完整版電磁爐工作原理及電磁爐電路圖分析

1、電磁爐工作原理及電磁爐電路圖分析電磁爐工作原理及電磁爐電路圖分析（一）一.電磁加熱原理電磁爐是一種利用電磁感應(yīng)原理將電能轉(zhuǎn)換為熱能的廚房電器。在電磁灶內(nèi)部，由整流電路將50/60HZ的交流電壓變成直流電壓，再經(jīng)過控制電路將直流電壓轉(zhuǎn)換成頻率為20-40KHZ的高頻電壓，高速變化的電流流過線圈會產(chǎn)生高速變化的磁場，當(dāng)磁場內(nèi)的磁力線通過金屬器皿（導(dǎo)磁又導(dǎo)電材料）底部金屬體內(nèi)產(chǎn)生無數(shù)的小渦流，使器皿本身自行高速發(fā)熱，然后再加熱器皿內(nèi)的東西。二、電磁爐電路工作原理分析2.1常用元器件簡介2.1.1 LM339 集成電路LM339內(nèi)置四個翻轉(zhuǎn)電壓為 6mV的電壓比較器，當(dāng)電壓比較器輸入端電壓正向時（+輸

2、入端電壓高于-入輸端電 壓),置于LM339內(nèi)部控制輸出端的三極管截止，此時輸出端相當(dāng)于開路；當(dāng)電壓比較器輸入端電壓反向時(-輸入 端電壓高于+輸入端電壓),置于LM339內(nèi)部控制輸出端的三極管導(dǎo)通 ，將比較器外部接入輸出端的電壓拉低 ，此 時輸出端為0V。2.1.2 IGBT絕緣雙柵極晶體管(lusulated Gate Bipolar Transistor)簡稱IGBT,是一種集BJT的大電流密度和MOSFET等電壓激勵 場控型器件優(yōu)點(diǎn)于一體的高壓、高速大功率器件。目前有用不同材料及工藝制作的IGBT，但它們均可被看作是一個MOSFET輸入跟隨一個雙極型晶體管放大的復(fù)合結(jié)構(gòu)。IGBT有三個

3、電極(見上圖),分別稱為柵極G(也叫控制極或門極)、集電極C(亦稱漏極)及發(fā)射極E(也稱源極)。從IGBT的下述特點(diǎn)中可看出，它克服了功率MOSFET的一個致 命缺陷，就是于高壓大電流工作時，導(dǎo)通電阻大，器件發(fā)熱嚴(yán)重，輸出效率下降。IGBT的特點(diǎn)：1. 電流密度大，是MOSFET的數(shù)十倍。2. 輸入阻抗高，柵驅(qū)動功率極小，驅(qū)動電路簡單。3. 低導(dǎo)通電阻。在給定芯片尺寸和 BVceo 下,其導(dǎo)通電阻Rce(on)不大于MOSFET的Rds(on)的10%。4.擊穿電壓 高，安全工作區(qū)大，在瞬態(tài)功率較高時不會受損壞。 5.開關(guān)速度快，關(guān)斷時間短 耐壓1kV1.8kV的約1.2us、600V級的 約

4、0.2us,約為GTR的10%,接近于功率MOSFET,開關(guān)頻率直達(dá)100KHz,開關(guān)損耗僅為GTR的30%。IGBT將場控型 器件的優(yōu)點(diǎn)與GTR的大電流低導(dǎo)通電阻特性集于一體，是極佳的高速高壓半導(dǎo)體功率器件。目前458系列因應(yīng)不同機(jī)種采了不同規(guī)格的IGBT,它們的參數(shù)如下：(1) SGW25N120 西門子公司出品，耐壓1200V,電流容量25 C時46A,100 C 時25A,內(nèi)部不帶阻尼二極管， 所以應(yīng)用時須配套 6A/1200V以上的快速恢復(fù)二極管(D11)使用，該IGBT配套10A/1200/1500V 以上的快速恢復(fù) 二極管(D11)后可代用SKW25N120。SKW25N120-

