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

2、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

3、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。精品.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

4、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

5、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 、 skw25n12

6、0, 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 ,

7、 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 igb

8、t 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 電路方框圖精品.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

9、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

10、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(20khz30

11、khz) 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 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

12、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。精品.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 ,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

13、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) 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。(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

14、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),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。精品.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

15、 (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 t2t4 時間 ( 圖 1), 由于 c14 兩端電壓為上負(fù)下正 , 所以 v3v5,v7 off(

16、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 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)控制精品.(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

17、, 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

18、 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) ) 。精品.(3) 配合電流檢測電路反饋的

19、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?！半娫摧斎霕?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

20、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 檢測電路精品.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 ,

21、 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

22、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。精品.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

23、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

24、 , 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 ) 。精品.(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

25、 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)精品.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