Induction Heater - mittelgroß - 12-50V Input

[Multi-kv]

Hallo Leute,

da ich hin und wieder Teile zum hartlöten habe und mir sowas schon immer mal bauen wollte, kommt jetzt das Thema Induction Heater auf den Tisch
Es gibt reichleich Anleitungen und Schaltungsbeispiele im Web. Ich will es möglichst einfach halten und dachte an einen Royer Coverter der von einer Power Server PSU gespeist wird.
Die Server-PSU macht ca. 36...52 V bei ausreichend Strom (wenns sein muß über 100 A) - die will ich aber gar nicht voll ausnutzen. Für erste Experimente reichen mir wohl ca. 1000 - 2000W.
Mögliche Schaltungsbeispiele findet man hier: http://www.crankyyankees.com/Induction% ... 0Page.html - dachte an die 2. Version. Die ist auch sehr ähnlich der Schaltung die kilovolt mal benutzt hat: http://www.kilovolt.ch/induction_heater.htm. Bin noch nicht ganz sicher, ob ich die Version mit Mittelanzaptung an der workcoil oder ohne und dann mit 2 Chokes an beiden Seiten baue. Gibt es da Vor- und Nachteile für die beiden Versionen?

Wie ist das mit der Spannungsfestigkeit der Caps im Schwingkreis? Man sagt, das die Mosfets mind. die 4-fache Speisespannung vertragen sollen, das wären für mich dann mind. 200 V. Für die Kondensatoren muß man wohl noch etwas mehr draufpacken - reichen 400...500 V=?
Bin aber mit meinem Vorrat wohl auf der sicheren Seite: hätte 5 x WIMA MKP10 1 uF bei 1600V=/650~ und nochmal 5 WIMA MKP 1 uF bei 2000 V=.
Ich meine die kleineren sollten locker reichen. Könnte 3, 4 oder 5 Stk. davon parallel schalten.
Möchte mit der Frequenz im mittleren Bereich landen, so dass ich auch etwas größere Teile (z.B. Rohre bis 30mm DM) erhitzen kann. Hohe Frequenzen sind ja eher für kleine Teile geeignet (Skin Effekt).
Als workcoil dachte ich an 8-9 Windungen entweder in Cu-Rohr (für größere Leistungen) oder erstmal zum Testen CuL 3..4 mm DM. Das gäbe für eine Luftspule mit ca. 50-60mm DM eine Induktivität im einstelligen uH-Bereich (rechne mit 3...5 uH). Bei 4 uH und ca. 4 uF für die Caps komme ich auf eine Resonanzfrequenz von ca. 40 kHz.

Passen meine Überlegungen? Worauf müßte ich ggf. noch achten bei der Auswahl geeigneter Mosfets, Dioden und Gatewiderständen?
Bei größeren Leistugen sollte ich in jedem Fall eine Wasserkühlung der Coil und ggf. auch der Caps vorsehen. Zum Testen unterhalb von 1000W gehts vermutlich kurzzeitig auch ohne?

[VDX]

... hmmm fürs Mikro-Hartlöten hatte ich mir mal eine Mikroskop-Station mit einer 9Watt-IR-Laserdiode aufgebaut, was ziemlich gut funktionierte!

Aktuell habe ich etwas "ähnliches" mit zwei 200Watt-Laserdioden, also 400Watt NIR-Leistung auf einen Fleck von 0.3mm bis 2mm, je nach Fokussierung (ginge auch mit bis zu 6x200W bzw. 1.2kW) -- hab' damit auch schon einiges mit 1mm-Eisendraht aufgeschweißt bzw. ohne Flußmittel oder Zusatzstoffe "hartgelötet" ... mit Zusatzstoffen/Hartlot (bzw. Drähte aus eutektischen Legierungen) geht das noch viel besser

Viktor

[axonf]

