想用压电陶瓷产生超声波，但是把压电陶瓷片直接接在信号发生器上却发不出超声波，是不是还需要驱动电路

电路不是很懂，仅供参考，不求分。

这是一个由基极引出光耦控制的N沟道增强型集成稳压管的场管进行开关控制的电路，本图中用于控制制冷片的功率（你的图上看上去像是耗尽型，查资料确定是增强型）。

光耦是东芝公司生产的一种通用光耦，八脚封装，常用与晶体管电压逆变，IGBT栅极驱动，MOS管驱动等，正向电流直流20毫安。

场管是通用型100V28A150W，V型槽MOS场效应管。

增强型的场管一般呈关闭状态，栅极施加一定电压后源极与漏极间开通允许电流流过。

C1C2滤波，一般是一个电解电容一个是瓷片电容，一般取电解电容10uF，瓷片电容取0.01uF。

R1限流防止光耦损坏，根据输入电压和光耦最大电流计算安全阻值。

电感用于蓄电，在场管断开之后释放存储的电量，二极管用于消除电感断电后的反向电动势避免产生高压击穿场管。

电感的电感量和功率要根据半导体制冷片的功耗选择，本图应该是功率电感，厂家的手册上写的是7.5nH电感量。

压电陶瓷在直流电压下发生电致伸缩时不会有电流流过，而在交变电场（电压）作用下发生电致伸缩时只会有很微小的电流流过它的正负极间，因为压电陶瓷的输入电阻极高，完全就是个绝缘体，但是它的两极之间镀有导电层，因此存在一个容量不大的平板电容，如果外加电压是交变的，会有很微小的交流电流通过这个电容流过。

单片机的基本外围电路：

复位电路中电阻R1=10k时RST是高电平 ，而当R1=50时RST为低电平，很明显R1=10k时是错误的，单片机一直处在复位状态时根本无法工作。

出现这样的原因是由于RST引脚内含三极管，即便在截止状态时也会有少量截止电流，当R取的非常大时，微弱的截止电流通过就产生了高电平。

滤波电容

滤波电容分为高频滤波电容和低频滤波电容。

1、高频滤波电容一般用104容（0.1uF），目的是短路高频分量，保护器件免受高频干扰。普通的IC（集成）器件的电源与地之间都要加，去除高频干扰（空气静电）。

2、低频滤波电容一般用电解电容（100uF），目的是去除低频纹波，存储一部分能量，稳定电源。大多接在电源接口处，大功率元器件旁边，如：USB借口，步进电机、1602背光显示。耐压值至少高于系统最高电压的2倍。

，外电路还有迟滞和蠕变现象。而驱动电源一般可分为电荷控制型和电压控制型。电荷控制型驱动电源基于电容器充电的原理（对外加电压而言，每个压电陶瓷片相当于一只平行板电容器），可以改善压电陶瓷的迟滞和蠕变。电压控制型驱动电源主要有以下两种形式：一种是基于DC/DC变换器原理的开关式驱动电源，其体积小、效率高，但电源输出纹波较大，频响范围也较窄；另一种是直流放大电源，频响范围宽。

下面我发一份关于压电陶瓷驱动电源的文章，供你参考！

近年来国内对静态压电陶瓷驱动电源的研制取得了一定的进展，但大部分压电陶瓷驱动电源都是由分立性器件组成，结构较复杂，而且容易产生自激振荡，对电源的稳定性会产生影响。而采用高压运放的驱动电源，分辨率能达到mV级，输出纹波较小，不仅提高了电路集成度，而且可靠性也得到加强，因此可用于驱动压电陶瓷致动器。

压电陶瓷致动器驱动电源

1、压电陶瓷致动器对驱动电源的要求

压电陶瓷致动器的驱动电源应具有如下特点：

（1）压电陶瓷致动器的位移输出对外加驱动控制电压的响应速度，主要取决于驱动电源驱动电流的大小，因此驱动电源应具有较大的驱动电流，一般不应小于150mA；

（2）驱动电源的输出控制电压连续可调，对国产压电陶瓷致动器PTBS200系列而言，要求驱动电源输出电压为直流0～200V，连续可调；

（3）为适应高频响应的要求，驱动电源中应具有供容性负载快速放电的回路；

（4）由于压电陶瓷致动器主要应用于微纳米技术领域，所以驱动电源应具有良好的稳定性，其输出纹波电压应控制在很小的范围内；

（5）为实现位移的自动控制，驱动电源最好采用计算机控制。

压电陶瓷致动器外电路是一个容性负载，并有迟滞和蠕变现象。而驱动电源一般可分为电荷控制型和电压控制型。电荷控制型驱动电源基于电容器充电的原理（对外加电压而言，每个压电陶瓷片相当于一只平行板电容器），可以改善压电陶瓷的迟滞和蠕变。电压控制型驱动电源主要有以下两种形式：一种是基于DC/DC变换器原理的开关式驱动电源，其体积小、效率高，但电源输出纹波较大，频响范围也较窄；另一种是直流放大电源，频响范围宽，从发展趋势来看，其应用前景广阔。

2、驱动电源的设计

根据压电陶瓷致动器对其驱动电源的要求，本设计中的电源采用直流放大式电路。整个电源电路主要由计算机与数据采集卡、运算放大电路和高压电路等几部分组成。高压电路提供220V的直流电压，计算机通过LabView8.5控制数据采集卡产生一定的输出波形，得到0～5V的连续可调控制电压；放大电路实现电压的线性放大和功率放大，输出0～200V连续可调的直流电压，并决定着电源输出电压的分辨率和稳定性，是整个电源的关键。

