电磁炉工作原理及电磁炉电路图分析 电磁炉工作原理及电磁炉电路图分析(一)一.电磁加热原理电磁炉是一种利用电磁感应原理将电能转换为热能的厨房电器。在电磁灶内部，由整流电路将 50/60Hz 的交流电压变成直流电压，再经过控制电路将直流电压转换成频率为 20-40KHz 的高频电压，高速变化的电流流过线圈会产生高速变化的磁场，当磁场内的磁力线通过金属器皿 ( 导磁又导电材料 ) 底部金属体内产生无数的小涡流，使器皿本身自行高速发热，然后再加热器皿内的东西。二、电磁炉电路工作原理分析2.1 常用元器件简介2.1.1 LM339 集成电路LM339 内置四个翻转电压为 6mV 的电压比较器 , 当电压比较器输入端电压正向时 (+ 输入端电压高于 - 入输端电压 ), 置于 LM339 内部控制输出端的三极管截止 , 此时输出端相当于开路 ; 当电压比较器输入端电压反向时 (- 输入端电压高于 + 输入端电压 ), 置于 LM339 内部控制输出端的三极管导通 , 将比较器外部接入输出端的电压拉低 , 此时输出端为 0V 。2.1.2 IGBT绝缘双栅极晶体管 (Iusulated Gate Bipolar Transistor)简称IGBT,是一种集BJT的大电流密度和MOSFET等电压激励场控型器件优点于一体的高压、高速大功率器件。 目前有用不同材料及工艺制作的 IGBT, 但它们均可被看作是一个MOSFET输入跟随一个双极型晶体管放大的复合结构。 IGBT有三个电极(见上图), 分别称为栅极G(也叫控制极或门极) 、集电极C(亦称漏极) 及发射极E(也称源极) 。 从IGBT的下述特点中可看出, 它克服了功率MOSFET的一个致命缺陷, 就是于高压大电流工作时, 导通电阻大, 器件发热严重, 输出效率下降。IGBT的特点:1.电流密度大, 是MOSFET的数十倍。2.输入阻抗高, 栅驱动功率极小, 驱动电路简单。3.低导通电阻。在给定芯片尺寸和BVceo下, 其导通电阻Rce(on) 不大于MOSFET的Rds(on) 的10%。 4.击穿电压高, 安全工作区大, 在瞬态功率较高时不会受损坏。 5.开关速度快, 关断时间短,耐压1kV1.8kV的约1.2us、600V级的约0.2us, 约为GTR的10%,接近于功率MOSFET, 开关频率直达100KHz, 开关损耗仅为GTR的30%。 IGBT将场控型器件的优点与GTR的大电流低导通电阻特性集于一体, 是极佳的高速高压半导体功率器件。目前 458 系列因应不同机种采了不同规格的 IGBT, 它们的参数如下 :(1) SGW25N120- 西门子公司出品 , 耐压 1200V, 电流容量 25 时 46A,100 时 25A, 内部不带阻尼二极管 , 所以应用时须配套 6A/1200V 以上的快速恢复二极管 (D11) 使用 , 该 IGBT 配套 10A/1200/1500V 以上的快速恢复二极管 (D11) 后可代用 SKW25N120 。(2) SKW25N120- 西门子公司出品 , 耐压 1200V, 电流容量 25 时 46A,100 时 25A, 内部带阻尼二极管 , 该 IGBT 可代用 SGW25N120, 代用时将原配套 SGW25N120 的 D11 快速恢复二极管拆除不装。(3) GT40Q321- 东芝公司出品 , 耐压 1200V, 电流容量 25 时 42A,100 时 23A, 内部带阻尼二极管 , 该 IGBT 可代用 SGW25N120 、 SKW25N120, 代用 SGW25N120 时请将原配套该 IGBT 的 D11 快速恢复二极管拆除不装。(4) GT40T101- 东芝公司出品 , 耐压 1500V, 电流容量 25 时 80A,100 时 40A, 内部不带阻尼二极管 , 所以应用时须配套 15A/1500V 以上的快速恢复二极管 (D11) 使用 , 该 IGBT 配套 6A/1200V 以上的快速恢复二极管 (D11) 后可代用 SGW25N120 、 SKW25N120 、 GT40Q321, 配套 15A/1500V 以上的快速恢复二极管 (D11) 后可代用 GT40T301 。(5) GT40T301- 东芝公司出品 , 耐压 1500V, 电流容量 25 时 80A,100 时 40A, 内部带阻尼二极管 , 该 IGBT 可代用 SGW25N120 、 SKW25N120 、 GT40Q321 、 GT40T101, 代用 SGW25N120 和 GT40T101 时请将原配套该 IGBT 的 D11 快速恢复二极管拆除不装。(6) GT60M303 - 东芝公司出品 , 耐压 900V, 电流容量 25 时 120A,100 时 60A, 内部带阻尼二极管。(7) GT40Q323- 东芝公司出品 , 耐压 1200V, 电流容量 25 时 40A,100 时 20A, 内部带阻尼二极管 , 该 IGBT 可代用 SGW25N120 、 SKW25N120, 代用 SGW25N120 时请将原配套该 IGBT 的 D11 快速恢复二极管拆除不装。(8) FGA25N120- 美国仙童公司出品 , 耐压 1200V, 电流容量 25 时 42A,100 时 23A, 内部带阻尼二极管 , 该 IGBT 可代用 SGW25N120 、 SKW25N120, 代用 SGW25N120 时请将原配套该 IGBT 的 D11 快速恢复二极管拆除不装。