Hallo und einen schönen Abend, hallo Multi KV, es ist doch interessant wie sich unsere Projekte doch kreuzen. Ich bin ein Fan vom Royer converter, weil die Schaltung so einfach genial ist und so vielseitig. Ich bevorzuge die einfache Grundschaltung ohne viel schnikschnak , aber alles mit viel Luft nach oben. Mit zwei 300 Ampere 1200 Volt Briks mit 2,5 KW Verlustleistung brauchst du schon 120 Ohm 10 Watt Gatewiderstände mit 5 Watt Zener und 5 Watt UF Dioden. Ich favorisiere den Aufbau mit Mittelzapfung und Hochstromtrafo, da haste ein fest vorgegebenes Anschwingverhalten und du schaltest erst einmal mehr Spannung und weniger Ampere, und du hast den Einschaltstrom und den Impulsstrom besser in Griff. Mein Setup mit Niob Induktionsspule kann Temperaturen weit über 2000 Grad Celsius erreichen, ein Niobheizzylinder zeigte schon schmelzspuren, ist aber alles etwas unspektakulär weil eben im Vakuum. Ich wünsche noch einen schönen Abend der axonf.

[MaxZ]

Lustig. Ich bin ebenfalls dabei mich damit zu befassen. In einem ersten Schritt wollte ich nen kleinen Royer-IH bauen, ganz ähnlich Mazillis simplistischen Ansatzes. Diese Schaltung lässt sich sehr gut bei 1-2kW nutzen. Bis 4kW kommt man noch durch Parallelschalten mehrerer MOSFETs, weiter jedoch eher schlecht. Das Problem ist der Spannungsabfall über die DS-Strecke (bzw beim IGBT: CE-Strecke), der bei hohen Leistungen verhindert, dass die Gatespannung ausreichend tief fällt. Dann schalten die Leistungshalbleiter nicht mehr richtig ab, setzen massig Verlustleistung um, und gehen hops.
Ich habe mich daher dran gemacht, eine möglichst einfache Schaltung für eine netzspannungsfähige Variante zu entwerfen mit verbesserter Ansteuerung. Ich denke ich hab da was brauchbares hinbekommen, möchte sie aber noch austesten bevor ich den Erfolg oder Misserfolg hier vorstelle.

Ich kann nur dazu raten, selbst in LTspice die Schaltung nachzubauen - insbesondere mit MOSFETs funktioniert das recht gut und schnell. So konnte ich z.B. beobachten, dass die höchste Überspannung an den MOSFETs beim Einschwingen - insbesondere bei geringer Last. Es könnte aber sein, dass Sättigungseffekte der Stromdrosseln in der Praxis für ein anderes Einschwingverhalten sorgen. Theoretisch kann LTspice Sättigung korrekt simulieren, ich hab's auch versucht, aber es kam nur Mist raus. Wahrscheinlich mein Fehler.
Beim Einschwingen scheint an den MOSFETs unter ungünstigen Umständen auch mehr als die 4-fache Überspannung auftreten zu können. Im Betrieb bei hoher Last deutlich weniger. Mit Schwingkreisspannung und -strom hat das wenig zu tun. Ich muss auch gestehen, dass ich nicht so sehr darauf geachtet habe in meinen Simulationen.
Grundsätzlich scheinen deine Werte zu passen.

Lesenswerte Links über die ich bei meiner Recherche gefallen bin: Jörg Rehrmanns InterNetzteil- und Konverter-Handbuch: Dort findet sich u.a. die Erklärung zum Unterschied zwischen einer, und zwei Drosseln. De facto betreibst du damit übrigens ne Stern->Dreieck Umwandlung (Stern: Workcoil1, Workcoil2, Drossel in einem Punkt verbunden => Dreieck: Workcoil, Drossel1, Drossel2 in einer Schleife angeordnet). Ebenfalls interessant ist seine "Anmerkung", dass die obligatorische Drossel gleichzeitig die Drossel eines Buck Konverters sein kann, womit sich der eigentlich nicht regelbare Royer-Oszillator ohne riesigen Mehraufwand über große Bereiche regeln kann. Sollte meine Ansteuerung funktionieren, werde ich versuchen damit einen XXL-Audio-Plasmaspeaker zu basteln.
Diese Masterarbeit behandelt die Prinzipien des Royer Konverters ausführlich und verständlich, vergleicht sie mit anderen Topologien, und präsentiert schließlich einen vielversprechenden Ansatz für eine effiziente, diskrete Gateansteuerung. Meine Versuche haben hierauf aufgebaut, wobei ich den Ansatz so weit es ging vereinfacht habe. Es scheint so, als wäre das Ergebniss effizienter, und im Gatesignal sauberer als Jörg Rehrmanns fortgeschrittene Variante. Aber wie gesagt, in der Praxis bewährt hat sich bei mir noch nix.