5、西門子公司出品，耐壓1200V,電流容量25 C時46A,100 C時25A,內(nèi)部帶阻尼二極管， 該IGBT可代用SGW25N120,代用時將原配套 SGW25N120的D11快速恢復(fù)二極管拆除不裝。GT40Q321-東芝公司出品，耐壓1200V,電流容量25 C時42A, 100 C時23A,內(nèi)部帶阻尼二極管，該 IGBT可代用SGW25N120、SKW25N120,代用SGW25N120時請將原配套該IGBT的D11快速恢復(fù)二極管拆 除不裝。GT40T101-東芝公司出品，耐壓1500V,電流容量25 C時80A,100 C時40A,內(nèi)部不帶阻尼二極管，所 以應(yīng)用時須配套15A/1500V

6、以上的快速恢復(fù)二極管 (D11)使用，該IGBT配套6A/1200V以上的快速恢復(fù)二極管 (D11)后可代用 SGW25N120、SKW25N120、GT40Q321,配套15A/1500V 以上的快速恢復(fù)二極管 (D11)后可 代用 GT40T301 。 GT40T301-東芝公司出品，耐壓1500V,電流容量25 C時80A,100 C 時40A,內(nèi)部帶阻尼二極管，該 IGBT 可代用 SGW25N120、SKW25N120、GT40Q321、GT40T101,代用 SGW25N120 和 GT40T101 時請將原配套該IGBT的D11快速恢復(fù)二極管拆除不裝。(6) GT60M303 -

7、東芝公司出品，耐壓900V,電流容量25 C時120A,100 C時60A,內(nèi)部帶阻尼二極管。GT40Q323-東芝公司出品，耐壓1200V,電流容量25 C時40A,100 C時20A,內(nèi)部帶阻尼二極管，該IGBT可代用SGW25N120、SKW25N120,代用SGW25N120時請將原配套該IGBT的D11快速恢復(fù)二極管拆 除不裝。(8) FGA25N120-美國仙童公司出品，耐壓1200V,電流容量25 C時42A,100 C時23A,內(nèi)部帶阻尼二極管， 該IGBT可代用SGW25N120、SKW25N120,代用SGW25N120時請將原配套該IGBT的D11快速恢復(fù)二極管 拆除不裝

8、。2.2電路方框圖2.3主回路原理分析時間t1t2時當(dāng)開關(guān)脈沖加至IGBTQ1的G極時，IGBTQ1飽和導(dǎo)通，電流i1從電源流過L1,由于線圈感抗不 允許電流突變.所以在t1t2時間i1隨線性上升，在t2時脈沖結(jié)束，IGBTQ1截止，同樣由于感抗作用,i1不 能立即突變0，于是向C3充電，產(chǎn)生充電電流i2,在t3時間，C3電荷充滿，電流變0，這時L1的磁場能量全 部轉(zhuǎn)為C3的電場能量，在電容兩端出現(xiàn)左負(fù)右正，幅度達(dá)到峰值電壓，在IGBTQ1的CE極間出現(xiàn)的電壓實(shí)際 為逆程脈沖峰壓+電源電壓，在t3t4時間，C3通過L1放電完畢，i3達(dá)到最大值，電容兩端電壓消失，這時電 容中的電能又全部轉(zhuǎn)化為

9、L1中的磁能，因感抗作用，i3不能立即突變0，于是L1兩端電動勢反向，即L1兩端電 位左正右負(fù)，由于IGBT內(nèi)部阻尼管的存在，C3不能繼續(xù)反向充電，而是經(jīng)過C2、IGBT阻尼管回流，形成電流 i4，在t4時間，第二個脈沖開始到來，但這時IGBTQ1的UE為正，UC為負(fù)，處于反偏狀態(tài)，所以IGBTQ1不能導(dǎo)通，待i4減小到0，L1中的磁能放完，即到t5時IGBTQ1才開始第二次導(dǎo)通，產(chǎn)生i5以后又重復(fù)i1i4 過程，因此在L1上就產(chǎn)生了和開關(guān)脈沖f(20KHz30KHz)相同的交流電流。t4t5的i4是IGBT內(nèi)部阻尼管的導(dǎo) 通電流，在高頻電流一個電流周期里，t2t3的i2是線盤磁能對電容 C3