2.2 电路方框图2.3 主回路原理分析时间 t1t2 时当开关脉冲加至 IGBTQ1 的 G 极时 , IGBTQ1 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 t1t2 时间 i1 随线性上升 , 在 t2 时脉冲结束 , IGBTQ1 截止 , 同样由于感抗作用 ,i1 不能立即突变 0, 于是向 C3 充电 , 产生充电电流 i2, 在 t3 时间 ,C3 电荷充满 , 电流变 0, 这时 L1 的磁场能量全部转为 C3 的电场能量 , 在电容两端出现左负右正 , 幅度达到峰值电压 , 在 IGBTQ1 的 CE 极间出现的电压实际为逆程脉冲峰压 + 电源电压 , 在 t3t4 时间 ,C3 通过 L1 放电完毕 ,i3 达到最大值 , 电容两端电压消失 , 这时电容中的电能又全部转化为 L1 中的磁能 , 因感抗作用 ,i3 不能立即突变 0, 于是 L1 两端电动势反向 , 即 L1 两端电位左正右负 , 由于 IGBT 内部阻尼管的存在 ,C3 不能继续反向充电 , 而是经过 C2 、 IGBT 阻尼管回流 , 形成电流 i4, 在 t4 时间 , 第二个脉冲开始到来 , 但这时 IGBTQ1 的 UE 为正 ,UC 为负 , 处于反偏状态 , 所以 IGBTQ1 不能导通 , 待 i4 减小到 0,L1 中的磁能放完 , 即到 t5 时 IGBTQ1 才开始第二次导通 , 产生 i5 以后又重复 i1i4 过程 , 因此在 L1 上就产生了和开关脉冲 f(20KHz30KHz) 相同的交流电流。 t4t5 的 i4 是 IGBT 内部阻尼管的导通电流 , 在高频电流一个电流周期里 ,t2t3 的 i2 是线盘磁能对电容 C3 的充电电流 ,t3t4 的 i3 是逆程脉冲峰压通过 L1 放电的电流 ,t4t5 的 i4 是 L1 两端电动势反向时 , 因的存在令 C3 不能继续反向充电 , 而经过 C2 、 IGBT 阻尼管回流所形成的阻尼电流 ,IGBTQ1 的导通电流实际上是 i1 。IGBTQ1 的 VCE 电压变化 : 在静态时 ,UC 为输入电源经过整流后的直流电源 ,t1t2,IGBTQ1 饱和导通 ,UC 接近地电位 ,t4t5, IGBT 阻尼管导通 ,UC 为负压 ( 电压为阻尼二极管的顺向压降 ),t2t4, 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 L 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 ,t1t2 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 IGBTQ1 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 IGBTQ1 烧坏 , 因此必须使开关脉冲的前沿与峰值脉冲后沿相同步。(1) 当 PWM 点有 Vi 输入时、 V7 OFF 时 (V7=0V), V5 等于 D6 的顺向压降 , 而当 V5(2) 当 V5V6 时 ,V7 转态为 OFF,V6 亦降至 D6 的顺向压降 , 而 V5 则由 C16 、 D6 放电。(3) V5 放电至小于 V6 时 , 又重复 (1) 形成振荡。“ G 点输入的电压越高 , V7 处于 ON 的时间越长 , 电磁炉的加热功率越大 , 反之越小”。2.5 IGBT 激励电路振荡电路输出幅度约 4.1V 的脉冲信号 , 此电压不能直接控制 IGBT 的饱和导通及截止 , 所以必须通过激励电路将信号放大才行 , 该电路工作过程如下 :(1) V8 OFF 时 (V8=0V),V8(2) V8 ON 时 (V8=4.1V),V8V9,V10 为低 ,Q81 截止、 Q4 导通 ,+18V 通过 R23 、 Q4 和 Q1 的 E 极加至 IGBT 的 G 极 ,IGBT 导通。2.6 PWM 脉宽调控电路CPU 输出 PWM 脉冲到由 R30 、 C27 、 R31 组成的积分电路 , PWM 脉冲宽度越宽 ,C28 的电压越高 ,C29 的电压也跟着升高 , 送到振荡电路 (G 点 ) 的控制电压随着 C29 的升高而升高 , 而 G 点输入的电压越高 , V7 处于 ON 的时间越长 , 电磁炉的加热功率越大 , 反之越小。“ CPU 通过控制 PWM 脉冲的宽与窄 , 控制送至振荡电路 G 的加热功率控制电压，控制了 IGBT 导通时间的长短 , 结果控制了加热功率的大小”。2.7 同步电路市电经整流器整流、滤波后的 310V 直流电，由 R15+R14 、 R16 分压产生 V3,R1+R17 、 R28 分压产生 V4, 在高频电流的一个周期里 , 在 t2t4 时间 ( 图 1), 由于 C14 两端电压为上负下正 , 所以 V3V5,V7 OFF(V7=0V), 振荡没有输出 , 也就没有开关脉冲加至 Q1 的 G 极 , 保证了 Q1 在 t2t4 时间 不会导通 , 在 t4t6 时间 ,C3 电容两端电压消失 , V3V4, V5 上升 , 振荡有输出 , 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 VCE 脉冲后沿相同步。2.8 加热开关控制(1) 当不加热时 ,CPU 17 脚输出低电平 ( 同时 CPU