Liebe Grüße,
Max

[Multi-kv]

Danke Euch für den interessanten Input. Der Unterschied und die Auswirkungen der Versionen mit ein oder zwei Drosseln würde mich schon interessieren - muß ich mal nachlesen bei Jörg Rehrmann. Bin auch gespannt auf Deine Schaltungsvariante, Max Was mich bei der Mittelanzapfung etwas stört ist die etwas kompliziertere technische Umsetzung und der evtl. kleine Verlust an Flexibilität beim Einsatz der workcoil wenn man sie mal in verschiedenen Positionen oder räumlich ungünstigen Verhältnissen einsetzen muß. Habe als Werkstudent mal in einer Schlosserei an einer HF-Hartlötstation gearbeitet. Dort hatte die workcoil oft nur eine Windung und wurde in der Form oft dem Werkstück angepasst. Dazu müßte man aber die Schaltung von vornherein wohl mit nur einer Windung konzipieren und die Frequenz wäre wohl auch deutlich höher. Diese wurde damals mit einer speziellen HF-Röhre erzeugt, die auch mal getauscht werden mußte. Das war ein recht teures und großes Teil soweit ich mich erinnere - ist über 30 Jahre her

P.S.: Wenn ich Jörg Rehrmann da richtig verstehe, ist das einzige Argument gegen die Version ohne Mittelanzapfung das man dann 2 Drosseln braucht und die Gesamtbelastung der Drosseln dann höher ist (also Faktor 2 gegenüber der Version mit nur einer? - was aber jede Drossel so belastet wie nur die eine in der Schaltung mit Mittelanzapfung?). D.h. das durch die Mittelanzapfung der gesamte workcoil-Strom fließt und deshalb natürlich mind. genauso dick ausgeführt werden muß - was bei 4mm CuL schon schwierig wird, insbes. wenn die Spule sehr heiß werden kann.
Bei den China-IH-Modulen sieht man immer 2 Drosseln, d.h. sie arbeiten ohne Mittelanzapfung und sollen wohl recht effizient sein.
Wenn man die Workcoil möglichst flexibel und austauschbar gestalten möchte, sollte man m.E. versuchen ohne diese Mittelanzapfung auszukommen - was meint ihr?

Wie groß sollte die Induktivität der Drosseln sein? Man liest häufig von Werten 40... 200 uH. Habe aber auch schon gelesen, dass die Drossel(n) gar nicht nötig wären - sie haben ja aber den Zweck den Wechselstromanteil zu reduzieren und auch das Anlaufverhalten zu "glätten" und den Inrushcurrent zu dämpfen, wenn ich es richtig verstehe? Gleichzeitig sollte nach Rehrmann die Induktivität "so niedrig wie möglich" sein - aber was heißt das genau? Wieviel ist denn nötig? Gibt es da eine Faustformel in Abh. von der Induktivität der workcoil oder der Resonanzfrequenz?

