小小电磁炉蕴含大智慧（四）电磁炉的功率控制原理

lhs大海 2011-05-11

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小小电磁炉蕴含大智慧（四）电磁炉的功率控制原理
在使用电磁炉的时候，根据不同的烹调用途，有必要控制电磁炉输出功率的大小，以便得到不同的烹调温度；好像我们使用一般炉具时的；小火、中火、大火。在电磁炉上面是依靠改变电磁炉输出功率的大小来达到控制烹调锅具热量的。并且电磁炉的锅具温控制可以更加的精细，可以达到任意的加热温度。
一、电磁炉功率控制的基本原理：
前面几章节已经详细的介绍了电磁炉加热锅具的原理；是电磁炉的加热炉盘（功率输出线圈）通过在工作时内部流过强大的频率为25KHz的正弦波交流电流，经过电磁感应的原理在锅底产生涡流从而导致锅底发热并对食物加热的。我们只要控制通过加热炉盘的交流电流的大小就可以达到控制温度的目的，如何能做到能任意的控制流过加热炉盘的交流电流的大小呢？
前面已经提到；电磁炉的功率输出电路是一个谐振电路，谐振电路的振荡能量是由连接在此谐振电路的功率输出管Q1（IGBT）提供的，IGBT功率输出管和功率输出谐振电路的连接如图4.1所示。

图4.1
在图4.1中；功率管Q1在激励信号的控制下不断的做“开关”工作，在激励信号为“正”时；Q1饱和导通+B电压经过L、Q1流通，向C3、L组成的谐振电路提供能量，C3、L组成的谐振电路在此能量的激励下产生正弦振荡。并以电磁感应的形式在锅底形成涡流产生热量。C3、L产生振荡波的幅度越大；锅底形成的涡流强度越大，对食物加热的热量越高，反之；产生的振荡波的幅度越小；锅底形成的涡流强度越小，对食物加热的热量就很低，C3、L组成的谐振电路的振荡波的幅度大小，决定了电磁炉加热功率的大小。
电磁炉如何控制C3、L谐振电路振荡波的幅度？
在Q1导通的时间，+B经过L及Q1流通形成电流，由于电感线圈L的电磁感应原理，（愣次定律：线圈L产生的自感电势对抗外加电势引起电流的上升）电流是逐步的上升，并转换为磁能储存于线圈L中，那么Q1导通的时间短；L内部形成的电流幅度就小，线圈存储的磁能就小。Q1导通的时间长；L内部形成电流幅度就大，线圈存储的磁能就大。线圈存储磁能小转换为振荡正弦波的幅度就小；锅底的热量就小，线圈存储磁能大转换为振荡正弦波的幅度就大；锅底的热量就高。
图4.2及图4.3所示就是在不同的Q1激励波形（正半周的宽度不同）时；流过L内部电流的幅度大小的对比图。

图4.2
图4.2所示：Q1激励波形的正半周宽度较“窄”，表示Q1导通时间“短”，那么下面显示的流过L的电流的最大幅度就较小。

图4.3
图4.3所示：Q1激励波形的正半周宽度较“宽”（比较图4.2），表示Q1导通时间“长”，那么下面显示的流过L的电流的最大幅度就较大。
图4.2的电流幅度小，C3、L组成的谐振电路产生的正弦波幅度就较小，电磁炉输出的功率就较小。图4.3电流幅度大，C3、L组成的谐振电路产生的正弦波幅度就较大，电磁炉输出的功率就较大。
综上所述；显然只要控制功率输出管Q1在一个导通周期（T）内的导通/断开的时间比（占空比）就可以达到任意控制锅底温度的目的（这个控制原理和一般的CRT电视机的开关电源的PWM稳压控制原理相类似）。那么只要改变功率输出管Q1的激励信号正半周和负半周的时间比即可以达到控制输出功率大小的目的，如图4.4及图4.5所示。

图4.4
在图4.4中；激励信号在一个导通周期（T）中，控制Q1导通的时间（t1）大于截止时间，Q1向L提供的能量就大，C3、L谐振电路的振荡波幅度就大，输出的功率也就大；锅的热量就大。

