电磁炉IGBT电路参数说明和相关计算

电磁炉IGBT电路参数说明和相关计算

作者：微叶科技 时间：2015-11-17 10:43

    （一）文章摘要：
      在技术上，自从IGBT应于大功率控制以来，随着IGBT生产技术成熟和单片机应用领域的扩大，使电磁炉这种家用电器以低廉的价格走进了千家万户。在生活上，精美的食品、整洁的厨房是人们生活品质提高的表现，电磁炉以其热效率高、升温快、无烟、无火、无害待优点，使厨房告别烟火的弥漫受到各家庭青睐。正是如此电磁炉正被越来越多的家庭所使用。　
由于电磁炉是大功率的家用电器，而且在很多生产价格低廉的电磁炉厂商在IGBT保护的电路方面做得比较差，使得这种大功率家用电器在使用一段时间后就存在常烧IGBT的故障。给家庭的使用带来了很大的不便。有些维修人员把常烧IGBT作为一种简单的更换维修处理，没有去做深入解决。借于本人平时也有从事家用电器方面的一些维修工作,对电磁炉经常烧IGBT管作出了一些维修方法的总结。通过重新调整IGBT同步电路和峰值检测电路的参数来解决这一问题。
　(二) 电磁炉IGBT电路的分析
　　1. IGBT振荡回路分析：
　　IGBT振荡回路如下图1。在0～t1时,当开关脉冲加至Q1的G极时，Q1饱和导通，电流i1从电源流过L1，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，Q1截止，同样由于感抗作用，i1不能立即变0，于是向C2充电，产生充电电流i2,在t3时间,C2电荷充满,L1电流i2减少为0,这时L1的磁场能量全部转为C2的电场能量,在电容两端出现上负下正,幅度达到峰值电压,在Q1的CE极间出现的电压实际为逆程脉冲峰压+电源电压VCC,在t3～t4时间,C2通过L1放电完毕,i3从大到小达到,于是电容两端电压逐渐消失,这时电容中的电能又全部转为L1中的磁能。在t4时,因感抗作用,i3不能立即变0,于是L1两端电动势反向,即L1两端电位上正下负,由于阻尼管D的存在,C2不能继续反向充电,而是经过C1、D回流,形成电流i4,在t4～t5时间,第二个脉冲开始到来,但这时Q1的UE为正,UC为负,处于反偏状态,所以Q1不能导通,待i4减小到0,L1中的磁能放完,即到t5时Q1才开始第二次导通,产生i5以后又重复i1～i4过程,因此在L1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D1的导通电流。

  图1  电磁炉IGBT振荡回路

　　在高频电流一个电流周期里,t2～t3的i2是线盘磁能对电容C2的充电电流,t3～t4的i3是逆程脉冲峰压通过L1放电的电流,t4～t5的i4是L1两端电动势反向时, 因D的存在令C2不能继续反向充电, 而经过C1、D回流所形成的阻尼电流,Q1的导通电流实际上是i1。
　　Q1的集电极电压变化:在静态时,Uc为输入电源经过整流后的直流电源,0～t1,Q1饱和导通,Uc接近地电位,t4～t5,阻尼管D1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L1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,0～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Q1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Q1烧坏,因此必须使开关脉冲的前沿与峰值脉冲后沿相同步(即同步电路)。同步电路就是根据L1和L2的电压来比较,使在t3~t4期间不给于导通。
　　三是IGBT峰值检测电路是在t2～t3期间对Q1集电极的脉冲电压通过电阻分压后,自动调整PWM输出的脉宽. 抑制Q1集电极的脉冲幅度不高于1100V(此值适用于耐压1200V的IGBT,耐压1500V的IGBT抑制值为1300V)。使IGBT的集电极峰值电压在规定的范围.

