控制电磁炉的IGBT准谐振电路的拓扑研究

JOU天津大学，联合国天津图书馆，第35卷，第IV卷，ERSIT YVol. 2002年11月635号2002年11月6日I GB T准谐振电路控制电磁炉的拓扑研究Research刘希真1，周文君1，宋庆红2，黄国元2，苏颖子1（1. 温州信息学院大学，温州325027； 2. 天津大学自动化与能源工程学院，天津300072）摘要: 为解决传统电磁炉热效率低，可靠性差的缺点，作者采用了一种新的控制方案，具有两个特点: 将传统的交流侧“恒流”控制改为直流侧“固定脉宽电压调节”控制，避免了电力电子设备的浪涌电压击穿的可能性；软开关电路使电力电子设备能够在零电流零电压开关状态下工作，大大降低了开关损耗，提高了整机效率. 经过一年的连续运行，该机器被证明是非常可靠的，并且其热效率高于传统的电磁炉. 关键字: 电磁炉；准谐振；斩波器绝缘栅双极晶体管CLC编号: TN342. 4文件代码: A商品编号: 049322137（2002）0620778205一种由功率电子电路组成的高频电磁炉是一种新型电磁炉，它利用电磁感应原理涡流加热锅体，其工作频率为20-30k Hz的最大功率和700-2600W的最大功率. 由于其高热效率，因此易于使用，无烟，无气体污染，安全卫生等优点. 这些优点非常适合现代家庭烹饪. 但是，现有的电磁炉的可靠性差，特别是在高功率档的锅底反复进行和低功率档的长期运行过程中，功率管经常被击穿烧毁. 近年来，尽管一些制造商致力于改善和研究电磁炉电路，例如加强对浪涌电压和浪涌电流的快速保护，但仍使用绝缘栅双极晶体管（IGT）代替大功率晶体管（GTR），采用微电脑控制技术的产品技术在性能上有一定的提高，但可靠性仍不能令用户满意. 这是因为传统电磁炉的锅具采用直流侧“恒压，脉冲宽度”，交流侧“恒流”的控制方法[1]，不能从根本上适应电磁炉的特殊负载炊具. 电磁炉锅的负载是一个耗能设备，并且品质因数（Q值）低. 如果处理不当，电路将不会完全准谐振. 在烹饪过程中，电磁炉的用户需要放在锅上. 下端移动，这时，磁路中感应线圈与锅体的互感系数M连续变化，反映出电力电子电路中的感性负载阻抗发生了大而快速的变化. 这种变化很可能引起共振过程. 中功率管的过电压会损坏它.