10、的充電電流，t3t4的i3是逆程脈沖峰壓通過L1放電的電流，t4t5的i4是L1兩端電動勢反向時，因的存在令 C3不能繼續(xù)反向充電，而經(jīng)過C2、 IGBT阻尼管回流所形成的阻尼電流，IGBTQ1的導(dǎo)通電流實(shí)際上是i1。IGBTQ1的VCE電壓變化：在靜態(tài)時，UC為輸入電源經(jīng)過整流后的直流電源 ，t1t2，IGBTQ1飽和導(dǎo)通，UC接近 地電位,t4t5, IGBT阻尼管導(dǎo)通,UC為負(fù)壓(電壓為阻尼二極管的順向壓降 ),t2t4,也就是LC自由振蕩的半個周 期,UC上出現(xiàn)峰值電壓，在t3時UC達(dá)到最大值。以上分析證實(shí)兩個問題：一是在高頻電流的一個周期里，只有i1是電源供給L的能量，所以i1的大小

11、就決定加熱 功率的大小，同時脈沖寬度越大,t1t2的時間就越長,i1就越大，反之亦然，所以要調(diào)節(jié)加熱功率，只需要調(diào)節(jié)脈 沖的寬度；二是LC自由振蕩的半周期時間是出現(xiàn)峰值電壓的時間 ，亦是IGBTQ1的截止時間，也是開關(guān)脈沖沒有 到達(dá)的時間，這個時間關(guān)系是不能錯位的 ，如峰值脈沖還沒有消失，而開關(guān)脈沖己提前到來，就會出現(xiàn)很大的導(dǎo)通 電流使IGBTQ1燒壞，因此必須使開關(guān)脈沖的前沿與峰值脈沖后沿相同步。（1）當(dāng)PWM 點(diǎn)有Vi輸入時、 V7 OFF時（V7=0V）, V5等于D6的順向壓降,而當(dāng)V5當(dāng)V5V6時，V7轉(zhuǎn)態(tài)為OFF,V6亦降至D6的順向壓降,而V5則由C16、 D6放電。 V5放電至

12、小于V6時，又重復(fù)（1）形成振蕩。G點(diǎn)輸入的電壓越高，V7處于ON的時間越長,電磁爐的加熱功率越大，反之越小”2.5 IGBT激勵電路振蕩電路輸出幅度約 4.1V的脈沖信號,此電壓不能直接控制IGBT的飽和導(dǎo)通及截止，所以必須通過激勵電路將信號放大才行，該電路工作過程如下：（1） V8 OFF 時（V8=0V）,V8 V8 ON時（V8=4.1V）,V8V9,V10 為低,Q81截止、 Q4導(dǎo)通，+18V 通過 R23、 Q4和 Q1的E極加至 IGBT的G極,IGBT導(dǎo)通。2.6 PWM脈寬調(diào)控電路CPU輸出PWM脈沖到由R30、 C27、 R31組成的積分電路，PWM脈沖寬度越寬，C28的

13、電壓越高，C29的 電壓也跟著升高，送到振蕩電路（G點(diǎn)）的控制電壓隨著C29的升高而升高，而G點(diǎn)輸入的電壓越高，V7處于 ON的時間越長，電磁爐的加熱功率越大，反之越小?！癈PU通過控制PWM脈沖的寬與窄，控制送至振蕩電路 G的加熱功率控制電壓，控制了 IGBT導(dǎo)通時間的長短， 結(jié)果控制了加熱功率的大小”。2.7同步電路市電經(jīng)整流器整流、濾波后的 310V直流電，由R15+R14、R16分壓產(chǎn)生V3，R1+R17、R28分壓產(chǎn)生V4，在 高頻電流的一個周期里，在t2t4時間（圖1）,由于C14兩端電壓為上負(fù)下正，所以V3V5,V7 OFF（V7=OV）,振 蕩沒有輸出，也就沒有開關(guān)脈沖加至 Q

14、1的G極，保證了 Q1在t2t4時間不會導(dǎo)通，在t4t6時間,C3電容 兩端電壓消失，V3V4, V5上升,振蕩有輸出，有開關(guān)脈沖加至 Q1的G極。以上動作過程，保證了加到Q1 G 極上的開關(guān)脈沖前沿與 Q1上產(chǎn)生的VCE脈沖后沿相同步。2.8加熱開關(guān)控制(1) 當(dāng)不加熱時，CPU 17腳輸出低電平(同時CPU 10腳也停止PWM輸出),D7導(dǎo)通，將LM339 9電壓拉低， 振蕩停止，使IGBT激勵電路停止輸出，IGBT截止，則加熱停止。開始加熱時，CPU 17腳輸出高電平，D7截止，同時CPU 10腳開始間隔輸出PWM試探信號，同時CPU通過 分析電流檢測電路和 VAC檢測電路反饋的電壓信息

