PDF《电磁炉设计方案》

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COM 电磁炉设计方案 [概述] 电磁炉作为厨具市场的一种新型灶具 它打破了传统的明火烹调方式采用磁场感应电流 又称为涡流 的加热原理 电磁炉是通过电子线路板组成部分产生交变磁场 当用含铁质 锅具底部放置炉面时 锅具即切割交变磁力线而在锅具底部金属部分产生交变的电流 即涡 流 涡流使锅具铁分子高速无规则运动 分子互相碰撞 摩擦而产生热能 故 电磁炉煮 食的热源来自于锅具底部而不是电磁炉本身发热传导给锅具 所以热效率要比所有炊具的效 率均高出近

1 倍 使器具本身自行高速发热 用来加热和烹饪食物 从而达到煮食的目的 具有升温快 热效率高 无明火 无烟尘 无有害气体 对周围环境不产生热辐射 体积小 巧 安全性好和外观美观等优点 能完成家庭的绝大多数烹饪任务 因此 在电磁炉较普及 的一些国家里 人们誉之为 烹饪之神 和 绿色炉具 [工作原理框图] 电磁炉控制板 电源AC/DC 按键控制 显示 保护检测电路 主谐振电路 锅具 驱动电路 以下将以主谐振部分 保护检测部分和其他部分等 分别探讨其工作原理 解决方案和注意 事项 Tel: 020-81515320 Fax: 020-81628995 Http //www.yjmcu.com WWWYJMCU.COM [主谐振部分] 电磁炉的主电路如图

1 所示 市电经桥式整流器变换为直流电 再经过电压谐振变换器 变成频率为 20-30KHZ 的交流电 电压谐振变换器是低压开关损耗的零电压型 ZVS 变换 器 功率开关管的开关动作由单片机控制 并通过驱动电路完成 电磁炉的加热线圈和负载锅可以看作是一个空心变压器 次级负载具有等效的电感和电 阻 将次级的负载电阻和电感折合到初级 可以得到图

2 所示的等效电路 其中 R 是次级电 阻反射到初级的等效负载电阻 L 是次级电感反射到初级并与初级电感 L 相叠加后的等效电 感 当电磁炉负载 锅具 的大小和材质发生变化时 负载的等效电感会发生变化 这将造 成电磁炉谐振频率变化 这样电磁炉的输出功率会不稳定 常会使功率管 IGBT 过压过流损 坏 针对这种使电磁炉输出功率不稳定的问题 首先我们先了解一下主谐振电路的工作过程 电磁炉主工作过程 电磁炉主电路的工作过程可分为三个阶段 其各阶段时序如图

