q1失去栅极电压而截止，周而复始，MOS管在VDS= 0V的情况下导通，这就是零电压开关技术。

3 实验及结果分析

使用Multisim 13电路仿真软件中对电路进行仿真测试，如图3所示，分别实使用虚拟四通道示波器-SXC1同时采集MOS管Q1、Q6的栅极的电压波形图，使用虚拟四通道示波器-SXC2同时采集L3两端的波形，使用虚拟四通道示波器-SXC3同时采集MOS管Q1、Q6的栅极的电压波形图，启动仿真软件电路仿真按钮，分别测得D2、D4的波形和L3两端的波形如图4所示。

图3 仿真电路

图4 电路仿真波形

由图4中左图的波形图可以看得出，当D2导通时，三极管Q3导通接地，MOS管栅极电压被强行拉低，使得MOS管Q1导通，如图4中图所示，此时对管Q6便处于截止状态；从图4右图的L3两端的波形知道，在L3中产生45.7KHz正弦波，将C1、L3的仿真值带入LC振荡频率计算公式：

计算结果为45.977KHz，与等于仿真测量到的频率值。

4 结论

通过Multisim仿真软件的仿真结果进行分析，开关管在源漏极的电压为0才导通，使得ZVS技术能够解决开关管的开关损耗问题，在感应加热电源趋于高频化的发展趋势下，ZVS技术是一个能解决开关管能耗有效方案。ZVS技术会使谐振电压大于2倍输入电压，开关管 的耐压值也要相应增加，这样会增加电路的成本，降低电路的可靠性。

[1]刘超．基于TMS320F28335的感应加热式电源[D]．安徽工业大学,2017．

[2]朱军．零电流转换移相全桥直流变换器研究[D]．重庆大学,2008．

[3]凌飞．高频无极灯谐振逆变器建模与谐振环参数设计[D]．东北大学,2011．

[4]陈亚非．一种应用于雷达系统的高压大功率电源及控保系统的研制与PSPICE仿真[D]．山东大学,2006．

[5]陈炜．用于高气压辉光放电的全桥软开关电源的研究[D]．华中科技大学,2006．