控制电磁炉的IGBT准谐振电路的拓扑研究X
刘希真1,周文俊1,宋清虹2,黄国元2,苏英姿1
(1.温州大学信息学院,温州325027;2.天津大学自动化与能源工程学院,天津300072)
摘要:为了解决传统电磁炉热效率低、可靠性差的缺点,笔者采用全新的控制方案,其特点
有两个:把传统的交流侧“恒流”控制改为直流侧“定脉宽调压”控制,避免了浪涌电压击穿电
力电子器件的可能性;用软开关电路使电力电子器件工作在零电流和零电压开关状态,大大
减少开关损耗,提高了整机效率.经一年的连续运转证明该机十分可靠,其热效率较高,优于
传统电磁炉.
关键词:电磁炉;准谐振;斩波器;绝缘栅双极晶体管
中图分类号:TN342.4文献标识码:A文章编号:049322137(2002)0620778205
由电力电子电路组成的高频电磁炉是一种利用电
磁感应原理对锅体进行涡流加热的新型灶具,其工作
频率为20～30kHz,最大功率为700～2600W.由于具
有热效率高,使用方便、无烟熏、无煤气污染、安全卫生
等优点,非常适合现代家庭的烹饪.但现有的电磁炉可
靠性差,特别是在强功率档反复端锅的过程中和弱功
率档长期运行中,功率管常常被击穿烧毁.近几年,虽
然有厂家致力于电磁炉电路的改进和研究,比如加强
浪涌电压、浪涌电流的快速保护,用绝缘栅双极晶体管
(IGBT)代替大功率晶体管(GTR),采用微电脑控制技
术,产品技术性能有一定的改进,但可靠性还不能令用
户满意.这是因为传统的电磁炉的锅体采用的是直流
侧“定压调脉宽”和交流侧“恒流”控制的方式\[1\],无法
从根本上适应电磁炉的特殊负载.电磁炉的锅体负载
为耗能器件,品质因数(Q值)低,如果处理不当,电路
就不完全准谐振.电磁炉用户在烹饪过程中锅体需上、
下端动,这时感应线圈和锅体在磁路中互感系数M
不断变化,反映到电力电子变路电路中感性负载阻抗
发生了大幅度的快速变化,这种变化极易引发谐振过
程中功率管过电压并使其击穿损坏。
如何使电磁炉自动适应低Q值大变动的负载,真
正成为高效低耗运行可靠的“傻瓜”电磁炉,是亟待解
决的一个技术难题,也是新型电磁炉追求的目标.
1新型电磁炉的基本工作原理
新型电磁炉主电路原理图如图1所示,由图可知
该电路由整流滤波电路、高频斩波电路和电磁炉主电
路三大部分组成.其中桥式整流器QL、滤波电感L0
和电容C0组成平滑的整流滤波电路,能提供稳定的
直流电压且能隔离电网与电磁炉之间高频干扰.高频
斩波电路主要由开关主功率场效应管(powerMOS2
FET)V1和辅助管关断场效应管V2组成,以产生不同
占空比的方波电压,经高频滤波电感L1和滤波电容
C1、C2滤波,为电磁炉电路提供平稳可调的直流电源
US.图1中二极管VD1为续流二极管,在主开关V1
关断后为L1续流提供通路;L、C组成一种可控高频
谐振电路,确保主开关管V1零电流导通和零电流关
断.电磁炉主电路主要元件有饼形感应线圈LP、磁性
锅体A、谐振电容C3和绝缘栅双极晶体管(IGBT)
V3.当开关管V3导通时,线圈中电流按指数上升,当
开关管V3截止时,感应线圈LP、锅体A和谐振电容
C3进行谐振,这是一种典型的零电压准谐振电路,可
大大减少开关管V3的开关损耗.
