电磁炉的工作原理分析

电磁灶（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。本文以正夫人47系列电磁炉为例来详细阐述其每个工作模块的详细原理与分析。

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。

2.11 VCE 检测电路

将 IGBT(Q1) 集电极上的脉冲电压通过 R1+R17 、 R28 分压 R29 限流后，送至 LM339 6 脚 , 在 6 脚上获得其取样电压 , 此反影了 IGBT 的 VCE 电压变化的信息送入 LM339, LM339 根据监测该电压的变化 , 自动作出电压比较而决定是否工作。
(1) 配合 VAC 检测电路、电流检测电路反馈的信息 , 判别是否己放入适合的锅具 , 作出相应的动作指令 ( 见加热开关控制及试探过程一节 ) 。
(2) 根据 VCE 取样电压值 , 自动调整 PWM 脉宽 , 抑制 VCE 脉冲幅度不高于 1050V( 此值适用于耐压 1200V 的 IGBT, 耐压 1500V 的 IGBT 抑制值为 1300V) 。
(3) 当测得其它原因导至 VCE 脉冲高于 1150V 时 (( 此值适用于耐压 1200V 的 IGBT, 耐压 1500V 的 IGBT 此值为 1400V), LM339 立即停止工作 ( 见故障代码表 ) 。

2.12 浪涌电压监测电路

当正弦波电源电压处于上下半周时 , 由 D17 、 D18 和整流桥 DB 内部交流两输入端对地的两个二极管组成的桥式整流电路产生的脉动直流电压，当电源突然有浪涌电压输入时 , 此电压通过 R41 、 C34 耦合 , 再经过 R42 分压， R44 限流 C35 滤波后的电压，控制 Q5 的基极，基极为 高电平时 , 电压 Q5 基极 ,Q5 饱和导通 ,CPU 17 的电平通过 Q5 至地 ,PWM 停止输出，本机停止工作 ; 当 浪涌脉冲过后 , Q5 的基极为 低电平 ,Q5 截止 , CPU 17 的电平通过 Q5 至地 , CPU 再重新发出加热指令。

2.13 过零检测

2.15 IGBT 温度监测电路

IGBT 产生的温度透过散热片传至紧贴其上的负温度系数热敏电阻 TH, 该电阻阻值的变化间接反影了 IGBT 的温度变化 ( 温度 / 阻值祥见热敏电阻温度分度表 ), 热敏电阻与 R8 分压点的电压变化其实反影了热敏电阻阻值的变化 , 即 IGBT 的温度变化 , CPU 通过监测该电压的变化 , 作出相应的动作指令 :
(1) IGBT 结温高于 90 ℃ 时 , 调整 PWM 的输出 , 令 IGBT 结温 ≤ 90 ℃ 。 当 IGBT 结温由于某原因 ( 例如散热系统故障 ) 而高于 95 ℃ 时 , 加热立即停止 , 并报知信息 。
(2) 当热敏电阻 TH 开路或短路时 , 发出不启动指令 , 并报知相关的信息 。
(3) 关机时如 IGBT 温度 >50 ℃ ,CPU 发出风扇继续运转指令 , 直至温度 < 50 ℃ ( 继续运转超过 30 秒钟如 温度仍 >50 ℃ , 风扇停转 ; 风扇延时运转期间 , 按 1 次关机键 , 可关闭风扇 ) 。
(4) 电磁炉刚启动时 , 当测得环境温度 <0 ℃ ,CPU 调用低温监测模式加热 1 分钟 ,30 秒钟后再转用正常监测模式 , 防止电路零件因低温偏离标准值造成电路参数改变而损坏 电磁炉。

2.19 报警电路

电磁炉发出报知响声时 ,CPU1 脚输出幅度为 5V 、频率 4KHz 的脉冲信号电压至蜂鸣器 BZ1, 令 BZ1 发出报知响声。