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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 Iusulated 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 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1kV 1 8kV 的約1 2us 600V 級 的約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 時 46A 100 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 2 SKW25N120 西門子公司出品 耐壓 1200V 電流容量 25 時 46A 100 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 3 GT40Q321 東芝公司出品 耐壓 1200V 電流容量 25 時 42A 100 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 4 GT40T101 東芝公司出品 耐壓 1500V 電流容量 25 時 80A 100 時 40A 內(nèi)部不帶阻尼二極管 所 以應(yīng)用時須配套 15A 1500V 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 5 GT40T301 東芝公司出品 耐壓 1500V 電流容量 25 時 80A 100 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 東芝公司出品 耐壓 900V 電流容量 25 時 120A 100 時 60A 內(nèi)部帶阻尼二極管 7 GT40Q323 東芝公司出品 耐壓 1200V 電流容量 25 時 40A 100 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 時 42A 100 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 2 2 電路方框圖 2 3 主回路原理分析 時間 t1 t2 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 t1 t2 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)的電壓實際 為逆程脈沖峰壓 電源電壓 在 t3 t4 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 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) i1 i4 過程 因此在 L1 上就產(chǎn)生了和開關(guān)脈沖 f 20KHz 30KHz 相同的交流電流 t4 t5 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 t2 t3 的 i2 是線盤磁能對電容 C3 的充電電流 t3 t4 的 i3 是 逆程脈沖峰壓通過 L1 放電的電流 t4 t5 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 t1 t2 IGBTQ1 飽和導(dǎo)通 UC 接近 地電位 t4 t5 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 t2 t4 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 的大小就決定加 熱功率的大小 同時脈沖寬度越大 t1 t2 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 點有 Vi 輸入時 V7 OFF 時 V7 0V V5 等于 D6 的順向壓降 而當(dāng) V5 2 當(dāng) V5 V6 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 3 V5 放電至小于 V6 時 又重復(fù) 1 形成振蕩 G 點輸入的電壓越高 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 2 V8 ON 時 V8 4 1V V8 V9 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 的電壓越高 C29 的 電壓也跟著升高 送到振蕩電路 G 點 的控制電壓隨著 C29 的升高而升高 而 G 點輸入的電壓越高 V7 處于 ON 的時間越長 電磁爐的加熱功率越大 反之越小 CPU 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 t2 t4 時間 圖 1 由于 C14 兩端電壓為上負(fù)下正 所以 V3V5 V7 OFF V7 0V 振蕩沒有輸出 也就沒有開關(guān)脈沖加至 Q1 的 G 極 保證了 Q1 在 t2 t4 時間 不會導(dǎo)通 在 t4 t6 時間 C3 電 容兩端電壓消失 V3 V4 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 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 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) D1 D4 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 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) 2 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 型濾波器進(jìn)行濾波后的電壓 經(jīng) R38 分壓后的電壓 在 CPU 6 則形成了與電源過零點相同步的方波信號 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 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 該電阻阻值的變化間接反影了加熱鍋 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 分壓點的電壓變化其實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) 2 當(dāng)鍋具溫度高于 270 時 加熱立即停止 并報知信息 見故障代碼表 3 當(dāng)鍋具空燒時 加熱立即停止 并報知信息 見故障代碼表 4 當(dāng)熱敏電阻開路或短路時 發(fā)出不啟動指令 并報知相關(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 分壓點的電壓變化其實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 時 調(diào)整 PWM 的輸出 令 IGBT 結(jié)溫 90 當(dāng) IGBT 結(jié)溫由于某原因 例如散熱系統(tǒng)故障 而高于 95 2 時 加熱立即停止 并報知信息 祥見故障代碼表 3 當(dāng)熱敏電阻 TH 開路或短路時 發(fā)出不啟動指令 并報知相關(guān)的信息 祥見故障代碼表 4 關(guān)機(jī)時如 IGBT 溫度 50 CPU 發(fā)出風(fēng)扇繼續(xù)運轉(zhuǎn)指令 直至溫度 50 風(fēng)扇停轉(zhuǎn) 風(fēng)扇延時運轉(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 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)扇運轉(zhuǎn)通過電磁爐進(jìn) 出風(fēng)口形成的氣流將散熱片上的熱及線盤 L1 等零件工作時產(chǎn)生的熱 加熱鍋具輻射進(jìn)電磁爐內(nèi)的熱排出電磁爐外 CPU 15 腳發(fā)出風(fēng)扇運轉(zhuǎn)指令時 15 腳輸出高電平 電壓通過 R27 送至 Q3 基極 Q3 飽和導(dǎo)通 VCC 電流流過 風(fēng)扇 Q3 至地 風(fēng)扇運轉(zhuǎn) CPU 發(fā)出風(fēng)扇停轉(zhuǎn)指令時 15 腳輸出低電平 Q3 截止 風(fēng)扇因沒有電流流過而停轉(zhuǎn) 2 17 主電源 AC220V 50 60Hz 電源經(jīng)保險絲 FUSE 再通過由 RZ C1 共模線圈 L1 組成的濾波電路 針對 EMC 傳導(dǎo)問 題而設(shè)置 祥見注解 再通過電流互感器至橋式整流器 BG 產(chǎn)生的脈動直流電壓通過扼流線圈提供給主 回路使用 AC1 AC2 兩端電壓除送至輔助電源使用外 另外還通過印于 PCB 板上的保險線 P F 送至 D1 D2 整流得 到脈動直流電壓作檢測用途 注解 由于中國大陸目前并未提出電磁爐須作強(qiáng)制性電磁兼容 EMC 認(rèn)證 基于成本原因 內(nèi)銷產(chǎn)品大部分沒有將 CY1 CY2 裝上 L1 用跳線取代 但基本上不影響電磁爐使用性能 2 18 輔助電源 AC220V 50 60Hz 電壓接入變壓器初級線圈 次級兩繞組分別產(chǎn)生 2 2V 12V 和 18V 交流電壓 12V 交流電壓由 D19 D22 組成的橋式整流電路整流 C37 濾波 在 C37 上獲得的直流電壓 VCC 除供給散熱風(fēng) 扇使用外 還經(jīng)由 V8 三端穩(wěn)壓 IC 穩(wěn)壓 C38 濾波 產(chǎn)生 5V 電壓供控制電路使用 18V 交流電壓由 D15 組成的半波動整流電路整流 C26 濾波后 再通過由 Q9 R33 DW9 C27 C28 組成的串聯(lián)型穩(wěn)壓濾波電路 產(chǎn)生 18V 電壓供 IC2 和 IGBT 激勵電路使用 2 19 報警電路 電磁爐發(fā)出報知響聲時 CPU1 腳輸出幅度為 5V 頻率 4KHz 的脈沖信號電壓至蜂鳴器 BZ1 令 BZ1 發(fā)出報知響 聲