4 所示 Tel: 020-81515320 Fax: 020-81628995 Http //www.yjmcu.com WWWYJMCU.COM 时间 t1~t2 时当开关脉冲加至 IGBT 的G极时, IGBT 饱和导通,电流 i1 从电源流过 L, 由于线圈感抗不允许电流突变.所以在 t1~t2 时间 i1 随线性上升,在t2 时脉冲结束, IGBT 截止,同样由于感抗作用,i1 不能立即变 0,于是向 C 充电,产生充电电流 i2,在t3 时间,C 电荷充 满,电流变 0,这时 L 的磁场能量全部转为 C 的电场能量,在电容两端出现左负右正,幅度达到 峰值电压,在IGBT 的CE 极间出现的电压实际为逆程脉冲峰压+电源电压,在t3~t4 时间,C 通过L放电完毕,i3 达到最大值,电容两端电压消失,这时电容中的电能又全部转为 L 中的磁能, 因感抗作用,i3 不能立即变 0,于是 L 两端电动势反向,即L两端电位左正右负,由于阻尼管 D 的存在,C 不能继续反向充电,而是经过 C D 回流,形成电流 i4,在t4 时间,第二个脉冲开始到 来,但这时 IGBT 的UE 为正,UC 为负,处于反偏状态,所以 IGBT 不能导通,待i4 减小到 0,L 中 的磁能放完,即到 t5 时IGBT 才开始第二次导通,产生 i5 以后又重复 i1~i4 过程,因此在 L 上 就产生了和开关脉冲 f(20KHz~30KHz)相同的交流电流 t4~t5 的i4 是阻尼管 D 的导通电流 Tel: 020-81515320 Fax: 020-81628995 Http //www.yjmcu.com WWWYJMCU.COM 在高频电流一个电流周期里,t2~t3 的i2 是线盘磁能对电容 C 的充电电流,t3~t4 的i3 是逆程 脉冲峰压通过 L 放电的电流,t4~t5 的i4 是L两端电动势反向时, 因D的存在令 C 不能继续 反向充电, 而经过 C D 回流所形成的阻尼电流, IGBT 的导通电流实际上是 i1 IGBT 的VCE 电压变化:在静态时,UC 为输入电源经过整流后的直流电源,t1~t2, IGBT 饱 和导通,UC 接近地电位,t4~t5,阻尼管 D 导通,UC 为负压(电压为阻尼二极管的顺向压 降),t2~t4,也就是 LC 自由振荡的半个周期,UC 上出现峰值电压,在t3 时UC 达到最大值 以上分析证实两个问题:一是在高频电流的一个周期里,只有 i1 是电源供给 L 的能量, 所以 i1 的大小就决定加热功率的大小,同时脉冲宽度越大,t1~t2 的时间就越长,i1 就越大, 反之亦然,所以要调节加热功率,只需要调节脉冲的宽度;

二是 LC 自由振荡的半周期时间是出 现峰值电压的时间,亦是 IGBT 的截止时间,也是开关脉冲没有到达的时间,这个时间关系是不 能错位的,如峰值脉冲还没有消失,而开关脉冲己提前到来,就会出现很大的导通电流使 IGBT 烧坏,因此必须使开关脉冲的前沿与峰值脉冲后沿相同步 从以上分析得知 负载的变化导致电磁炉的谐振频率不稳定 而谐振频率的变化导致电 磁炉工作频率和谐振频率失步 从而造成峰值脉冲还没有消失 而开关脉冲己提前到来,就会 出现很大的导通电流使 IGBT 烧坏 那么如何才能让开关脉冲的前沿与峰值脉冲后沿相同步哪 一种是保持谐振频率高于 工作频率 这样我们就可以在开关脉冲到来之前进行过零检测来开启 IGBT 要实现这种方案 就的把 PWM 频率降低 并且要求谐振频率即使在无锅情况下的频率也要大于工作频率 这种 方案可能有以下缺点

