仿真示例: 家用电磁炉电路的Pspice仿真和能量转换

【电网】家用电磁炉一般采用单管IGBT并联谐振电路. 由于电路简单，成本低廉，目前的电磁炉采用这种电路拓扑. 作者尚未验证这种电路拓扑的历史，但在我看来，电磁炉已有至少20年的历史，现在年产量至少为1000万台，这种拓扑应该成熟，并且其控制策略也应该成熟-有很多芯片制造商支持它. 我在Internet上搜索，没有人使用Pspice模拟电路拓扑. 不管怎样，我很忙. 我试图使用Pspice简化家用电磁炉中使用的单管IGBT并联谐振电路的建模. 作为主谐振电路的技术仿真.

根据数据，电磁炉的电磁线圈约为157uH，有的为105uH. 电容通常为0.15uF或0.2uF，电阻为0.6欧姆，工作频率约为20KHz. 这里我们使用105uH电感和0.2uF电容器以20KHz运行.

拓扑是

L = 105uH电磁炉电源电路图讲解，C = 0.2uF，R =0.6Ω，Us = 20V，

PW = 12.5us，PER = 50us

下图显示了电感器电流曲线:

下图中的绿线是电源电压，红线是IGBT的C极电压曲线.

在下图中，蓝色是电感器电流，绿色是电源电压，红色是IGBT-C极电压.

下图显示了电容器电流曲线.

下图显示了IGBT的电流曲线.

以下摘录为“张心德院长的电磁炉维修技术编辑” p31，[问题与解答30]

电磁炉LC振荡模式的核心电路是电磁炉的核心电路. 它的工作原理是LC并联谐振原理. 它通过电感线圈和振荡电容器连续充电和放电，以产生振荡波形. LC振荡电路的工作过程是: 当IGBT的C极电压为0V时，IGBT管导通（当监测电路检测到C极电压为0V时，IGBT导通），电感此时的线圈开始存储能量，当IGBT从导通到关断时，由于电感线圈的作用，电流仍将沿先前的方向流动. 由于IGBT处于关闭状态，因此电感器只能对电容器C充电，这会导致C极上的电压连续升高，直到充电电流减小到0时C极电压才达到最高. 此时，电容器C开始通过线圈放电，并且C极的电压降低. 当C极的电压下降到0V时，监视电路工作，IGBT再次导通，依此类推.

单管并联谐振电路很难接通和断开. 电容器的开路浪涌电流为40A，IGBT的开路浪涌电流为100A，因此电源必须是恒定电流源，即，电感较大的直流电源作为扼流圈.

关断应该是当电感器电流达到预定值时，监视电路会给出一个信号来关断IGBT. IGBT关断后，LRC进入自由振荡状态. 此时，电感器电流未达到2.2A的峰值，电容器放电. 电感器继续流过正电流. 大约1.8us之后，电感器电流达到2.8A的峰值，电容器放电. 放电完成后，电感器电流的大小和方向继续沿正向流动，以使电容器反向充电. 在21.4us时，电感器的能量存储被释放，电容器反向充电至52V；释放出电感的储能后，将电容器反转为电​​感放电. 28.5us时，电容器放电，电感电流反向达到峰值2.2A. 然后电感释放能量存储，继续流过电感电流的反方向，并向正方向充电. 通过35.7us，电感器存储完放电后，电容器将带正电至49V；释放电感的储能后，电容器向正方向放电. 在43us时，电容器放电，电感器电流正向达到峰值2.1A；电容器放电后，电感电流的大小和方向保持不变，正向流继续向电容器反向充电. 50us时，电感器电流降至0.1A，电容器反向充电至47V.

如果IGBT在50us时再次导通，此时，正向电感器电流减小至0.1A电磁炉电源电路图讲解，存储的正向电磁能量很小，重新注入的正能量不会与之发生冲突，剩余能量的影响很小；但是此时，电容器以相反的方向存储电场能量. 当IGBT再次导通时，IGBT相当于短路. 电容器电压（电源电压的2.35倍）和电源电压叠加并释放. 首先，浪涌电压非常大. 对IGBT的影响很大；其次，这部分能量被浪费了.

如果根据电磁炉的控制策略，当C极的电压降至0V时，监视电路将工作，并且IGBT将再次导通，依此类推. 从波形可以看出，C极电压有两个零交叉. 一个是30.5us，反向电流为2A. 第二个是41us，电感电流的正方向是2A. . 在控制方面，第一点更好. 但是，此时控制IGBT再次导通后，输入正能量将与电感器中的剩余能量冲突并相互抵消；沿电容器相反方向充电的电场能量将被短路并释放.

如果在第二点进行控制比较麻烦，但是此时电感器中的剩余能量为正能量，则该能量将被叠加，即电流将被叠加，这一点对硬关机控制；沿该方向充电的电场能量将被短路并释放.

从波形图中可以看出，当电感器反向电流仅为0，并且电容器中的电容器被充电至49V时，IGBT再次导通的最佳点为35.7us. 积极的方向. 如果此时IGBT导通，则电源会激励电流，并且电容器会沿电感器的正方向放电. 电感器的电流与IGBT的电流不同. 该控制基于IGBT电流，该电流可以保持工作频率稳定，但是电感器电流超出了设定值.

看来，这种“并联谐振电路”，无论采用哪种控制方法，虽然可以平稳工作，但内部能量转换存在问题. 电力是无形的和无形的. 推断电路的操作. 借助Pspice，我们可以看到电路的运行情况，还可以看到电路能量转换中的问题. 前一段时间，我写了一篇文章《关于SCR并联谐振转换器的能量转换》. 该文章指出，在这种类型的电路中存在能量转换的问题. 理所当然. 通过以上仿真，可以看出“并联谐振”电路拓扑存在问题，尽管这种拓扑已在变频电源行业中使用了很长一段时间.

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