图4.5
在图4.5中；激励信号在一个导通周期（T）中，控制Q1导通的时间（t1）小于截止时间，Q1向L提供的能量就小，C3、L谐振电路的振荡波幅度就小，输出的功率也就小；锅的热量就小。
二、在电磁炉电路中如何控制Q1（IGBT）的导通/断开时间比（占空比）？
图4.6所示；是一台电磁炉功率控制部分的原理图；图4.7是其等效电路。在图中集成电路U2A是电磁炉的功率控制部分，U2A的同相输入端4脚；输入的是振荡器U2B的14脚送来的振荡信号，U2A的5脚反相输入端送来的是CPU提供的PWM功率控制信号；经过RX和CX积分处理后的线性变化的直流电压（功率控制电压），U2A的2脚输出的是功率输出管Q1(IGBT)的激励信号，这个输出的激励信号是U2B的振荡信号在U2A内部被CPU提供的直流控制电压改变了正负半周宽度比的激励信号。即U2A的5脚直流电压的改变了U2A的2脚输出方波正负半周的宽度比（占空比变化），从而达到了电磁炉输出功率控制的目的。
我们根据图4.7等效电路来详细分析此电路功率控制的原理：
在进行电磁炉的功率控制原理分析之前，我们先回顾一下：在本文的第一章：“小小电磁炉蕴含大智慧（一）电磁炉基础知识部分”的第二节“电压比较器”一节的内容：这一节；特别重点的介绍了；当电压比较器的两个输入端；一个输入端输入锯齿波电压；另一个输入端；输入不同电位的直流电压的情况下；电压比较器的输出端；会输出一个频率和锯齿波频率相同，而占空比会随直流电压变化的方波的过程和原理，这是弄明白电磁炉功率控制原理的最基本的知识，只有掌握了电压比较器的这些知识，才能顺利的分析整个电磁炉的工作原理及进行电磁炉的故障分析。
图4.7中的电压比较器U2A的4脚就是输入的由电压比较器U2B的14脚输出的对称方波（占空比为1：0.5）经过C24、R13、R14、D10转换成为的锯齿波。U2A的5脚就是输入的由CPU的16脚提供的PWM控制方波并经过R15、C12（图4.7所示）积分滤波的直流电压（直流电压的大小；由CPU提供的PWM信号的占空比决定）。在这种情况下；U2A的 2脚输出的就是频率、幅度和U2B的14脚输出一样；而方波而宽度（占空比）随U2A的5脚输入的直流电位对应变化的方波，例如图4.7中所示U2B的14脚及U2A的4脚所示波形及U2A的2脚输出的宽度已经被变化（占空比变化）的输出波形。
锯齿波电压的形成：
U2B的14脚输出的是方形波；是如何经过C24、R13、R14、D10转换成为的锯齿波？
当U2B 14脚为高电平时C24的两边为等电位，C24的左右两边均为5V，并且输出端(U2A的4脚)为高电平5V，当U2B 14脚为低电平时；C24的左边也迅速被拉低为低电平。由于C24两端原来为等电位关系，所以在一瞬间C24的右边也被拉低为低电平，此时C24的右边5V经过R14逐步的充电；电位逐步上升形成锯齿波的斜边；当U2B 14脚再次转变为高电平时，由于此时C24左右两边的电位差为5V；左负右正，此电压通过D10、R13迅速放电（R13的阻值小小于R14阻值），C24的两边又迅速回归为等电位关系，这样当U2B的14脚再次跃变为低电平时；一个新的锯齿波周期又形成。
{注：对于锯齿波的斜率取决于C24和R14的乘积（时间常数），R14选定时；如果C24的选取容量太小（电路则成为微分电路），此电路则无法形成锯齿波输出，而输出的是微分脉冲波；如果C24容量选取太大；则形成斜率极小、幅度极小的锯齿波。}
比较器U2B LM339A的14脚是电磁炉的振荡输出，其波形是对称的方波（振荡频率约为27K，方波的幅度为5VP-P）,R13为U2B输出端的上拉电阻，U2B的14脚输出的方波经过C24、R14、D10后被转换为锯齿波；

图4.6

图4.7
电磁炉功率的控制：
如何进行功率的控制，就是如何改变U2A的2脚输出波形的宽度。
这就是我们第一章里面介绍到的关于电压比较器一节的内容，如下：
下面图4.8至图4.10所示；图中所示的比较器符号即为；电磁炉原理图中的U2A。
图中显示是在比较器的4脚输入锯齿波，5脚输入不同直流电压情况下，比较器2脚输出方波宽度变化的情况。
图4.8中：比较器的4脚输入的是；左面图中显示的红色的锯齿波，比较器的5脚输入的是过红色锯齿波中轴的5V的直流控制电压，此时可以看出右边显示的比较器2脚输出的蓝色方波是正半周宽度等于负半周宽度的方波。