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1kV~1.8kV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 t1~t2 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 t1~t2 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 t3~t4 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 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 IGBT 内部阻尼管的导通电流 , 在高频电流一个电流周期里 ,t2~t3 的 i2 是线盘磁能对电容 C3 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 ,t1~t2,IGBTQ1 饱和导通 ,UC 接近地电位 ,t4~t5, IGBT 阻尼管导通 ,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 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 ,t1~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 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 V5>V6 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 :
豫公网安备41160202000603
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