感应加热原理与应用分析

一路上

前言

理解电磁感应加热的原理之前，先问自己一个问题，假如这个世界上没有电磁炉，你要烧开一锅水，会怎么做？

最常见的方式，就是点燃炉灶，把锅架在火上。

图1.传统燃气加热

然而这种方法是间接的加热方式，先由热源加热锅具，再通过锅具将热量传导到锅内的食物，在这一系列的过程中，必然会产生能量的损失。

有没有办法把锅具本身变成一个热源，让锅来直接煮水，这就要用到感应加热了。

感应加热原理

图2.涡流效应

1.控制板通过谐振转换电路产生高频交流电流流经铜线圈；

2.在工作线圈上产生感应的磁场，感应磁场在金属锅具底部产生涡流；

3.涡流通过金属的趋肤效应让其电阻产生焦耳热，同时与材料的渗透性有关的磁滞损失也产生热量。

等效电路

图3.等效电路

电感和加热锅具的组合可被视为变压器，其匝数比为1；当烹饪容器放置在图3中的板上时，等效电路的电阻将非常小（RL<<ωL2 @ ω=2πfs），总阻抗Zab可以被认为是：

Zab = L1 + RL

同时，当烹饪容器从板上移开时，等效电路的电阻将为无穷大，总阻抗Zab可被视为:

Zab = L1 + L2

1.烹饪容器底部的涡流与流经感应线圈的电流大小成正比:
2.增加感应线圈的电流会导致涡流的增加;烹饪容器的加热时间会更快;
3.增加工作频率也会加快加热容器的速度。

趋肤效应和趋肤深度

更高的频率将使涡流密度集中在更接近表面的地方，这反过来又会大大减少活性电流流的横截面积，从而间接增加电阻，增加加热效率；

图4.趋肤深度定义

趋肤深度：从被加热物体的表面到电流密度下降到37%的深度的距离就是穿透深度，趋肤深度与频率、磁导率和电导率有关，图5示意了不同材料的趋肤深度特性，这也能解释通常我们感应加热的锅具都是铁质材料。

图5.频率对材料的标准穿透深度的影响

感应加热相比传统燃气加热的优点

1.安全，无明火，没有气体爆炸的担忧；
2.封密性好，容易清洁；
3.加热迅速，温度一致性好，更精准的温度控制；
4.电磁炉的效率最高，约为90%，而传统的卤素灯、电加热和燃气的效率分别只有58%、47%和40%。

图6.不同加热方式效率对比

感应加热特点

1.烹饪容器底部的涡流与流经感应线圈的电流大小成正比，意味着增加感应线圈的电流会导致涡流的增加; 烹饪容器的加热时间会更快。

2.更高的频率将使涡流密度集中在更接近表面的地方，这反过来又会大大减少活性电流流的横截面积，从而间接增加电阻，增加加热效率，所以增加工作频率也会加快加热容器的速度。

所以感应加热需要谐振控制器在线圈上产生交变电流，并且为了达到一定功率，谐振控制器的电流及开关频率都要求比较高，那么开关器件势必要选用即能导通大电流又能快速开关的IGBT。

感应加热拓扑结构

感应加热目前主流的拓扑有单端谐振和半桥谐振两种不同的拓扑，下图对两种拓扑特点做了详细的比较：

图7.感应加热应用范围和谐振拓扑的特点

1.单端谐振相对来讲控制简单，整体成本有优势；

2.如下图所示单端谐振不足之处就是功率范围明显受到制约，小功率（<600W）会有硬开通产生大电流增加温升，大功率(>2.3KW)单颗管子的温升很难控制；

图8.两种拓扑功率输出和温升的对应关系

结语

更多内容请看：感应加热原理与拓扑分析；开源方案：IH电磁炉逆变电路。