武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 節(jié)能減排是當(dāng)今世界的重要主題之一，大功率電磁爐熱效率高、加熱速度快、 清潔環(huán)保，具有廣闊的應(yīng)用前景。本文針對現(xiàn)有電磁爐功率小、穩(wěn)定性差等缺陷， 開展了基于半橋諧振電路電磁爐的關(guān)鍵技術(shù)研究，包括逆變電路參數(shù)設(shè)計、負(fù)載 等效電路建模、控制策略研究，主要內(nèi)容如下： 在分析大功率電磁爐工作原理的基礎(chǔ)上，確定逆變電路方案，根據(jù)性能指標(biāo) 要求設(shè)計了逆變電路中各器件參數(shù)，包括i g b t 選型，諧振電感、電容設(shè)計，并 設(shè)計了i g b t 硬件死區(qū)電路和智能保護(hù)電路，能夠及時地保護(hù)開關(guān)器件的正常運(yùn) 行；最后設(shè)計了控制軟件，根據(jù)功能進(jìn)行了軟件模塊劃分，重點(diǎn)設(shè)計了功率控制、 軟件保護(hù)軟件和智能鍋具檢測模塊軟件。 研究了逆變電路的核心元件i g b t 特性，進(jìn)行了功耗分析和計算，針對大功 率電磁爐干擾大、噪聲嚴(yán)重的特點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計了驅(qū)動電路，能夠及時地保護(hù)i g b t 正常運(yùn)行；為滿足電磁爐并聯(lián)擴(kuò)容需要，研究了i g b t 動、靜態(tài)特性對均流的影 響，并且提出柵極電阻補(bǔ)償法，通過對柵極電阻的補(bǔ)償，使得多管之間的動態(tài)性 能均衡，通過仿真驗(yàn)證了該方法在i g b t 并聯(lián)中的可執(zhí)行性。 在感應(yīng)加熱基本原理的基礎(chǔ)上，研究了基于變壓器原理的負(fù)載模型，此模型 可以反映感應(yīng)線圈和鍋具的等效電路，但是不能反映負(fù)載隨工作頻率變化的缺 點(diǎn)，本文提出了基于網(wǎng)絡(luò)阻抗的動態(tài)負(fù)載模型，該模型能夠很好的反映工作頻率 和功率的關(guān)系，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和軟件仿真，驗(yàn)證了該模型的準(zhǔn)確性：最后針對負(fù) 載隨溫度的變化，提出了基于電磁爐的自適應(yīng)恒溫控制；根據(jù)檔位的輸入和鍋具 溫度的反饋，自適應(yīng)的執(zhí)行基于動態(tài)負(fù)載模型的恒功率和基于恒溫p i 控制的雙 向控制器，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該控制策略在節(jié)能和加熱速度方面具有良好的效果。 關(guān)鍵字：感應(yīng)加熱；i g b t 驅(qū)動；負(fù)載；動態(tài)模型； 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 a b s t r a c t e n e r g yc o n s e r v a t i o n i sa l li m p o r t a n tt h e m er e c e n t l y h i g h p o w e ri n d u c t i o n c o o k e rh a st h ea d v a n t a g eo fe l e c t r i ce f f i c i e n c y , h e a t i n gs p e e d ，e a s yo p e r a t i o n ，w h i c h h a sb r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t s i nt h i st h e s i s ，t h ek e yt e c h n o l o g yo ft h ea p p l i a n c ei s r e s e a r c h e db a s e do nh a l f - b r i d g er e s o n a n tc i r c u i t ，t os o l v et h es h o r to ft h ee x i s t i n g c o o k e rp o w e r ss m a l lp o w e ra n d p o o rs t a b i l i t y i ta n a l y z e st h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fh i g h p o w e ri n d u c t i o nc o o k e ra n df o r m st ob e u s e di ni n v e r t e rc i r c u i t ，t h e nd e s i g nt h ep a r a m e t e r so ft h ei n v e r t e rc i r c u i t ，i n c l u d i n g t h ei g b ts e l e c t i o n ，r e s o n a n ti n d u c t o ra n dc a p a c i t o rd e s i g n i ta l s od e s i g