① 高压电路

由于直流电压的稳定性直接影响驱动电源的稳定性，采用220V输出电压的高压电路，主要部分是将市电交流220V变为+220V直流电压的全桥整流供电电路。

② 波形发生电路

良好的输入波形是电源的关键之一，关系到压电陶瓷的伸缩变化。输入波形信号的频率、幅值可变，信号波形好，畸变小，不仅可以消除压电陶瓷本身的迟滞特性和蠕变特性，也能获得更广泛的应用。由于电压精度要求比较高，使用NI公司的具有16位模拟输入输出的多功能数据采集卡6221将数字量转换成模拟量，输出电压为0～5V，电压分辨率达到5/216，约等于0.076mV。采用LabView 8.5编程可以实现任意波形及缓变直流等输出，灵活性强，能满足各种需要。

③高压放大电路

采用美国APEX公司生产的高压运算放大器PA96和高精度运算放大器OP07串联组成串联负反馈放大电路。PA96是一种高压，大带宽的MOSFET运算放大器，输出电流达到1.5A，输出电压接近300V，安全操作区（SOA）没有二次击穿的限制，通过选择合适的限流电阻，可观察到任何负载下的安全操作曲线。PA96的最大失调电压为5mV，对要求分辨率为10mV以下的压电陶瓷驱动电源，其输入特性不能满足要求。在该电源的线性放大部分采用了PA96和OP07串联的复合放大器，从而使输入失调电压由前置放大器OP07控制。由于复合放大器的输入电压为0～5V，输出电压要求为0～200V，因此复合放大器的放大倍数要求为40。但增益过大会影响运放稳定性，因此选定PA96的闭环放大倍数为31，PA96和OP07串联后共同提供的放大倍数为40。根据放大倍数的分配要求可得：

R1=3kΩ，R2=117Ω，R3=180Ω，R4=6kΩ

由于构成负反馈电路，输出电阻非常小（mΩ级），因此具有很强的带负载能力。R5为限流电阻，其值由公式IL=0.68V/R5=125mA可得，这里为5.4Ω。

3、相位补偿与输出保护

自激现象是影响电源稳定性的一个主要因素。当集成运放的开环增益为一定值时，由于相移过大，电路会产生振荡现象，因此应对集成运放进行相位补偿。通常在输入端和输出端外接补偿元件，进行相位补偿。相位补偿不仅能提高运放的稳定性，还能扩展带宽。电路中PA96一级的闭环放大倍数为31，由此计算出其增益为30，根据PA96的数据资料，确定相位补偿电容值CC=10pF，闭环带宽大约为1MHz。OP07输入端的二极管D1、D2提供差模和共模保护，防止瞬态过压，输出二极管D3、D4可对瞬态过压进行保护，防止瞬态过压损坏OP07的输出。PA96放大器输入端的二极管D5、D6、D7、D8把放大器正负输入端的电压钳位在规定范围内，对运放起保护作用。

一、电磁炉同步电路

1、同步电路图

R78、R51分压产生V3,R74+R75、R52分压产生V4, 在高频电流的一个周期里，在t2~t4时间 (图1),由于C3两端电压为左负右正，

所以V3<V4,V5OFF(V5=0V) 振荡电路V6>V5,V7 OFF(V7=0V)，振荡没有输出,也就没有开关脉冲加至Q1的G极，保证了Q1在t2~t4时间不会导通, 在t4~t6时间，

C3电容两端电压消失，V3>V4, V5上升，振荡有输出,有开关脉冲加至Q1的G极，以上动作过程，保证了加到Q1 G极上的开关脉冲前沿与Q1上产生的VCE脉冲后沿相同步。

二、检测电路

1、 主回路的主谐振电路

高低压保护监测电路——CPU检测输入电压信号后发出动作命令

（1）判别输入的电压是否在充许的范围之内，否则停止加热，并发出报警信号。

（2）判别输入电压是否高电压，根据输出功率是否为低功率（1300W以下），进行升功率，目的是为了减小IBGT在高压小功率时，出现硬导通，即IBGT提前导通，来减小IGBT的温升，

根据高功率（1800W以上），配合炉面传感器是否检测到线盘温升高，如果温升高，可适当的降功率，从而保证线盘不会因为温升高而烧毁。

（3）与电流检测电路形成实际工作功率，CPU智能的计算出功率的大小再与CPU内部设定的功率值作比较，去控制PMW脉宽调制的大小，稳定输出所需各档的大小功率。

（4）通过电流AD配合，保持高压是恒定功率输出。

2、 IGBT驱动电路

作用：保护IGBT可靠导通与关断。

IGBT驱动电压至少需要16V，Q1（PNP管）、Q2（NPN管）组成推挽式驱动电路，它们的工作原理是：

1、当输入信号为高电平时，Q2导通，Q1截止，18VDC电压流通，给IGBT的G极提供门极电压，IGBT导通。线盘开始储能。

2、当输入信号为低电平时，Q2截止，Q1导通，IGBT的G极接地，IGBT关断。此时线盘感应电压对谐电容放电，形成了LC振荡。

3、R6电阻在三极管截止时，把IGBT的G极残余电压快速拉低。C11电容作为高频旁路，另外作为平缓驱动电路波形作用，ZD1稳压管，稳定IGBT的G极电压，预防输入电压过高时，损坏IGBT。

在检锅时，如图2.1所示，波形不是很理想，有点变形。当检到锅工作后，如图2.2所示，控制推挽电路的波形与驱动IGBT波形很相似，功率越大，波形的高电平的宽度越大，

B点的波形底部平，原因是LM339控制的一路内部三极管导通接地。而A点的波形底部比地略高一点。再回到零电压。

此电路容易出现的问题为上电烧机,为驱动电路输出高电平导致,温升高、瓷片电容有问题。

扩展材料：

电磁炉的其它判断电路

一、电流取样电路

作用：判断有无锅具、恒定电流、稳定调节功率提供反馈输入电流

电流互感器T1的次级测得的交流（AC）电压.经D9～D12组成的桥式整流电路整流，EC3电解电容滤波平滑、由电阻R15、RJ41、RJ16分压后，所获得的电流电压送到CPU，该电压越高表示电源输入的电流越大，待机时电流取样基本为零，