15、、VCE檢測電路反饋的電壓波形變化情況 ，判斷是否己放入適合 的鍋具，如果判斷己放入適合的鍋具,CPU10腳轉(zhuǎn)為輸出正常的PWM信號,電磁爐進(jìn)入正常加熱狀態(tài)，如果電流 檢測電路、VAC及VCE電路反饋的信息，不符合條件,CPU會判定為所放入的鍋具不符(2) 或無鍋，則繼續(xù)輸出PWM試探信號,同時發(fā)出指示無鍋的報(bào)知信息(見故障代碼表),如30秒鐘內(nèi)仍不符合 條件，則關(guān)機(jī)。2.9 VAC檢測電路AC220V由D17、D18整流的脈動直流電壓通過 R40限流再經(jīng)過，C33、R39 C32組成的n型濾波器進(jìn)行濾波后的電壓，經(jīng) R38分壓后的直流電壓，送入 CPU 6，根據(jù)監(jiān)測該電壓的變化,CPU會自動

16、作出各種動作指令。(1) 判別輸入的電源電壓是否在充許范圍內(nèi)，否則停止加熱，并報(bào)知信息(見故障代碼表)。(2) 配合電流檢測電路、VCE電路反饋的信息，判別是否己放入適合的鍋具，作出相應(yīng)的動作指令(見加熱開關(guān)控制及試探過程一節(jié))。(3) 配合電流檢測電路反饋的信息及方波電路監(jiān)測的電源頻率信息，調(diào)控PWM的脈寬，令輸出功率保持穩(wěn)定。電源輸入標(biāo)準(zhǔn)220V 1V電壓，不接線盤(L1)測試CPU第6腳電壓，標(biāo)準(zhǔn)為2.65V 0.06V ”。2.10電流檢測電路電流互感器CT1二次測得的AC電壓，經(jīng)D1D4組成的橋式整流電路整流、 R12、R13分壓，C11濾波，所 獲得的直流電壓送至 CPU 5腳，該

17、電壓越高，表示電源輸入的電流越大，CPU根據(jù)監(jiān)測該電壓的變化，自動作出 各種動作指令：(1) 配合VAC檢測電路、VCE電路反饋的信息，判別是否己放入適合的鍋具，作出相應(yīng)的動作指令(見加熱開關(guān) 控制及試探過程一節(jié))。(2) 配合VAC檢測電路反饋的信息及方波電路監(jiān)測的電源頻率信息，調(diào)控PWM的脈寬，令輸出功率保持穩(wěn)定。2.11 VCE檢測電路將IGBT（Q1）集電極上的脈沖電壓通過 R1+R17、R28分壓R29限流后，送至LM339 6腳，在6腳上獲得其 取樣電壓，此反影了 IGBT的VCE電壓變化的信息送入 LM339, LM339根據(jù)監(jiān)測該電壓的變化，自動作出電壓比 較而決定是否工作。（

18、1）配合VAC檢測電路、電流檢測電路反饋的信息，判別是否己放入適合的鍋具，作出相應(yīng)的動作指令（見加熱開關(guān)控制及試探過程一節(jié)）。根據(jù)VCE取樣電壓值，自動調(diào)整PWM脈寬，抑制VCE脈沖幅度不高于 1050V（此值適用于耐壓 1200V 的IGBT,耐壓1500V的IGBT抑制值為1300V）。（3）當(dāng)測得其它原因?qū)е?VCE脈沖高于1150V時（此值適用于耐壓1200V的IGBT,耐壓1500V的IGBT此值 為1400V）, LM339立即停止工作（見故障代碼表）。2.12浪涌電壓監(jiān)測電路當(dāng)正弦波電源電壓處于上下半周時，由D17、D18和整流橋DB內(nèi)部交流兩輸入端對地的兩個二極管組成的橋式整