新型电磁炉主电路结构和现有电磁炉相比,仅增
加一个高频斩波电路,这种结构的改变可以把传统的
交流侧“恒流”控制方式转变为直流侧“定宽调压”控制
方式,在这种控制方式下,功率管V3驱动脉冲宽度不
变,电磁炉锅体消耗功率完全取决于直流供电电压
US.当图1中功率给定电压Ug增加时,经直流电压
控制器,与并在输出电压US上的取样电阻R1、R2的
分压电压UV比较,就自动增加了功率管V1的驱动脉
冲占空比,使输出直流电压US上升,从而使输出功率
增大,反之亦然.这种控制方式彻底避免了因瞬时过电
X收稿日期:2002201202.
作者简介:刘希真(1947—),男,讲师.
天津大学学报第35卷第6期2002年11月JOURNALOFTIANJINUNIVERSITYVol.35No.6Nov.2002
?1995-2006TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.
压击穿功率管的问题,进而提高了整机的可靠性.此
外,由于功率管V1和V3分别工作在零电流和零电压
开关状态,所以大大减少了开关损耗,对于高频工作的
功率管来说可大幅度降低功率损耗,这是新型电磁炉
控制电路效率高的主要原因.
图1新型电磁炉工作原理
Fig.1Plotofthenewinductioncookerworkingprinciple
2电磁炉零电压准谐振电路分析
电磁炉锅体为耗能器件,又需上下端动,故准谐振
电路的负载是低Q值和阻抗大变动的特殊负载,在工
程上可用等效的电路模型来讨论.图1中的电磁炉主
电路可用图2a等效,图中US为高频斩波器电路输出
直流电压;LP为感应线圈;RA、LA为锅体折算到感应
线圈LP两端的阻抗;开关S代表功率管V3;C为谐
振电容,等于图1中C3.空锅状态时图2a可简化为图
2c,载锅状态时图2a可简化为图2b,其中L、R为LP
和LA、RA两支路并联后的阻抗值.
在载锅运行状态时,开关S的触发电压、准谐振电
流、准谐振电压的波形分别为图3a、3b、3c所示.当S
导通时(0
可求出开关S关断前的换路电流iL(t2).
图2等效电路模型
Fig.2Modeloftheequivalentcircuit
L
diL
dt+RiL=US
uc(t)=0
(0
解得
iL(t2)=USR+[iL(0+)-USR]e-RLt2≈
iL(0+)(1-RLt2)+USLt2(2)
式(2)中iL(0+)为开关导通前的换路电流初始值,式
(2)近似计算的根据是:ex=1+x+x
2
2!+
x3
3!+…,当|
x|<1时ex≈1+x.式(2)时间常数τ=LR远大于开
关S的导通时间,即LRmt2,所以,RLt2n1.由式(2)及
图3b可知,当t=t2时,流过开关S中的电流达到最
大值,即iLSmax=iL(t2).
当t>t2时,开关S断开,电路换路并开始进入谐
振运行区(t2
方程,求出载锅状态谐振电压uc的表达式为
LCd
2uc
dt2+RC
d2uc
dt+uc=US(t2
·977·2002年11月刘希真等:控制电磁炉的IGBT准谐振电路的拓扑研究
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解方程(3)得
uc=US+Ae-ω2Qtsin(ωt+arctgA1A
2
)[2](4)
式(4)中令
A1=-IS,Q=ωLR,ω=1LC-R
2
4L2
A2=(iL(t2)C-USω2Q)/ωA=A@1+A22
从式(4)可知在电源电压、谐振电感、电容、负载均
不变的条件下,谐振电压的峰值ucmax由换路的瞬时电
流iL(t2)来决定,因此开关S导通时间t2必须有严格
的限制,t2过大,开关S两端易出现过电压.
电磁炉空锅状态换路电流iL(t2)和谐振电压uc
分析也可沿用式(2)、(4)的结论,只不过电路参数有所
变化,但变化规律基本类似.
图3载锅状态电压电流波形
Fig.3Waveformsofthecurrentandthe
voltagewiththepan
3新型电磁炉高可靠的工作机理
3.1端锅过程中实验波形分析
空锅过程,理想情况下,电磁炉主电路中电感为
LP,电阻为零,故LP>L,Q值很大,由式(2)可知开
关S导通后的电流上升慢,另外空锅状态导通后经过
开关S的起始电流为负值,而载锅状态因锅体吸收,起
始电流几乎为零.因此,在0
脉冲触发下,电流指数上升期,空锅过程流过开关管的
最大电流iLP(t2)要小于载锅过程的最大电流iL(t2).