如上图所示， 电流越大，A点的电流电压波形幅值越高，B点的取样点就越高，表示功率越大。电容EC3选值时不应太大，如果太大了，会造成电容充放电时间太长，影响读取电流AD时间，从而会导致开机时，功率上升的时间很慢。

VR1电位器作校准功率用，通过VR1电阻的大小，就可以调节B点的输出电压，电阻越小，功率越大，反之就功率越小，一般调节电位器在中间位置。

CPU根据监测电压AD的变化，作出各种动作指令

1、判断是否放入合适的锅具。（锅具是否小于Φ80（或Φ60）、是否有偏锅，电流过小，再判PWM是否最大，两者满足则判为无锅）

2、限定最大电流，在低电压时保证电流恒定或不超过。保护关键器件工作在规格要求范围内，以及防止输入电源线或线路板走线过电流不够造成烧断。

3、配合电压AD取样电路及电调控PWM的脉宽，令输出功率保持稳定。

此电路易出现的现象：功率压死、功率飘移、无功率输出、断续加热。

二、干扰保护电路的电流保护电路

作用：浪涌保护电路，监控输入电网的异常变化，在有异常时，关断IGBT进行保护

1、正常工作时，LM339的1脚内部三极管截止，电阻R19把1脚电压变为高电平，当电源输入端出现大电流时，1脚内部三极管导通，输出低电平，CPU连接的中断口经过二极管D18被拉低，CPU检测到低电平时发出命令，

让IGBT关断，起安全保护作用，此保护属于软件保护，另外还有硬件保护，当1脚内部三极管导通，输出低电平，直接拉低驱动电路的输入电压，从而关断IGBT的G极电压，

保护了IGBT不被击穿，通常要判断是软件保护还是硬件保护方法是：通常软件保护时，软件会设置2秒才起动，硬件起动时间很快不超过2秒钟。

2、C点电压由于选择的参考点是地，静态时，C 点的电压由RJ28、R27、R14电阻分压所得，当正常工作起来后，互感器感应输入端的电流，C点的电压会下降，电流越大，C点电压越低，

如上图所示，所以A点电压也会下降，B点为LM339负端RJ29、RJ25分压后的基准电压，当A点电压下降到B点以下时，LM339反转，D点输出低电平拉低中断口。通过调节输入正负端的参数来改变干扰的灵敏。

用工具查看两输入端在最大功率工作时，比较电压越接近越好，但仿止出现太过灵敏而导致中断间隙。（变频器上（不一定，但是比较能体现）一般干扰比较大，在最大档功率最大电流时（190~210V之间电流最大）最容易出现，）

3、CPU根据中断口检测电源输入端的浪涌电流，程序检测到有低电平，停止工作，起保护IGBT不受浪涌电流所击穿。

此电路异常出现：检锅不工作、不保护爆机

参考资料：百度百科-图解电磁炉维修

左边的PWM5、PWM6是驱动脉冲发生电路，产生驱动mosfet所需要的波形，紧接着的是两个光耦，一般用于隔离控制部分和驱动部分，因为需要驱动的mosfet一般电压都比数字逻辑部分要高，通常的数字逻辑电路电压在5V以内，而mosfet驱动部分基本都在10V以上（一般mosfet的开启电压需要在10V以上才能完全导通，完全导通时导通电阻低，导通损耗就小）

然后是去耦电路部分。

接下来是两输出mosfet/IGBT专用驱动芯片IR2110S，其中电容C23是根据IR2110S的Datasheet需要接的。

R40/R41是mosfet栅极驱动电阻，用于调节栅极导通关断时间，减小mosfet被噪声击穿的可能。

C26、D14是自举升压电路，用于驱动高压侧mosfet。

C27是去耦电容，这个0.01uf应该是给比较高的频率用的，一般的电路0.1uf就够了，推荐瓷片或钽电容，因为电感小。

要注意的事项

功能：电机是单向还是双向转动?需不需要调速?对于单向的电机驱动，只要用一个大功率三极体或场效电晶体或继电器直接带动电机即可，当电机需要双向转动时，可以使用由4个功率元件组成的H桥电路或者使用一个双刀双掷的继电器。如果不需要调速，只要使用继电器即可但如果需要调速，可以使用三极体，场效电晶体等开关元件实现PWM***脉冲宽度调制***调速。

效能：对于PWM调速的电机驱动电路，主要有以下效能指标。

1***输出电流和电压范围，它决定着电路能驱动多大功率的电机。

2***效率，高的效率不仅意味着节省电源，也会减少驱动电路的发热。要提高电路的效率，可以从保证功率器件的开关工作状态和防止共态导通***H桥或推挽电路可能出现的一个问题，即两个功率器件同时导通使电源短路***入手。

3***对控制输入端的影响。功率电路对其输入端应有良好的讯号隔离，防止有高电压大电流进入主控电路，这可以用高的输入阻抗或者光电耦合器实现隔离。

4***对电源的影响。共态导通可以引起电源电压的瞬间下降造成高频电源污染大的电流可能导致地线电位浮动。

5***可靠性。电机驱动电路应该尽可能做到，无论加上何种控制讯号，何种无源负载，电路都是安全的。

电机栅极驱动电路设计

三极体-电阻作栅极驱动

1.输入与电平转换部分：

输入讯号线由DATA引入，1脚是地线，其余是讯号线。注意1脚对地连线了一个2K欧的电阻。当驱动板与微控制器分别供电时，这个电阻可以提供讯号电流回流的通路。当驱动板与微控制器共用一组电源时，这个电阻可以防止大电流沿着连线流入微控制器主机板的地线造成干扰。或者说，相当于把驱动板的地线与微控制器的地线隔开，实现“一点接地”。