1 噪音大

2 功率提不上去

3 就是很大的高频干扰等 第二就是用同步的方法 在硬件上增加同步电路和锁相环控制 这种方案现在市场上比 较流行 它用硬件的方法使工作频率和谐振频率同步 并限制一些高的或低的谐振频率出现 例如有些很低的频率将会影响到电磁炉的噪音 或者有些很高的频率会影响到电磁炉的功率 等 用同步工作的方法时 应该使 PWM 频率跟随谐振频率变化 并保持 PWM 占空比不变 如果限制的谐振频率出现时 电磁炉应处于不工作保护状态 其在电路上的设计 LC 谐振电 路的 L 值要小一点 C 值也要小点 这样可以使电磁炉在没有负载的情况下 具有很高的谐 振频率 一旦加上负载后 谐振频率范围也不会有很大的降低 使其频率周期尽量落在 PWM Tel: 020-81515320 Fax: 020-81628995 Http //www.yjmcu.com WWWYJMCU.COM 周期内 软件设计时 我们只需用一个试探电压对其谐振频率进行测量 试探电压是一个占 空比很小的 其周期较大的 PWM 脉冲 然后根据谐振频率的大小 同比增加减小 PWM 周期保持其输出功率不变 但要注意 PWM 周期一定要大于或等于谐振频率 并在导通 IGBT 时 要先进行过零检测 保证不会因为峰值脉冲和开关脉冲同时出现 这样 我们可以方便 的通过试探电压对谐振频率的检测 我们就可以很容易判断是否有无锅和小物件等 因为如 果有负载的情况下 谐振电路的频率值会变小 根据谐振频率值的变化范围就可以达到以上 检测目的 [保护部分] 电磁炉主要的部分就是谐振电路 谐振电路可靠性很大程度的影响到电磁炉工作的可靠 性 为此 针对谐振电路的保护就有很多种 例如 VAC 检测保护 电流检测保护 VCE 检测 保护 浪涌电压检测保护 过零检测 锅底温度检测保护 IGBT 温度检测保护等 能使谐振电路中最重要的元件 IGBT 损坏的因素是 过流和过压 以及温度过高等 其 中过流是使 IGBT 损坏的重要因素 所以我们将要讨论一下如何才能在不影响电路正常工作状 态下 对流过 IGBT 的电流大小进行准确测量 在讨论检测电流时 我们应该了解一下 什么原因造成过流 造成过流的情况只有两种 情况一种是输入电压超过电磁炉额定电压 另一种情况是 谐振电路中出现峰值脉冲和开关 脉冲同时出现的现象 对于第一种由于输入过压促使电路过流情况 我们可以用过压和浪涌 检测保护电路来排除 对于第二种情况我们重点讨论的对象 对过流电流的检测有两个部分 一是利用电流互 感器对其测量 电流互感器只是对 AC 电进行检测 它主要是检测整个电路的负载变化情况 二是通过检测谐振回路的电压进行测量谐振电路中电流的过零点和过流大小检测 具体实现 方法是 利用电流互感器对输入交流电进行测量 来确定整个电路的负载大小 并通过把检 测到的电流值输入到单片机中进行处理 单片机接收到电流的大小值 时时调整 PWM 频率 并保证 PWM 占空比不变或是关闭电磁炉工作 电流互感器的检测 虽然能使谐振周期尽量落 在PWM 周期内 但是 想要谐振电路峰值脉冲的后沿出现在开关脉冲前沿前 就需要进行对 Tel: 020-81515320 Fax: 020-81628995 Http //www.yjmcu.com WWWYJMCU.COM 谐振电路峰值脉冲进行过零检测 当在谐振回路上的检测电路检测到谐振回路电压值有正到 负变化或是电压值很小时 这时候就可以等待开关脉冲的到来 如果检测不到谐振回路的电 压值正负变化或是变的很小时 单片机就不能发出开通 IGBT 信号 以免由于误导通而使 IGBT 烧坏 如果长时间不能检测到过零信号时 只能被迫停机 并显示故障原因 同时还要检测 流过 IGBT 电流的大小 如果电流过大 就立即减小 PWM 占空比或停机发出报警信号 因此只要通过检测整个电路的负载大小调整输出的 PWM 频率大小 并检测谐振回路的过 零点导通 IGBT 以及检测谐振回路的电流大小就可以有效的控制 IGBT 中流过电流的强度 从而保证谐振电路的可靠工作 [其他注意事项] 提锅检测 提锅检测是为了防止负载剧烈变化时烧坏 IGBT 因为在有锅和无锅时 都会影响到谐 振电路的参数变化 导致流过 IGBT 的电流升高 所以只要以上的过流检测和保护电路稳定就 能防止提锅时发生的大电流情况 小物件检测 小物件检测就是防止要加热的物件不正确而损坏物件 通常是检测谐振电路的频率大小 或是检测谐振回路电流大小 这要保证单片机输出的 PWM 宽度不能太大 而且要保证 PWM 周 期为最大值 通过检测在导通 IGBT 时流过的电流大小就可以判断出来是否为小物件 电磁辐射和干扰问题 由于电磁炉是依靠电磁感应来加热的 因此在其工作过程中会产生电磁泄露 在一定的 范围内的环境会构成电磁污染 所以在电磁炉非工作区域应加撞电磁屏蔽层和电磁吸收装置 以免对人和设备造成危害 Tel: 020-81515320 Fax: 020-81628995 Http //www.yjmcu.com ........