在t2
空锅状态e-ω2Qt,但iLP(t2)与A2下降,因此导致A
下降,从而使ucmax下降.图4a、4b分别为US=200V
时载锅和空锅状态的触发电压uG3,主电路电流iL
(iLP)和准谐振电压uc的波形.由图也可看出,空锅状
态谐振电压小于相同条件的载锅状态,因此在电磁炉
端锅过程,谐振电压呈下降趋势,这正是电磁炉可靠性
的保证,也得益于直流侧“定脉宽调压”的控制方式.
图4不同状态下的电容电压和电感电流波形
Fig.4Waveformsofthecapacitancevoltageandthe
inductancecurrentindifferentsituations
传统电磁炉采用“恒流”控制,因空锅状态损耗小,
电源US输出的iLP部分(t0～t4)电流正面积与电源
US吸收电流(t4～t6)部分负面积的比值减小,为保持
空锅电流iLP的平均值不变,iLP(t2)的值不是下降,反
而会上升.图4c就是端锅过程中,采用“恒流”控制实
验波形,为达到“恒流”,可以看出图中脉冲的宽度、电
感电流与图4b中同样的空锅状态相比已明显增大,从
波形(图4)和公式(4)均可说明,端锅过程中开关S上
将出现危险的浪涌电压.
3.2完全的零电压准谐振电路
电磁炉零电压关断比较容易,关断后谐振电容两
·087·天津大学学报第35卷第6期
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端电压uc也不会突变,但零电压导通必须具备有两个
条件:一是存在谐振电压过零点;二是在过零时有控制
脉冲.控制脉冲可以由同步电路来实现,过零点是否存
在取决于谐振开始的初始电流和谐振回路的Q值.传
统电磁炉的弱功率档,由于功率小、脉冲窄、换路初始
电流小、A值小,所以在低Q值载锅状态谐振电压uc
是不存在过零点的,因此实用的电路均是从谐振电压
下降到最低点时发出同步脉冲,将谐振电容上电压经
开关S强行泄放,故产生很大的浪涌电流,使功率管发
热老化,甚至损坏.其实际的工作电压、电流波形可参
考图4d.新型电磁炉的弱功率档,由于脉冲较宽且固
定不变,公式(4)AmUS,虽然(4)式中e-ω2Qt在谐振
期向有所衰减,但由于定脉宽的调压控制,弱功率档的
US相对小,所以仍能出现过零点.其工作波形与图4a
强功率档载锅的波形完全相似,仅仅电流、电压幅度减
小而已.因此新型的电磁炉,在功率调节的范围内均能
保持完全的准谐振状态,开关损耗小,电路效率高,而
且在选定的功率档中能达到近似恒功率.
4ZCS2PWM高频斩波器
脉宽调制(PWM)变换器是硬开关工作,开关过程
中有很大的开关损耗和应力,但导通和截止损耗较小,
零电流开关(ZCS)变换器是软开关,开关损耗小\[3\],但
导通和截止时承受大电流或高电压.新型电磁炉中所
用的高频斩波器就是ZCS和PWM的综合电路,故能
兼顾二者的优点.
图5为高频斩波器主要工作波形图.
图5a、5b为主功率管V1、辅助关断功率管V2的
触发波形;5c、5e为V1的工作电流、电压波形;5d为谐
振电容C两端的电压波形.