n si g b td e a d z o n ec i r c u i ta n di n t e l l i g e n th a r d w a r ep r o t e c t i o nc i r c u i tt o p r o t e c tt h es w i t c h i n g d e v i c e s f i n a l l y i td e s i g n st h ec o n t r o ls o f t w a r e ，i n c l u d i n gt h ef u n c t i o n so fe a c h m o d u l ea n dt h ep o w e rm o d u l ec o n t r 0 1 i g b ti n v e r t e rc i r c u i ti st h ec o r e c o m p o n e n t s i tr e s e a r c h e s t h ei g b t c h a r a c t e r i s t i c sa n dp o w e rc o n s u m p t i o nc a l c u l m i o n ，a n dd e s i g n st h eg e n e r a ld r i v e c i r c u i ta n dt h es e l e c t i o no fp a r a m e t e r sa n dg a t er e s i s t a n c e ，f o c u s i n go np r o t e c t i o no f i n d u c t i o nc o o k e rf i n a l l yi tr e s e a r c h e sd y n a m i ca n ds t m i cc h a r a c t e r i s t i c so fi g b tf o r p a r a l l e le x p a n s i o na p p l i a n c ea n dp r o p o s e st h em e t h o do fg a t ec o m p e n s m i o nt o b a l a n c et h ed y n a m i cp e r f o r m a n c e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h eg o o de f f e c to ft h i s m e t h o d r e s e a r c hh a sb e e nd o n eb a s e so nt h et r a n s f o r m e rl o a dm o d e l s a st h em o d e lc a n n o tr e f l e c tc h a n g e so fl o a d ，t h ep a p e r p r o p o s e sad y n a m i cw e b b a s e di m p e d a n c e l o a d m o d e l t h ee x p e r i m e n t a ld a t aa n ds o f t w a r es i m u l a t i o nv e r i f yt h ea c c u r a c yo ft h e m o d e lw h i c hb u i l d st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nf r e q u e n c ya n dp o w e rf i n a l l y , w h i l et h e l o a dc h a n g e sw i t ht e m p e r a t u r e ，i tp r o p o s e sa d a p t i v et e m p e r a t u r ec o n t r o lo ft h e a p p l i a n c e a c c o r d i n gt ot h ei n p u ta n dt e m p e r a t u r ef e e d b a c k ，i ta d a p t i v e l yi m p l e m e n t s c o n s t a n tp o w e rc o n t r o lb a s e do nd y n a m i cl o a dm o d e la n dc o n s t a n tt e m p e r a t u r ep i c o n t r 0 1 e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h ec o n t r o lm e t h o di nt h ee n e r g ya n dh e a t i n gr a t e h a sag o o de f f e c t k e y w o r d ：i n d u c t i o nh e a t i n g ；i g b t d r i v e r ；l o a d ；d y n a m i cm o d e l ； 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明，所呈交的論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及 取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外， 論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得 武漢理工大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一 同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說 明并表示了謝意。 