高速运放KF347***也可以用TL084***的作用是比较器，把输入逻辑讯号同来自指示灯和一个二极体的2.7V基准电压比较，转换成接近功率电源电压幅度的方波讯号。KF347的输入电压范围不能接近负电源电压，否则会出错。因此在运放输入端增加了防止电压范围溢位的二极体。输入端的两个电阻一个用来限流，一个用来在输入悬空时把输入端拉到低电平。

不能用LM339或其他任何开路输出的比较器代替运放，因为开路输出的高电平状态输出阻抗在1千欧以上，压降较大，后面一级的三极体将无法截止。

2.栅极驱动部分：

后面三极体和电阻，稳压管组成的电路进一步放大讯号，驱动场效电晶体的栅极并利用场效电晶体本身的栅极电容***大约1000pF***进行延时，防止H桥上下两臂的场效电晶体同时导通***“共态导通”***造成电源短路。

当运放输出端为低电平***约为1V至2V，不能完全达到零***时，下面的三极体截止，场效电晶体导通。上面的三极体导通，场效电晶体截止，输出为高电平。当运放输出端为高电平***约为VCC-***1V至2V***，不能完全达到VCC***时，下面的三极体导通，场效电晶体截止。上面的三极体截止，场效电晶体导通，输出为低电平。

上面的分析是静态的，下面讨论开关转换的动态过程：三极体导通电阻远小于2千欧，因此三极体由截止转换到导通时场效电晶体栅极电容上的电荷可以迅速释放，场效电晶体迅速截止。但是三极体由导通转换到截止时场效电晶体栅极通过2千欧电阻充电却需要一定的时间。

相应的，场效电晶体由导通转换到截止的速度要比由截止转换到导通的速度快。假如两个三极体的开关动作是同时发生的，这个电路可以让上下两臂的场效电晶体先断后通，消除共态导通现象。

实际上，运放输出电压变化需要一定的时间，这段时间内运放输出电压处于正负电源电压之间的中间值。这时两个三极体同时导通，场效电晶体就同时截止了。所以实际的电路比这种理想情况还要安全一些。

场效电晶体栅极的12V稳压二极体用于防止场效电晶体栅极过压击穿。一般的场效电晶体栅极的耐压是18V或20V，直接加上24V电压将会击穿，因此这个稳压二极体不能用普通的二极体代替，但是可以用2千欧的电阻代替，同样能得到12V的分压。

3.场效电晶体输出部分：

大功率场效电晶体内部在源极和漏极之间反向并联有二极体，接成H桥使用时，相当于输出端已经并联了消除电压尖峰用的四个二极体，因此这里就没有外接二极体。输出端并联一个小电容***out1和out2之间***对降低电机产生的尖峰电压有一定的好处，但是在使用PWM时有产生尖峰电流的副作用，因此容量不宜过大。在使用小功率电机时这个电容可以略去。如果加这个电容的话，一定要用高耐压的，普通的瓷片电容可能会出现击穿短路的故障。

输出端并联的由电阻和发光二极体，电容组成的电路指示电机的转动方向。

4.效能指标：

电源电压15~30 V，最大持续输出电流5A/每个电机，短时间***10秒***可以达到10A，PWM频率最高可以用到30KHz***一般用1到10KHz***。电路板包含4个逻辑上独立的，输出端两两接成H桥的功率放大单元，可以直接用微控制器控制。实现电机的双向转动和调速。

5.布线：

大电流线路要尽量的短粗，并且尽量避免经过过孔，一定要经过过孔的话要把过孔做大一些***》1mm***并且在焊盘上做一圈小的过孔，在焊接时用焊锡填满，否则可能会烧断。

另外，如果使用了稳压管，场效电晶体源极对电源和地的导线要尽可能的短粗，否则在大电流时，这段导线上的压降可能会经过正偏的稳压管和导通的三极体将其烧毁。

在一开始的设计中，NMOS管的源极于地之间曾经接入一个0.15欧的电阻用来检测电流，这个电阻就成了不断烧毁板子的罪魁祸首。当然如果把稳压管换成电阻就不存在这个问题了。

低压驱动电路的简易栅极驱动

一般功率场效电晶体的最高栅源电压为20V左右，所以在24V应用中要保证栅源电压不能超过20V，增加了电路的复杂程度。但在12V或更低电压的应用中，电路就可以大大简化。

左图就是一个12V驱动桥的一边，上面电路的三极体部分被两个二极体和两个电阻代替。***注意，跟上图逻辑是反的***由于场效电晶体栅极电容的存在，通过 R3，R4向栅极电容充电使场效电晶体延缓导通而通过二极体直接将栅极电容放电使场效电晶体立即截止，从而避免了共态导通。

举例

L298N电机驱动电路

1、工作原理分析：

在步进电机驱动模组中，采用了带光耦隔离，抗干扰能力强的TLP521作为隔离电流保护晶片，其中L297的17脚通过给高低电平来控制步进电机的正反转，而18脚为步进时钟输入端，控制每个步数的时间增量，19脚步进电机的半步或者整步的选择，10脚为使能控制端，来控制电机的启停，而经过内部包含 4 通道逻辑驱动电路、高压、大电流双 H 桥式驱动器L298来控制电机的正反转利用L298实现电机驱动及其正反转，并采用二极体进行续流保护，利用7805提供5v电源给控制器和l298晶片供电，这个电路在工作时间长的情况下容易发热，造成电路不稳定性缺点。

