電磁爐的工作原理分析

電磁灶（電磁爐）是一種利用電磁感應原理將電能轉換為熱能的廚房電器。在電磁灶內部，由整流電路將 50/60Hz 的交流電壓變成直流電壓，再經過控制電路將直流電壓轉換成頻率為 20-40KHz 的高頻電壓，高速變化的電流流過線圈會產生高速變化的磁場，當磁場內的磁力線通過金屬器皿 ( 導磁又導電材料 ) 底部金屬體內產生無數的小渦流，使器皿本身自行高速發(fā)熱，然后再加熱器皿內的東西。本文以正夫人47系列電磁爐為例來詳細闡述其每個工作模塊的詳細原理與分析。

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合結構。 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, 導通電阻大, 器件發(fā)熱嚴重, 輸出效率下降。

IGBT的特點:

1.電流密度大, 是MOSFET的數十倍。

2.輸入阻抗高, 柵驅動功率極小, 驅動電路簡單。
3.低導通電阻。在給定芯片尺寸和BVceo下, 其導通電阻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.開關速度快, 關斷時間短,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, 開關頻率直達100KHz, 開關損耗僅為GTR的30%。

IGBT將場控型器件的優(yōu)點與GTR的大電流低導通電阻特性集于一體, 是極佳的高速高壓半導體功率器件。

目前 458 系列因應不同機種采了不同規(guī)格的 IGBT, 它們的參數如下 :
(1) SGW25N120---- 西門子公司出品 , 耐壓 1200V, 電流容量 25 ℃ 時 46A,100 ℃ 時 25A, 內部不帶阻尼二極管 , 所以應用時須配套 6A/1200V 以上的快速恢復二極管 (D11) 使用 , 該 IGBT 配套 10A/1200/1500V 以上的快速恢復二極管 (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, 內部不帶阻尼二極管 , 所以應用時須配套 15A/1500V 以上的快速恢復二極管 (D11) 使用 , 該 IGBT 配套 6A/1200V 以上的快速恢復二極管 (D11) 后可代用 SGW25N120 、 SKW25N120 、 GT40Q321, 配套 15A/1500V 以上的快速恢復二極管 (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 快速恢復二極管拆除不裝。

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 , 作出相應的動作指令 ( 見加熱開關控制及試探過程一節(jié) ) 。
(2) 根據 VCE 取樣電壓值 , 自動調整 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) 當測得其它原因導至 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

當正弦波電源電壓處于上下半周時 , 由 D17 、 D18 和整流橋 DB 內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生的脈動直流電壓，當電源突然有浪涌電壓輸入時 , 此電壓通過 R41 、 C34 耦合 , 再經過 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 飽和導通 ,CPU 17 的電平通過 Q5 至地 ,PWM 停止輸出，本機停止工作 ; 當 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

2.15 IGBT 溫度監(jiān)測電路

IGBT 產生的溫度透過散熱片傳至緊貼其上的負溫度系數熱敏電阻 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 , 作出相應的動作指令 :
(1) IGBT 結溫高于 90 ℃ 時 , 調整 PWM 的輸出 , 令 IGBT 結溫 ≤ 90 ℃ 。 當 IGBT 結溫由于某原因 ( 例如散熱系統(tǒng)故障 ) 而高于 95 ℃ 時 , 加熱立即停止 , 并報知信息 。
(2) 當熱敏電阻 TH 開路或短路時 , 發(fā)出不啟動指令 , 并報知相關的信息 。
(3) 關機時如 IGBT 溫度 >50 ℃ ,CPU 發(fā)出風扇繼續(xù)運轉指令 , 直至溫度 < 50 ℃ ( 繼續(xù)運轉超過 30 秒鐘如 溫度仍 >50 ℃ , 風扇停轉 ; 風扇延時運轉期間 , 按 1 次關機鍵 , 可關閉風扇 ) 。
(4) 電磁爐剛啟動時 , 當測得環(huán)境溫度 <0 ℃ ,CPU 調用低溫監(jiān)測模式加熱 1 分鐘 ,30 秒鐘后再轉用正常監(jiān)測模式 , 防止電路零件因低溫偏離標準值造成電路參數改變而損壞 電磁爐。

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。