如何使电磁炉自动适应低Q大变化的负荷，真正成为高效低耗的“傻瓜”电磁炉，是亟待解决的技术问题电磁炉电路图讲解，也是新电磁炉追求的目标. 1新型电磁炉的基本工作原理新型电磁炉的主电路原理图如图1所示. 从图中可以看出，该电路由三部分组成: 整流滤波电路，高压滤波电路. 斩波电路和电磁炉的主电路. 其中，桥式整流器QL，滤波电感器L 0和电容器C0形成平滑的整流器滤波电路，可以提供稳定的直流电压并隔离电网和电磁炉之间的高频干扰. 高频斩波电路主要由主功率场效应晶体管（功率MOS2 FET）V1和用于关闭场的辅助管组成. 效果管V2构成为产生具有不同占空比的方波电压，并且通过高频滤波电感器L 1和滤波电容器C1和C2进行滤波，从而为电磁炉电路提供稳定且可调的直流电源U S. 图2中的二极管VD1被形成为二极管D. 1是续流二极管为主开关V1断开后的L 1续流提供了一条路径； L和C形成可控的高频谐振电路，以确保主开关V1的零电流导通和零电流截止. 电磁炉的主要电路主要组件是扇形感应线圈LP，磁罐A，谐振电容器C3和绝缘栅双极晶体管（I GB T）V3. 当开关V3导通时，线圈中的电流呈指数上升，当开关V3截止时. 此时，感应线圈LP，锅体A和谐振电容器C3谐振. 这是典型的零电压准谐振电路，可以大大降低开关管V3的开关损耗. 与现有电磁炉相比，新型电磁炉的主要电路结构为: 仅增加了一个高频斩波电路，这种结构上的改变可以将传统的交流侧“恒流”控制方式转变为直流侧“固定宽度”电压调节”控制模式. 在此控制模式下，功率管V3驱动. 脉冲宽度恒定，电磁炉主体的功耗完全取决于直流电源电压US. 当图1中的给定电压U g增加时，直流电压控制器，以及输出电压US上的采样电阻器R1，比较R2的分压UV会自动增加功率管V1的驱动脉冲的占空比，从而使输出直流电压US上升，从而增加输出力量，反之亦然. 这种控制方法完全避免了电的瞬变Ξ收稿日期: 2002201202.作者简介: 刘锡珍（1947年—），男，讲师. 2002年11月刘锡镇等: 控制电磁炉的IGB T准谐振电路的拓扑研究穿上功率管的问题进一步提高了整机的可靠性. 另较弱，原因是功率小，脉冲窄，开关电路的初始电流小，A值小，因此谐振电压没有零交叉点uc处于低Q负载锅炉状态，因此，当谐振电压降至最低点时，实际电路都会发出同步脉冲. 谐振电容器上的电压通过开关S强制放电，因此会产生大的浪涌电流，这会导致功率管发热，老化甚至损坏. 有关其实际工作电压和电流波形，请参见图4d. 新型电磁炉的功率范围较弱，由于脉冲较宽且固定ω为常数，因此公式（4） US，尽管（4）在共振期间e-2 Q t衰减，但是由于固定脉冲宽度的电压调节控制，齿轮的弱功率US相对较小，因此过零仍然可以发生. 它的工作波形与图4a中的大功率负载罐的波形完全相似，只是电流和电压幅度减小了. 只有小. 因此，新型电磁炉可以在功率调节范围内保持完全的准谐振状态，开关损耗低，电路效率高，并且可以在选定的功率范围内达到近似恒定的功率. 4 ZCS2PWM高频斩波在滤波器类型中: ω0= 1； ucmax = 2 U i. 当LCt = t3时，iL = iLmax;当t = t4时，当谐振电容器C上的电压上升到2 U i时，它对应于iL = I0. 由于在V2中存在二极管的隔离作用，谐振电容器C不放电，电路进入稳定状态. 为了确保主功率管V1在零电流下断开，在t1 = t5时，V2导通，并且谐振电容器uc通过V2放电，在V1截止之前先导通V2. 由于uc> U i，iL开始下降. 当t = t6，iL = 0时，V1的触发脉冲u G1被关闭. 零电流关闭后，谐振电容器C上的电压uc维持V1恒定电流I0，同时通过谐振电感L和V1存储二极管为输入电源Ui充电，当t = t7时uc = Ui当前iL为最大值；当uc降至Ui以下时，uc仍然提供I0，并由L释放. 它可以与uc一起为电源Ui充电. 当t = t8时，iL = 0充电完成. 此时，uc继续保持I0直到uc =0. 然后，续流二极管VD1替换uc保持I0. 高频开关电路的主要部分损耗是开关损耗. 观察图5c和5e中的波形，可以看到主电源开关V1的开关过程电压和电流的乘积非常小，理论ZCS开关损耗为零. 长期稳定状态工作在PWM模式下，导通时为额定电流I0，截止值为额定电压Ui，损耗小，性能理想. 脉宽调制（PWM）转换器是一个硬开关，并且在开关过程中会有很大的开关损耗和应力，但是它会导通和关断. 损耗很小，零电流开关（ZCS）转换器是一个开关. 软开关，并且开关损耗很小[3]，但是在开关时它会承受大电流或高电压. 新型电磁炉中使用的高频斩波器是ZCS和PWM. 该电路的集成电路可以兼顾两者的优点. 图5显示了高频斩波器的主要工作波形. 图5a和5b是主功率管V1和辅助断电功率管V2的触发波形. 5c和5e是V1. 工作电流和电压波形； 5d是谐振电容器C两端的电压波形. 在斩波电路中，L 1> L，因此L 1中的电流I0可以视为分析期间的恒定电流源. 当t = t1时，由于谐振电感L的作用，功率管V1触发导通. 电流iL只能从零逐渐增加. 当t = t2时，电流增加到恒定电流I0，并且续流二极管VD1截止. 此时，iL继续增加，大于I0的电流流经V2中的存储二极管. C带电，L和C开始谐振. 此阶段的状态方程为Cd uc dt = iL-O0（5）Ld iL dt = Ui -uc通过初始条件uc（t2）= 0和iL（t2）= I0 = U i [1-cos ω0（t-t2）]（6）图5高频斩波器的波形因为高频斩波器的输出使用软启动电路，所以它是Kai·782·天津大学学报. 35号6号机器或空锅，过电压和过热后会自动打开，输出电压uS总是从零开始逐渐升高，这样可以避免启动时主电路谐振电容器C3上的高压. 功率管V3进一步提高了可靠性. 5结束语高频电磁炉由新的拓扑电路组成，经过反复的过电压测试和反复的端锅实验，功率管V3并未因过电压和过电流而损坏. 连续通电超过一年未发生异常. 在25℃的环境温度下进行测试，在1600 W下，效率为87％，功率管V3的”，因此电力电子设备发生故障的可能性避免了浪涌电压. 其次，通过应用软开关电路，电力电子设备在零电压和零电流状态下工作，从而大大降低了功率损耗，并提高了效率. 经过一年的实验，该原型机非常可靠，其热效率比传统电磁炉更高. 关键词: 电磁炉；准共振;斩波器IGB T

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