主要功能特点是：

关键晶片：L298N 双H 桥直流/步进电机驱动晶片

L298N 晶片工作电压：DC 4.5~5.5V。

电机驱动电源电压DC 5--35V。

电源输入正常时有LED 灯指示。

PCB尺寸：4.4*5.0cm

最大输出电流2A***瞬间峰值电流3A***，最大输出功率25W。

输出正常时电机运转有LED 灯指示。

具有二极体续流保护。

可单独控制2台直流电机或1台两相4 线***或6 线***步进电机。

可以采用并联接法控制一台高达3A 的直流电机。

可实现电机正反转。

2. 类比电路PWM的实现

上图为一个使用游戏手柄或者航模摇杆上的线性电位器***或线性霍尔元件***控制两个底盘驱动电机的PWM生成电路。J1是手柄的插座，123和456分别是 x，y两个方向的电位器。U1B提供半电源电压，U1A是电压跟随。x，y分量经过合成成为控制左右轮两个电机转速的电压讯号。

在使用中，让L= ***x+1***y/***x+1.4***，R=***x-1***y/***x-0.6***，经过试验有不错的效果***数字只是单位，不是电压值***。经过U1C和U1D组成的施密特振荡器把电压转换为相应的PWM讯号，用来控制功率驱动电路。以U1D为例，R1，R2组成有回差的施密特电路，上下门限受输入电压影响，C1和R3组成延时回路，如此形成振荡的脉宽受输入电压控制。Q1，Q2是三极体，组成反相器，提供差分的控制讯号。具体振荡过程参见对555振荡器的分析。

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一、工作原理

驻极体话筒MIC将拾取的声音信号转换成电信号后，经C2和W从U1的②脚引入，经U1音频放大后，推动喇叭发音。本机接成BTL输出电路，这对于改善音质，降低失真大有好处，同时输出功率也增加了4倍，当3V供电时，其输出功率为350mW。

二、元器件选择与调试

电阻R1、R2均选用1/4W金属膜电阻，W为小型碳膜电位器，C2最好选用独石电容器，如没有应选用质量好的瓷片电容，C1、C4、C3选用优质耐压16V，漏电电流小的电解电容，MIC选用高灵敏度驻极体传声器。K选用小型的按钮开关或拨动开关等，U1选用TDA2822M或TDA2822，也可用D2822代替。按图1中数值制作，一般无需调试即可正常工作。

感应加热简介

电磁感应加热，或简称感应加热，是加热导体材料比如金属材料的一种方法。它主要用于金属热加工、热处理、焊接和熔化。

顾名思义，感应加热是利用电磁感应的方法使被加热的材料的内部产生电流，依靠这些涡流的能量达到加热目的。感应加热系统的基本组成包括感应线圈，交流电源和工件。根据加热对象不同，可以把线圈制作成不同的形状。线圈和电源相连，电源为线圈提供交变电流，流过线圈的交变电流产生一个通过工件的交变磁场，该磁场使工件产生涡流来加热。

感应加热原理

感应加热表面淬火是利用电磁感应原理，在工件表面层产生密度很高的感应电流，迅速加热至奥氏体状态，随后快速冷却得到马氏体组织的淬火方法，当感应圈中通过一定频率的交流电时，在其内外将产生与电流变化频率相同的交变磁场。金属工件放入感应圈内，在磁场作用下，工件内就会产生与感应圈频率相同而方向相反的感应电流。由于感应电流沿工件表面形成封闭回路，通常称为涡流。此涡流将电能变成热能，将工件的表面迅速加热。涡流主要分布于工件表面，工件内部几乎没有电流通过，这种现象称为表面效应或集肤效应。感应加热就是利用集肤效应，依靠电流热效应把工件表面迅速加热到淬火温度的。感应圈用紫铜管制做，内通冷却水。当工件表面在感应圈内加热到一定温度时，立即喷水冷却，使表面层获得马氏体组织。

感应电动势的瞬时值为：

式中：e——瞬时电势，V；Φ——零件上感应电流回路所包围面积的总磁通，Wb，其数值随感应器中的电流强度和零件材料的磁导率的增加而增大，并与零件和感应器之问的间隙有关。

为磁通变化率，其绝对值等于感应电势。电流频率越高，磁通变化率越大，使感应电势P相应也就越大。式中的负号表示感应电势的方向与的变化方向相反。

零件中感应出来的涡流的方向，在每一瞬时和感应器中的电流方向相反，涡流强度取决于感应电势及零件内涡流回路的电抗，可表示为：

式中，I——涡流电流强度，A；Z——自感电抗，Ω；R——零件电阻，Ω；X——阻抗，Ω。

由于Z值很小，所以I值很大。

零件加热的热量为：

式中Q——热能，J；t——加热时间，s。

对铁磁材料（如钢铁），涡流加热产生的热效应可使零件温度迅速提高。钢铁零件是硬磁材料，它具有很大的剩磁，在交变磁场中，零件的磁极方向随感应器磁场方向的改变而改变。在交变磁场的作用下，磁分子因磁场方向的迅速改变将发生激烈的摩擦发热，因而也对零件加热起一定作用，这就是磁滞热效应。这部分热量比涡流加热的热效应小得多。钢铁零件磁滞热效应只有在磁性转变点A2（768℃）以下存在，在A2以上，钢铁零件失去磁性，因此，对钢铁零件而言，在A2点以下，加热速度比在A2点以上时快。

感应加热具体应用

感应加热设备

感应加热设备是产生特定频率感应电流，进行感应加热及表面淬火处理的设备。

感应加热表面淬火

将工件放在用空心铜管绕成的感应器内，通入中频或高频交流电后，在工件表面形成同频率的的感应电流，将零件表面迅速加热（几秒钟内即可升温800～1000度，心部仍接近室温）后立即喷水冷却（或浸油淬火），使工件表面层淬硬。