19、流電路產(chǎn)生的脈動直流電壓，當(dāng)電源突然有浪涌電壓輸入時，此電壓通過R41、C34耦合，再經(jīng)過R42分壓，R44 限流C35濾波后的電壓，控制 Q5的基極，基極為 高電平時，電壓Q5基極,Q5飽和導(dǎo)通,CPU 17的電平通過 Q5至地,PWM停止輸出，本機(jī)停止工作；當(dāng)浪涌脈沖過后，Q5的基極為低電平,Q5截止，CPU 17的電平通過 Q5至地，CPU再重新發(fā)出加熱指令。2.13過零檢測當(dāng)正弦波電源電壓處于上下半周時，由D17、D18和整流橋DB內(nèi)部交流兩輸入端對地的兩個二極管組成的橋式整流電路產(chǎn)生的脈動直流電壓通過 R40限流再經(jīng)過，C33、 R39 C32組成的n型濾波器進(jìn)行濾波后的電壓，經(jīng) R

20、38 分壓后的電壓，在 CPU 6則形成了與電源過零點(diǎn)相同步的方波信號,CPU通過監(jiān)測該信號的變化，作出相應(yīng)的動作指令。2.14鍋底溫度監(jiān)測電路該電阻阻值的變化間接反影了加熱鍋加熱鍋具底部的溫度透過微晶玻璃板傳至緊貼玻璃板底的負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻具的溫度變化（溫度/阻值祥見熱敏電阻溫度分度表）,熱敏電阻與R4分壓點(diǎn)的電壓變化其實(shí)反影了熱敏電阻阻值 的變化，即加熱鍋具的溫度變化，CPU 8腳通過監(jiān)測該電壓的變化，作出相應(yīng)的動作指令 （1）定溫功能時，控制加熱指令,另被加熱物體溫度恒定在指定范圍內(nèi)。當(dāng)鍋具溫度高于270 C時，加熱立即停止，并報(bào)知信息（見故障代碼表）。當(dāng)鍋具空燒時，加熱立即停止，并報(bào)

21、知信息（見故障代碼表）。 當(dāng)熱敏電阻開路或短路時，發(fā)出不啟動指令，并報(bào)知相關(guān)的信息（見故障代碼表）2.15 IGBT溫度監(jiān)測電路IGBT產(chǎn)生的溫度透過散熱片傳至緊貼其上的負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻 TH，該電阻阻值的變化間接反影了 IGBT的溫度變 化（溫度/阻值祥見熱敏電阻溫度分度表 ），熱敏電阻與R8分壓點(diǎn)的電壓變化其實(shí)反影了熱敏電阻阻值的變化 ，即 IGBT的溫度變化，CPU通過監(jiān)測該電壓的變化，作出相應(yīng)的動作指令：（1） IGBT結(jié)溫高于 90 C 時，調(diào)整PWM 的輸出，令I(lǐng)GBT結(jié)溫 90 C。當(dāng)IGBT結(jié)溫由于某原因（例如散熱系統(tǒng)故障）而高于95C時，加熱立即停止，并報(bào)知信息（祥見故障代碼表）。 當(dāng)熱敏電阻TH開路或短路時，發(fā)出不啟動指令，并報(bào)知相關(guān)的信息（祥見故障代碼表）。（4）關(guān)機(jī)時如IGBT溫度50 C，CPU發(fā)出風(fēng)扇繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)指令，直至溫度 50 C （繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)超過30秒鐘如溫度 仍50 C ,風(fēng)扇停轉(zhuǎn)；風(fēng)扇延時運(yùn)轉(zhuǎn)期間，按1次關(guān)機(jī)鍵,可關(guān)閉風(fēng)扇）。（5）電磁爐剛啟動時，當(dāng)測得環(huán)境溫度0 C ,CPU調(diào)用低溫監(jiān)測模式加熱1分鐘,30秒鐘后再轉(zhuǎn)用正常監(jiān)測模式，防止電路零件因低溫偏離標(biāo)準(zhǔn)值造成電路參數(shù)改變而損壞電磁爐。2.16散熱系統(tǒng)將IGBT及整流器BG緊貼于散熱片上，利用風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)通過電磁爐進(jìn)、出風(fēng)口形成的氣流將散熱片上