　　2. 同步电路分析：
　　同步电路是为了使开关脉冲到来的前沿与峰值脉冲后沿相同步，保护IGBT在这期时间出现导通而受到激穿。目前大多数电磁炉中使用的同步控制电路都属于这种负相同步振荡控制电路(如图2)，这种同步电路在工作时输出的锯齿波为“负相”，所以因此而得名。这种同步控制电路最大的优点就是线路简单、元件少、性能可靠，但输出波形不是很好。在一些比较老式(模拟式)的电磁炉上曾用到另一种同步电路，那就是正相同步控制电路，这类同步电路V+输入端与V-输入端的连接方法与负相同步电路正好相反，输出的信号是正相的锯齿波信号，整个电路单元采用两个比较器构成，线路复杂，但输出的波形较好，这类同步电路在新型电磁炉中已经极少采用。
　　此电路接与LC振荡电路并连以两端电压作比较来同步的. 正常情况下同步比较器输入端的两个输入电压一般存在有200——350mV的电压差，V+ 端电压稍大于V- 端，输出端在此时应输出4.9V左右的高电平。
　　同步电路如下图2。电路由LM339与外围电路组成的电压比较电路.R40和R36将V1的电压进行分压送到U2C-8与R38和R37,R30,R14分压送到U2C-9的电压相比较,再由U2C-14去控制振荡电路工作。在高频电流的一个周期里,在t2~t4时间 (图1)，由于C2两端电压为上负下正,所以V1V2, U2C-14输出低电平,振荡器有输出,有开关脉冲加至Q1的G极。以上动作过程,保证了加到Q1 G极上的开关脉冲前沿与Q1上产生的Q1集电极脉冲的后沿相同步。

   
    图2 同步电路

　由于电磁炉是加热的家电常处于高温状态,在这种环境下就会使得元件老化速度快,用了一段时间后就会出现烧IGBT管的现象。有些维修人员只单单更换IGBT管，过不久又会烧管。这时就要重新进行同步电路参数的计算和修改。才能保证更换的IGBT管工作正常。根据电磁炉的相关参数，在待机时的情况(V1=V2≈300V)下同步比较器输入端的两个输入电压一般存在有200——350mV的电压差。根据这个电压差重新计算出电阻值。
计算公式：

 如图2电路给出的参数计算，当电磁炉处在待机状态时V1=V2的电压等于市电经过桥堆整流滤波后的300V左右。

由计算结果可看出U9与U8的电压差在200——350mV的范围内，这说明同步电路可以正常工作。当电压差不在200——350mV，一般以U8这路分压电路为基准，来调整U9分压电路的参数。
　　3. 峰值检测电路分析
　　峰值检测电路是为了保护IGBT在LC自由振荡的半周期时间是出现峰值电压受到激穿。通过图3的电路对IGBT (Q1)集电极上的脉冲电压的检测来的取样电压值，自动调整PWM脉宽来,抑制Q1集电极的脉冲幅度。V2的电压通过R38、R37、R30、R14分压后送至U2B-6,通过与U2B-7的基准电压进行比较。由U2B-1输出控制。在U2B-1的输出的电压反影出了Q1 集电极电压变化的信息送入CPU, CPU根据监测该电压的变化,自动作出各种动作指令:
　　(1) 配合VAC检测电路、电流检测电路反馈的信息,判别是否己放入适合的锅具,作出相应的动作指令。
　　(2) 根据Q1集电极取样电压值,自动调整PWM脉宽,抑制Q1集电极脉冲幅度不高于1100V(此值适用于耐压1200V的IGBT,耐压1500V的IGBT抑制值为1300V)。
　　(3) 当测得其它原因导至Q1集电极脉冲高于1150V时(此值适用于耐压1200V的IGBT,耐压1500V的IGBT此值为1400V),CPU立即发出停止加热指令从而保护IGBT。

　当同步电路元件老化速度快时峰值检测电路也将会受到影响，从图2和图3可以看出，大多数电磁炉的同步电路和峰值检测电路的分压电路都是共用的。而这分压电路又是高压峰值流过很容易出故障。所以只有同时修改这两部分的电路参数才能保证电路的工作正常。根据IGBT的耐压值来计算出峰值检测电路的分压电阻值。一般正常计算IGBT的耐压值应该要比规格书的值低。对于耐压1200V的IGBT应选在1150V左右，对于耐压1500V的IGBT应选在1400V左右。

由计算结果可看出V2的峰值保护电压在所选的IGBT耐压范围内。也就是说当V2的电压峰值大于1169V时，U6的电压就会大于U7的基准电压5V，使比较器输出低电平去调整PWM脉宽,抑制Q1集电极的脉冲电压幅度。从而达到保护IGBT管。
　　(三) 结束语
　　电磁炉又名电磁灶，是现代厨房革命的产物，作为倡导“绿色厨房文化”的高科技产品，以卫生、清洁，环保的优越性，以加热效率极高、升温快、无烟、无火、无害等的另一个优越性。真正实现了清洁房间，保护环境。是代人们生活品质提高的表现，基于以上优点，电磁炉在家庭生活中得到越来越广泛的应用，现在许多家庭都在使用电磁炉作为他们的必备炊具之一，而且市场的容量还在不断壮大。

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