与普通加热淬火比较感应加热表面淬火具有以下优点：

1、加热速度极快，可扩大A体转变温度范围，缩短转变时间。

2、淬火后工件表层可得到极细的隐晶马氏体，硬度稍高（2～3HRC）。脆性较低及较高疲劳强度。

3、经该工艺处理的工件不易氧化脱碳，甚至有些工件处理后可直接装配使用。

4、淬硬层深，易于控制操作，易于实现机械化，自动化。

感应加热（高频电炉）制作教程

成本估算：

紫铜管紫铜带：210元

EE85加厚磁芯2个：60元

高频谐振电容3个：135元

胶木板：60元

水泵及PU管：52元

PLL板：30元

GDT板：20元

电源板：50元

MOSFET：20元

2KW调压器：280元

散热板：80元

共计：997元

总体架构：

串联谐振2.5KW 锁相环追频ZVS，MOSFET全桥逆变；

磁芯变压器两档阻抗变换，水冷散热，市电自耦调压调功，母线过流保护。

先预览一下效果，如下图：

加热金封管3DD15

加热304不锈钢管

加热小金属球

加热铁质垫圈

在开始制作之前，有必要明确一些基础性原理及概念，这样才不致于一头雾水。

1、加热机制（扫盲用，高手跳过）

1.1涡流，只要是金属物体处于交变磁场中，都会产生涡流，强大的高密度涡流能迅速使工件升温。这个机制在所有电阻率不为无穷大的导体中均存在。

1.2感应环流，工件相当于一个短路的1匝线圈，与感应线圈构成一个空心变压器，由于电流比等于匝比的反比，工件上的电流是感应线圈中电流的N（匝数）倍，强大的感应短路电流使工件迅速升温。这个机制在任何导体中均存在，恒定磁通密度情况下，工件与磁场矢量正交的面积越大，工件上感生的电流越大，效率越高。由此可看出，大磁通切割面积的工件比小面积的工件更容易获得高温。

1.3磁畴摩擦（在铁磁体内存在着无数个线度约为10-4m的原本已经磁化了的小区域，这些小区域叫磁畴），铁磁性物质的磁畴，在交变磁场的磁化与逆磁环作用下，剧烈摩擦，产生高温。这个机制在铁磁性物质中占主导。

由此可看出，不同材料的工件，因为加热的机制不同，造成的加热效果也不一样。其中铁磁物质三中机制都占，加热效果最好。铁磁质加热到居里点以上时，转为顺磁性，磁畴机制减退甚至消失。这时只能靠剩余两个机制继续加热。

当工件越过居里点后，磁感应现象减弱，线圈等效阻抗大幅下降，致使谐振回路电流增大。越过居里点后，线圈电感量也跟着下降。LC回路的固有谐振频率会发生变化。致使固定激励方式的加热器失谐而造成设备损坏或效率大减。

2、为什么要采用谐振？应采用何种谐振

2.1先回答第一个问题。我曾经以为只要往感应线圈中通入足够强的电流，就成一台感应加热设备了。也对此做了一个实验，见下图。

实验中确实有加热效果，但是远远没有达到电源的输出功率应有的效果。这是为什么呢，我们来分析一下，显然，对于固定的工件，加热效果与逆变器实际输出功率成正比。对于感应线圈，基本呈现纯感性，也就是其间的电流变化永远落后于两端电压的变化，也就是说电压达到峰值的时候，电流还未达到峰值，功率因数很低。我们知道，功率等于电压波形与电流波形的重叠面积，而在电感中，电流与电压波形是错开一个角度的，这时的重叠面积很小，即便其中通过了巨大的电流，也是做无用功。这是如果单纯的计算P=UI，得到的只是无功功率。

而对于电容，正好相反，其间的电流永远超前于电压变化。如果将电容与电感构成串联或并联谐振，一个超前，一个滞后，谐振时正好抵消掉。因此电容在这里也叫功率补偿电容。这时从激励源来看，相当于向一个纯阻性负载供电，电流波形与电压波形完全重合，输出最大的有功功率。这就是为什么要采取串（并）补偿电容构成谐振的主要原因。

2.2第二个问题，LC谐振有串联谐振和并联谐振，该采用什么结构呢。

说得直白一点，并联谐振回路，谐振电压等于激励源电压，而槽路（TANK）中的电流等于激励电流的Q倍。串联谐振回路的槽路电流等于激励源电流，而L，C两端的电压等于激励源电压的Q倍，各有千秋。

从电路结构来看：

对于恒压源激励（半桥，全桥），应该采用串联谐振回路，因为供电电压恒定，电流越大，输出功率也就越大，对于串联谐振电路，在谐振点时整个回路阻抗最小，谐振电流也达到最大值，输出最大功率。串联谐振时，空载的回路Q值最高，L，C两端电压较高，槽路电流白白浪费在回路电阻上，发热巨大。

对于恒流源激励（如单管电路），应采用并联谐振，自由谐振时LC端电压很高，因此能获得很大功率。并联谐振有个很重要的优点，就是空载时回路电流最小，发热功率也很小。值得一提的是，从实验效果来看，同样的谐振电容和加热线圈，同样的驱动功率，并联谐振适合加热体积较大的工件，串联谐振适合加热体积小的工件。

3、制作过程

明白了以上原理后，可以着手打造我们的感应加热设备了。我们制作的这个设备主要由调压整流电源、锁相环、死区时间发生器、GDT电路、MOS桥、阻抗变换变压器、LC槽路以及散热系统几大部分组成，见下图。

我们再来对构成系统的原理图进行一些分析，如下：

槽路部分：

从上图可以看出，C1、C2、C3、L1以及T1的次级（左侧）共同构成了一个串联谐振回路，因为变压器次级存在漏感，回路的走线也存在分布电感，所以实际谐振频率要比单纯用C1-C3容量与L1电感量计算的谐振频率略低。图中L1实际上为1uH，我将漏感分布电感等加在里面所以为1.3uH，如图参数谐振频率为56.5KHz。

从逆变桥输出的高频方波激励信号从J2-1输入，通过隔直电容C4及单刀双掷开关S1后进入T1的初级，然后流经1:100电流互感器后从J2-2回流进逆变桥。在这里，C4单纯作为隔直电容，不参与谐振，因此应选择容量足够大的无感无极性电容，这里选用CDE无感吸收电容1.7uF 400V五只并联以降低发热。