[axonf]

Hallo und einen schönen Morgen, hallo Multi KV. Ich denke die Variante mit dem Hochstromtrafo hat auch einen weiteren Vorteil , die Schaltung schwingt auf der Frepuenz des Schwingkreises Primärspule, mit einer höheren Induktivität. An die Sekundärseite kann man dann als Workcoil dranhängen was man braucht. Bein Hartlöten im Werkzeugbau hat man oft eine Spule mit einer Windung und einer komplizierten Geometrie. Bei Sintern und schmelzen von Aluminiumoxid mit dem Induktionsheizer, habe ich ein Foto eines solchen Transformators gepostet. Eine Schutzbeschaltung wie der royer Projektor finde ich auch Interessant. Bei den Schaltungshalbleitern muss man ein gutes Pärchen finden, mit unterschiedlichen Fertigungstoleranzen, damit sicher einer zuerst schalten kann. Ansonsten achte ich immer darauf, Bauteile von gleichen Chargen zu verwenden. Beim Schwingkreiskondensator würde ich ein low ESR Snubber mit einer großen Kontaktfläche verwenden, diese kann man gut über ein Kupferblech kühlen. Für einen speziellen Anwedungfall habe ich mir noch zwei von Celem besorgt, diese sind ganz aus Kupfer und können direkt auf einen Anschluss mit Wasserkühlung aufgeschraubt werden. Ein schönes Wochenende wünscht euch der axonf.

[axonf]

Hallo Multi KV, die wichtigste Arbeitsgrösse ist die Frequenz , die bestimmt die Eindringtiefe des Stromes und das Koppelverhalten, bei Plustherm CH gibt es schöne Beispiele und einen Onlinerechner dazu, ich finde die Vorgeschlagenen Frequenzen sehr niedrig. Nach meiner Erfahrung koppelt Edelstahl 1.4301, 1.4842 oder auch Hasteloy sehr gut bei 12 kHz an. Wie es mit Kupfer oder Alu aussieht kann ich dir nicht sagen. Bei veränderlichen Frequenzen bist du mit einem Gegentaktwandler, Halb oder Vollbrücke besser bedient. Viele Grüße von axonf

[Multi-kv]

Hallo axonf,
12 kHz wäre ja aber noch viel niedriger als meine angedachten 40 kHz. Ja, ich denke 40 kHz ist schon im unteren Bereich - vielleicht sollte ich besser auf 60..80 kHz gehen. Vorteile bei niedriger Frequenz ist halt das die Mosfets nicht so belastet werden, ebenso der Koppelkondensator. Edelstahl, Cu und Al sind ja auch nicht gerade die idealen Kandidaten für einen IH. Mußte damals in der Schlosserei auch Edelstahl mit HF hartlöten - war nicht einfach und dauerte deutlich länger - ging dann aber schon. Kommt sehr auf die Sorte des Edelstahls an. Bei den ferritischen Sorten gehts wohl noch, bei den martensitischen kaum noch. Es gibt sogar Spezialsorten für den U-Bootbau die sind nahezu überhaupt nicht magnetisierbar.

[Multi-kv]

Wollte mir das Teil eigentlich über das Wochenende mal schnell zusammenbauen - dachte ich hätte alle benötigten Teile da - stellte dann aber fest, das mir doch genügend spannungsfeste Mosfets fehlten und auch schnelle Dioden nicht in der nötigen Spannungsfestigkeit vorhanden waren. Habe mir als Mosfets mal die IRFP4332 (250 V, 57A, Rdson = 29 mR) und die IRFP4668 (200V, 130A, Rdson = 10 mR) bestellt Vermutlich reicht mir der 4332 - falls ich mal noch mehr Strom brauche, versuche ich den 2.
Als schnelle Dioden habe ich die RHRP3060 "hyperfast" 30A, 600 V bestellt, recovery time 45 ns - das sollte wohl reichen
Zusammen mit den recht gut dimenionierten Caps sollte das was Spannendes werden
Den Choke werde ich selber wickeln - wie finde ich die optimale Induktivität?
Muß jetzt aber erstmal 3...4 Wochen warten...