斩波电路中L1>L,所以分析时L1中电流I0可
视为恒流源.当t=t1功率管V1触发导通时,由于谐
振电感L作用,电流iL只能从零开始逐渐增大,当t
=t2时电流增至恒定电流I0,续流二极管VD1关断,
此时iL续继增大,并把大于I0的电流经V2中内存二
极管向C充电,L、C开始谐振.此阶段状态方程为
Cducdt=iL-O0
LdiLdt=Ui-uc
(5)
由初始条件uc(t2)=0和iL(t2)=I0解得
uc=Ui[1-cosω0(t-t2)](6)
式中:ω0=1
LC
;ucmax=2Ui.
t=t3时,iL=iLmax;t=t4时,谐振电容C上
电压升至2Ui时,对应iL=I0.由于V2内存在二极
管的隔离作用,谐振电容C不放电,电路进入稳定状
态.为保证主功率管V1零电流关断,在V1关断之前
先使V2导通,t=t5时,V2导通,谐振电容上电压uc
经V2放电,由于uc>Ui,iL开始下降,当t=t6时,iL
=0,关断V1的触发脉冲uG1.V1零电流关断后由谐
振电容C上电压uc来维持恒定电流I0,同时经谐振电
感L和V1内存二极管向输入电源Ui充电,t=t7时
uc=Ui反向电流iL最大;当uc降至Ui以下后,uc仍
旧提供I0,同时由L的释能和uc共同向电源Ui充电.
t=t8时,iL=0充电结束,此时uc继续维持I0一直至
uc=0,然后,由续流二极管VD1接替uc维持I0.
高频开关电路的主要损耗为开关损耗,观察图
5c、5e波形可知,主功率开关管V1的开关过程电压、
电流乘积很小,理论上ZCS开关损耗为零;而长时间
的稳定状态,以PWM方式工作,导通为额定电流I0,
截止为额定电压Ui,损耗较小,性能较理想.
图5高频斩波器主要工作波形
Fig.5Waveformsofthehighfrequencychopper
由于高频斩波器输出采用软起动电路,不论是开
·187·2002年11月刘希真等:控制电磁炉的IGBT准谐振电路的拓扑研究
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机或空锅,过压、超温后自动开机,输出电压uS总是
从零逐渐上升,可避免开机瞬间主电路的谐振电容C3
上高压,向功率管V3强行放电,进一步提高了可靠
性.
5结论
新型拓扑电路组成的高频电磁炉,经多次过压试
验和反复端锅实验,功率管V3均未因过压、过流而损
坏.在一年多连续通电运行中也未出现异常现象.在环
境25℃下测试,1600W时效率为87%,功率管V3壳
温为52℃,100W时效率为84%,壳温为30℃,与现
有电磁炉相比,性能指标明显改善.实验结果证明,新
型电磁炉电路的拓扑结构是合理、可靠和高效的,有一
定的实用价值.
参考文献:
\[1\]邓家银.电磁灶的工作原理基本电路及其使用维修\[J\].
电子天府,1993(2):3—18.
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\[3\]龚春英.3kVA直/交软开关逆变器研制\[J\].南京航空航
天大学学报,2000(2):194—199.
TopologyResearchonIGBTQuasi2Resonance
CircuitforInductionCookerControl
LIUXi2zhen1,ZHOUWen2jun1,SONGQing2hong2,HUANGGuo2yuan2,SUYing2zi1
(1.CollegeofInformationScienceandEngineering,WenzhouUniversity,Wenzhou325027,China;
2.SchoolofElectricalEngineeringandEnergy,TianjinUniversity,Tianjin300072,China)
Abstract:Inductioncookerisakindofnewcooker,butasfortraditionalinductioncooker,thethermalefficiencyandthe
reliabilityareverylow.Inthispaper,anewcontrolwayispresentedinordertoovercomethedisadvantagesofthetradi2
tionalinduction.Ithastwocharacteristics:First,thetraditional“invariablecurrent”intheACischangedto“invariable
widthofimpulseandtuningthevoltage”intheDC,sothepossibilityofthebreakdownofpowerelectricsdevicebythe
surgevoltageisavoided.Second,thepowerelectronicdevicesworkonthezerovoltageandzerocurrentsatebyapplying
softswitchingcircuit,sothepowerlossisreducedgreatlyandtheefficiencyisincreased.Theprototypeisveryreliableby
theexperimentofoneyear,anditsthermalefficiencyishigherthanthetraditionalinductioncooker.
Keywords:inductioncooker;quasi2resonance;chopper;IGBT
·287·天津大学学报第35卷第6期
?1995-2006TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.
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