感应加热原理与拓扑分析

一路上

前言

感应加热是一种强大的热处理技术，它利用感应电流在导电材料内产生的电阻加热来快速加热金属物体。

感应加热原理

主要基于三个主要效应：电磁感应、集肤效应和传热。这些效应协同作用，将电能转化为热能，从而快速加热导电材料。

1. 电磁感应：电磁感应是感应加热的核心原理。它基于法拉第的电磁感应定律，根据这个定律，当导电材料置于变化的磁场中时，将在材料内产生电流。感应加热系统使用线圈产生高频交流磁场，这个磁场在材料内产生电流，从而产生热能。这个电流在导体中流动，而导体的电阻性质使得电能转化为热能，从而使材料加热。

2. 集肤效应：它涉及到电流在导电材料表面分布更多，而在材料内部分布较少。这意味着加热主要发生在导体表面，因此需要较短的时间来实现所需的温度。这也有助于提高加热的均匀性。

3. 传热效应：感应加热的第三个关键组成部分，热量通过传导传递到材料内部；随着加热过程的继续，材料内部的热量逐渐向外传递，使整个工件均匀加热。

感应加热主流拓扑

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，不管是单端还是半桥谐振，控制IGBT的一个关键技术就是过零点开关；下面我们分别来做详细的单端和半桥谐振电路的等效电路和时序分析：

1. 单端谐振电路

单端谐振电路图

开通周期等效电路

关断周期等效电路

IGBT开通：

电压方程在开通周期：

电压方程在开通周期：

IGBT关断

电压方程在关断周期：

电流方程在开通周期：

可以得到：

单端拓扑时序分析如下：

模式1（t0-t1）：

模式1（t0-t1）

模式2（t1-t2）：

模式2（t1-t2）

模式3 （t2-t3）：

模式3 （t2-t3）

模式4（t3-t4）：

模式4（t3-t4）

信号时序

2. 半桥谐振电路

半桥谐振电路图

等效电路

模式1（t0-t1）：

模式1（t0-t1）

模式2（t1-t2）：

模式2（t1-t2）

模式3（t2-t3）：

模式3（t2-t3）

模式4（t3-t4）：

模式4（t3-t4）

模式5（t4-t5）：

模式5（t4-t5）

模式6（t5-t6）：

模式6（t5-t6）

频域响应

时序波形图

电路波形分析

正常情况下，IGBT如下图，都是工作在过零点开通的情况下，在实际工作中的会遇到下图所示的各种不同的过压和过流的挑战：

感应加热IGBT的各种不同的开关波形通过以上感应加热的原理和应用的分析，我们知道了这个应用对IGBT也提出了对应的特殊要求：

• 导通损耗也即Vcesat要足够低；
• Vce耐压要足够高，个别应用需要到1600V；
• 性价比要高。
  

反向导通IGBT（RC-IGBT）

RC IGBT：逆导型技术将反平行二极管单片集成在IGBT芯片内，这是通过在IGBT的背面发射极集成n型区域实现的。

反向导通IGBT（RC-IGBT），在单个芯片上集成了IGBT和续流二极管（FWD）。它有比普通IGBT更低的损耗，较低的损失意味着烹饪时消耗的能源较少；由于废热更少，RC-E 的运行温度将更低，从而提高可靠性。

结语

更多内容请看：感应加热原理与应用分析；开源方案：IH电磁炉逆变电路。