[kilovolt]

Hallo Multi-kv

Ein interessantes Projekt hast Du da begonnen Werde sehr gerne hier ab und zu reinsehen. Einen grösseren IH würde ich auch gerne mal bauen, aber naja, alles zu seiner Zeit

Hast Du gesehen, dass der IRFP4668 zwar ziemlich krasse Werte hat, aber auch eine Gatekapazität von fast 11nF aufweist? Das ist praktisch so viel wie ein Semikron IGBT-Brick SKM200GB128D hat. Ich bin nicht ganz sicher, ob dies ein Problem sein könnte in einer Royerschaltung. Habe dazu leider keine praktisch Erfahrung, aber da ein Royer ja ein selbstschwingendes System ist, welches mit einem Feedbacksignal schaltet, ist das schon was anderes als bei einer Brücke, wo man bei Bedarf fast beliebige Treiberleistungen zur Verfügung hat. Wobei gut, es gibt natürlich auch aufwendigere Royerschaltungen mit Treiber, aber dann fragt sich natürlich auch, ob man nicht gleich eine Brücke bauen kann mit fast demselben Aufwand. Wenn Du bei der simplen Standard-Royer-Variante bleiben willst, würde ich mir den Einsatz des IRFP4668 schon gut überlegen oder vorher bei niedrigen leistungen mal schauen, wie gut der angesteuert wird.

Beste Grüsse
kilovolt

[Multi-kv]

Guten Morgen kilovolt,

vielen Dank für den Hinweis - das hatte ich tatsächlich nicht bedacht. 11nF ist wirklich schon eine Menge - aber da ich mit relativ moderaten Frequenzen (40 - 50 kHz) plane, könnte das noch klappen. Habe aber auch noch den IRFP4332 bestellt (250 V, 57A, Rdson=29 mR) bestellt, der hat eine Gatekapazität von knapp 6nF Vermutlich werde ich ohnehin mit dem anfangen, da er spannungsfester ist. Wenn ich tatsächlich mal Ströme über 50A jemals brauche, würde ich den anderen versuchen. Werde dann erstmal mit kleineren Spannungen ein paar Messungen machen, um zu sehen wo ich da so rauskomme und wo ggf. die Schwachstellen sind.
Brauche ich evtl. stärkere Dioden oder andere Werte für die Widerstände wenn ich so hohe Gatekapazitäten habe? Bin leider nicht so bewandert, wie man so eine Schaltung sauber berechnet - in der Praxis sind Messungen am Ende wohl aussagekräftiger?

[kilovolt]

Brauche ich evtl. stärkere Dioden oder andere Werte für die Widerstände wenn ich so hohe Gatekapazitäten habe? Bin leider nicht so bewandert, wie man so eine Schaltung sauber berechnet - in der Praxis sind Messungen am Ende wohl aussagekräftiger?

Ich würde die Teile für andere Gatekapazitäten nicht anders wählen. Klar, die Rückkopplungsdioden müssen natürlich die kurzzeitigen Ströme für das Umladen der Gates liefern, aber das dürfte mit den meisten Dioden machbar sein. Wichtig ist, dass es keine langsamen Netzdioden sind, sondern wirklich schnelle wie beispielsweise MUR460, MUR860, MUR1560 oder sonst was schnelles.

Die 10kOhm-Widerstände an den Gates kann man auch so belassen. die sind nur dafür da, dass die Gates immer klare Potentiale haben gegenüber den Sources, weil das ja sonst aufgrund der hochohmigen Gate-Source-Strecken nicht gegeben wäre. Der Wert ist nicht so kritisch, das würde auch mit ähnlichen Werten funktionieren. Die 470-Ohm-Widerstände hingegen richten sich nach der Höhe der Betriebsspannung. Sie sorgen dafür, dass die Gates bereits eine leichte Vorspannung erhalten, welche dann durch die Z-Dioden begrenzt wird. Da die Z-Diode natürlich nicht beliebig hohe Ströme verkraftet, müssen die Vorwiderstände zwischen Gates und Betriebsspannung, so dimensioniert sein, dass der Ruhestrom nicht höher wird als das, was die Z-Diode verkraftet. Dies bedeutet natürlich, dass bei höherer Betriebsspannung diese Widerstände entsprechend hochohmiger dimensioniert werden müssen. Das Problem, das sich dann daraus ergibt, ist der Leistungsverlust bei den Widerständen. Man kann die Gatevorspannungen aber auch mit einem separaten Netzteil zur Verfügung stellen, dann hat man solche Probleme nicht.