S1的作用为阻抗变换比切换，当开关打到上面触点时，变压器的匝比为35:0.75，折合阻抗变比为2178:1；当开关打到下面触点时，变压器匝比为24:0.75，折合阻抗变比为1024:1。为何要设置这个阻抗变比切换，主要基于以下原因。（1）铁磁性工件的尺寸决定了整个串联谐振回路的等效电阻，尺寸越大，等效电阻越大。（2）回路空载和带载时等效电阻差别巨大，如果空载时变比过低，将造成逆变桥瞬间烧毁。

T2是T1初级工作电流的取样互感器，因为匝比为1:100，且负载电阻为100Ω，所以当电阻上电压为1V时对应T1初级电流为1A。该互感器应有足够小的漏感且易于制作，宜采用铁氧体磁罐制作，如无磁罐也可用磁环代替。在调试电路时，可通过示波器检测J3两端电压的波形形状和幅度而了解电路的工作状态，频率，电流等参数，亦可作为过流保护的取样点。

J1端子输出谐振电容两端的电压信号，当电路谐振时，电容电压与T1次级电压存在90°相位差，将这个信号送入后续的PLL锁相环，就可以自动调节时激励频率始终等于谐振频率。且相位恒定。（后文详述）

L1，T1线圈均采用紫铜管制作，数据见上图，工作中，线圈发热严重，必须加入水冷措施以保证长时间安全工作。为保证良好的传输特性以及防止磁饱和，T1采用两个EE85磁芯叠合使用，在绕制线圈时需先用木板做一个比磁芯舌截面稍微大点的模子，在上面绕制好后脱模。如下图：

PLL锁相环部分：

上图为PLL部分，是整个电路的核心。关于CD4046芯片的结构及工作原理等，我不在这里详述，请自行查阅书籍或网络。

以U1五端单片开关电源芯片LM2576-adj为核心的斩波稳压开关电路为整个PLL板提供稳定的，功率强劲的电源。图中参数可以提供15V2A的稳定电压。因为采用15V的VDD电源，芯片只能采用CD40xx系列的CMOS器件，74系列的不能在此电压下工作。

CD4046锁相环芯片的内部VCO振荡信号从4脚输出，一方面送到U2为核心的死区时间发生器，用以驱动后级电路。另一方面回馈到CD4046的鉴相器输入B端口3脚。片内VCO的频率范围由R16、R16、W1、C13的值共同决定，如图参数时，随着VCO控制电压0-15V变化，振荡频率在20KHz-80KHz之间变化。

从谐振槽路Vcap接口J1送进来的电压信号从J4接口输入PLL板，经过R14，D2，D3构成的钳位电路后，送入CD4046的鉴相器输入A端口14脚。这里要注意的是，Vcap电压的相位要倒相输入，才能形成负反馈。D2，D3宜采用低结电容的检波管或开关管如1N4148、1N60之类。

C7、C12为CD4046的电源退耦，旁路掉电源中的高频分量，使其稳定工作。

现在说说工作流程，我们选用的是CD4046内的鉴相器1（XOR异或门）。对于鉴相器1，当两个输人端信号Ui、Uo的电平状态相异时（即一个高电平，一个为低电平），输出端信号UΨ为高电平；反之，Ui、Uo电平状态相同时（即两个均为高，或均为低电平），UΨ输出为低电平。当Ui、Uo的相位差Δφ在0°-180°范围内变化时，UΨ的脉冲宽度m亦随之改变，即占空比亦在改变。从比较器Ⅰ的输入和输出信号的波形（如图4所示）可知，其输出信号的频率等于输入信号频率的两倍，并且与两个输入信号之间的中心频率保持90°相移。从图中还可知，fout不一定是对称波形。对相位比较器Ⅰ，它要求Ui、Uo的占空比均为50％（即方波），这样才能使锁定范围为最大。如下图。

由上图可看出，当14脚与3脚之间的相位差发生变化时，2脚输出的脉宽也跟着变化，2脚的PWM信号经过U4为核心的有源低通滤波器后得到一个较为平滑的直流电平，将这个直流电平做为VCO的控制电压，就能形成负反馈，将VCO的输出信号与14脚的输入信号锁定为相同频率，固定相位差。

关于死区发生器，本电路中，以U2 CD4001四2输入端与非门和外围R8，R8，C10，C11共同组成，利用了RC充放电的延迟时间，将实时信号与延迟后的信号做与运算，得到一个合适的死区。死区时间大小由R8，R8，C10，C11共同决定。如图参数，为1.6uS左右。在实际设计安装的时候，C10或C11应使用68pF的瓷片电容与5-45pF的可调电容并联，以方便调整两组驱动波形的死区对称性。

下图清晰地展示了死区的效果。

关于图腾输出，从死区时间发生器输出的电平信号，仅有微弱的驱动能力，我们必须将其输出功率放大到一定程度才能有效地推动后续的GDT（门极驱动变压器）部分，Q1-Q8构成了双极性射极跟随器，俗称图腾柱，将较高的输入阻抗变换为极低的输出阻抗，适合驱动功率负载。R10.R11为上拉电阻，增强CD4001输出的“1”电平的强度。有人会问设计两级图腾是否多余，我开始也这么认为，试验时单用一级TIP41，TIP42为图腾输出，测试后发现高电平平顶斜降带载后比较严重，分析为此型号晶体管的hFE过低引起，增加前级8050/8550推动后，平顶斜降消失。