Beste Grüsse
kilovolt

[Multi-kv]

Vielen Dank, kilovolt - ich denke damit komme ich klar.
Meine Z-Dioden vertragen glaube ich 1,3 W - mal sehen ob das reicht.
Hast Du die workcoil damals gekühlt oder einfach nur den dicken Cu-Draht verwendet?
Werde es auch erstmal mit 3..4 mm CuL probieren - das sollte ja bis 25...30 A gut funktionieren und reicht allemal für erste Tests und Messungen.
Wenn es weit darüberhinaus geht, werde ich wohl auf 6 oder 8mm Cu-Rohr umsteigen und eine Wasserkühlung vorsehen.
Jetzt muß ich aber erstmal gut 4 Wochen warten bis die Teile da sind ...

[Multi-kv]

Habe mal im web nach einer guten Erklärung der Royer-Schaltung für den IH gesucht und das hier gefunden:
https://www.youtube.com/watch?v=gikA41YXEl8
Dort versucht "ElektronikLabor" die Schaltung zu erklären ab min. 25 etwa. Er ist etwas langatmig aber versucht der Schaltung schön auf den Grund zu gehen.
Ich muß zugeben, mir ist die ganz genaue Funktionsweise nicht 100%ig klar, insbes. das Anschwingverhalten und weshalb es einen sehr schnellen Spannungsanstieg beim Einschalten bedarf,
damit der Royer Converter überhaupt zum Schwingen kommt.
Ich habe die Schaltung auch mal in LTspice simuliert (workcoil ohne Mittelanzapfung und mit 2 Drossel an den beiden Seiten):

Die workcoil habe ich mit 3uH, die beiden Chokes mit 120 uH und jeweils 3mR ESR angegeben. Der Schwingkreis-Cap hat 3 uF und 10mR ESR (denke, das ist für gute MKP10 mit 1uF realistisch? - habe nirgends einen konkreten Wert für den ESR in den Datasheets gefunden). Die Eingangsspannung hat DC 40V mit einer schnellen Anstiegsflanke von 6 us. Das Diagramm zeigt die Spannung über der Workcoil. Sinkt die Ansiegsflanke der Eingangssapnnung auf 10 us ab, sieht die Simulation so aus:

Die Schwingung bricht zusammen bzw. reduziert sich auf einzelne Blöcke, die im Abstand von ca. 1 ms auftreten. Außerdem steigt die Spannung auf den ca. 5-fachen Wert von knapp 100 auf nun über 500V! Das hätte natürlich verheerende Auswirkungen auf die Mosfets (wenn sie nur eine Spannungsfestigkeit von 250 V aufweisen).
Dieses Ergebnis kann jetzt evtl. nur durch die Simulation entstehen, weil es ja praktisch eine "perfekte" Schaltung ohne Nebeneinflüsse wie Ungleichgewichte, Störinduktivitäten und -Kapazitäten ist, aber man hört allgemein, das der Royer Converter keinen "Sanftanlauf" verträgt (Hochdrehen über Variac beispielsweise).
Man kann dieses unerwünschte Verhalten in der Simulation dadurch unterbinden, indem man die Chokes größer wählt:

Hier habe ich bei gleicher Anstiegsflange von 10us die Chokes auf 200 uH erhöht und die Schwingung ist wieder sauber.
Das gleiche Problem tritt in der Simulation auch auf, wenn die Ansteigsflange der Eingangsspannung gleich bleibt, aber die Spannung höher gewählt wird: auch hier neigt die Simulation dann zu diesen Aussetzern mit deutlich erhöhten Spannungsspitzen. Jetzt sollte man die Induktivität der Drosseln aber so gering wie möglich wählen um insges. die Verluste niedrig zu halten und möchte dennoch in der Spannung variabel sein (12...50 V sind angepeilt). Sind die Simulationsergebnisse nun Quatsch oder treten solche Effekte auch in der Praxis auf? Habt ihr schon einmal ähliche Messungen an Euren IH-Schaltungen gemacht? Wäre auf Eure Ergebnisse sehr gespannt!

[stoppi]

L3 stimmt in deiner Schaltung nicht...