GDT门极驱动电路：

上图为MOSFET的门极驱动电路，采用GDT驱动的好处就是即便驱动级出问题，也不可能出现共态导通激励电平。

留适当的死区时间，这个电路死区大到1.6uS。而且MOSFET开关迅速，没有IGBT的拖尾，很难炸管。而且MOS的米勒效应小很多。

电路处于ZVS状态，管子2KW下工作基本不发热，热击穿不复存在。

从PLL板图腾柱输出的两路倒相驱动信号，从GDT板的J1，J4接口输入，经过C1-C4隔直后送入脉冲隔离变压器T1-T4。R5，R6的存在，降低了隔直电容与变压器初级的振荡Q值，起到减少过冲和振铃的作用。从脉冲变压器输出的±15V的浮地脉冲，通过R1-R4限流缓冲（延长对Cgs的充电时间，减缓开通斜率）后，齐纳二极管ZD1-ZD8对脉冲进行双向钳位，最后经由J2，J3，J5，J6端子输出到四个MOS管的GS极。这里因为关断期间为-15V电压，即便有少量的电平抖动也不会使MOS管异常开通，造成共态导通。注意，J2，J3用以驱动一个对角的MOS管，J5，J6用于驱动另一个对角的mos管。

为了有效利用之前PLL板图腾输出的功率以及减小驱动板高度，这里采用4只脉冲变压器分别对4支管子进行驱动。脉冲变压器T1-T4均采用EE19磁芯，不开气隙，初级次级均用0.33mm漆包线绕制30T，为提高绕组间耐压起见，并未采用双线并绕。而是先绕初级，用耐高温胶带3层绝缘后再绕次级，采用密绕方式，注意图中+，-号表示的同名端。C1-C4均采用CBB无极性电容。其余按电路参数。

电源部分：

上图为母线电源部分，市电电压经过自耦调压器后从J2输入，经过B1全波整流后送入C1-C4进行滤波。为了在MOS桥开关期间，保持母线电压恒定（恒压源），故没有加入滤波电感。C1，C2为MKP电容，主要作用为全桥钳位过程期间的逆向突波吸收。整流滤波后的脉动直流从J1输出。

全桥部分：

上图为MOSFET桥电路，结构比较简单，不再赘述。强调一下，各个MOS管的GS极到GDT板之间的引线，尽可能一样长，但应小于10cm。必须采用双绞线。MOS管的选取应遵循以下要求：开关时间小于100nS、耐压高于500V、内部自带阻尼二极管、电流大于20A、耗散功率大于150W。

4、散热系统

槽路部分的阻抗变换变压器次级以及感应线圈部分，在满功率输出时，流经的电流达到500A之巨，如果没有强有力的冷却措施，将在短时间内过热烧毁。

该系统宜采用水冷措施，利用铜管本身作为水流通路。泵采用隔膜泵，一是能自吸，二是压力高。电路采用的是国产普兰迪隔膜泵，输出压力达到0.6MPa，轻松在3mm内径的铜管中实现大流量水冷。

5、组装

按下图组装，注意GDT部分，输出端口的1脚接G，2脚接S，双绞线长度小于10cm。

6、调试

该电路的调试比较简单，主要分以下几个步骤进行。

1. PLL板整体功能检测。电路组装好后，先断开高压电源，将PLL板JP1跳线的2，3脚短路，使VCO输出固定频率的方波。然后用示波器分别检测四个MOS管的GS电压，看是否满足相位和幅度要求。对角的波形同相，同一臂的波形反相。幅度为±15V。如果此步骤无问题，进行下一步。如果波形相位异常，检测双绞线连接是否有误。

2. 死区时间对称性调整。用示波器监测同一臂的两个MOS的GS电压，调节PLL板C10或C11并联的可调电容，使两个MOS的GS电压的高电平宽度基本一致即可。死区时间差异过大的话，容易造成在振荡的前几个周期内，就造成磁芯的累计偏磁而发生饱和炸管，隔直电容能减轻这一情况。

3. VCO中心频率调整。PLL环路中，VCO的中心频率在谐振频率附近时，能获得最大的跟踪捕捉范围，因此有必要进行一个调整。槽路部分S1切换到上方触点，PLL板JP1跳线的2，3脚短路，使VCO控制电压处于0.5VCC，W2置于中点。通过自耦调压器将高压输入调节在30VAC。用万用表交流电流档监测高压输入电流，同时用示波器监测槽路部分J3接口电压，缓慢调节PLL板的W1，使J3电压为标准正弦波。此时，电流表的示数也为最大值。这时谐振频率与VCO中心频率基本相等。

谐振时的波形如下图，电流波形标准正弦波，与驱动波形滞后200nS左右。

4. PLL锁定调整。将PLL板JP1跳线的1，2脚短路，使VCO的电压控制权转交给鉴相滤波网络。保持高压输入为30VAC，用示波器监测槽路部分J3接口电压波形形状和频率。此时用改锥在±一圈范围内调整W1，若示波器波形频率保持不变，形状仍然为良好的正弦波。则表示电路已近稳定入锁，如果无法锁定，交换槽路部分J1的接线再重复上述步骤。当看到电路锁定后，在加热线圈中放入螺丝刀杆，这时因为有较大的等效负载阻抗，波形幅度下降，但仍然保持良好的正弦波。如果此时失锁，可微调W1保持锁定。

5. 电流滞后角调整。电路锁定后，用示波器同时监测槽路部分J3接口电压以及PLL板GDT2或GDT1接口电压，缓慢调节W2，使电流波形（正弦波）稍微落后于驱动电压波形，此时全桥负载呈弱感性，并进入ZVS状态。

6. 工件加热测试，上述步骤均成功后，即可开始加热工件。先放入工件，用万用表电流档监测高压电流。缓慢提升自耦调压器输出电压，可以看到工件开始发热，应保证220VAC高压下，电流小于15A。这时功率达到2500W。当加热体积较大的工件时，因为等效阻抗大，须将槽路部分S1切换至下方触点。

至此，整个感应加热电路调试完毕。开始感受高温体验吧。