簽 名：她日 期：型上盟 學(xué)位論文使用授權(quán)書 本人完全了解武漢理工大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即： 學(xué)校有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版， 允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)武漢理工大學(xué)可以將本學(xué)位論文的 全部內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制 手段保存或匯編本學(xué)位論文。同時授權(quán)經(jīng)武漢理工大學(xué)認(rèn)可的國家有 關(guān)機(jī)構(gòu)或論文數(shù)據(jù)庫使用或收錄本學(xué)位論文，并向社會公眾提供信息 服務(wù)。 ( 保密的論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定) 研究生c 簽名嘲葳聊c 簽名，薇跨期州酬 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 1 引言 第1 章緒論 家用電磁爐在市場已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用，但是大功率電磁爐起步稍晚，主要 受到開關(guān)管的容量限制，隨著大功率開關(guān)器件的發(fā)展，很大的帶動了大功率電磁 爐功率擴(kuò)展。 大功率電磁爐是基于感應(yīng)加熱原理，主要是利用處在交變磁場中的導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn) 生的渦流而引起熱效應(yīng)，通過能量轉(zhuǎn)換，將大量電能轉(zhuǎn)化成為熱能。高頻電流流 經(jīng)導(dǎo)體時，在它的周圍同時有交變的磁場產(chǎn)生。產(chǎn)生的磁場在被加熱的目標(biāo)器件 上引起集膚效應(yīng)，使大部分電流在導(dǎo)體的表面上流通，來加熱目標(biāo)器伴1 1 。 大功率電磁爐熱效率高、加熱速度快、功率強(qiáng)勁、易操作，從安全上來說， 無油無味、清潔衛(wèi)生，無煙無火，能很好的改善廚房的環(huán)境，適用于酒樓、飯店、 工廠、學(xué)校、機(jī)關(guān)、部隊、企事業(yè)單位、火車、輪船等場合。 能源危機(jī)是任何一個國家都不能避免的問題，隨著石油的需求越來越大，能 源問題都在向著新的方向延伸和發(fā)展，而電磁爐則是用電來取代煤氣、柴油等基 本燃料，順應(yīng)時代的發(fā)展。響應(yīng)節(jié)能減排的口號，將逐步取代油和燃?xì)鉃橹鞯臓t 灶設(shè)備，成為今后主流的廚房設(shè)備。 電磁爐響應(yīng)節(jié)能的口號，有很大的經(jīng)濟(jì)價值，其熱效率高達(dá)9 0 以上，從成 本上考慮，如果用電磁爐替換煤氣灶和柴油灶，一年可以為餐飲企業(yè)節(jié)約營業(yè)額 的5 左右，大大降低了成本。 目前市面上，技術(shù)比較成熟的產(chǎn)品都是小功率家用電磁爐，基本上都是以單 管，或者半橋電路為主電路設(shè)計的。但作為大功率電磁爐，對功率器件的要求比 較高，在9 0 年代，能夠耐高電壓，過大電流的功率器件還不穩(wěn)定，所以，使大 功率電磁爐遇到技術(shù)瓶頸，但是隨著功率器件的r 新月異的發(fā)展，在本世紀(jì)初， 各大廠家的大功率器件頻頻升級，而且穩(wěn)定性能越來越好，給大功率電磁路的研 發(fā)提供了很好的機(jī)遇。 大功率電磁爐市場發(fā)展還有一些障礙，主要有：( 1 ) 電磁爐的商用市場受到 傳統(tǒng)的明火烹飪習(xí)慣的影響。很多的廚師看不見明火，都感覺不習(xí)慣。這個要通 過具體的實(shí)驗(yàn)來打消他們的顧慮，讓他們看到電磁爐確實(shí)比明火快。( 2 ) 商用廚 房電磁爐產(chǎn)品規(guī)格化過程( 規(guī)模化、降成本) 是一個不斷完善的過程，是在市場 不斷認(rèn)識提高的基礎(chǔ)上完成的。( 3 ) 產(chǎn)品材料、工藝的可靠性。一個行業(yè)的發(fā)展， 需要相關(guān)的配套資源的同步發(fā)展【2 1 。 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 2 課題的研究意義 大功率電磁爐發(fā)展迅速，市場增幅快，特別是在商用領(lǐng)域，各廠家對其開 發(fā)投入了大量的資金和科研隊伍，因此有著巨大的市場空間。 大功率電磁爐主要的應(yīng)用環(huán)境在酒店、食堂、連鎖快餐、火鍋城等不能見 明火的場合，像火車、輪船、軍用艦艇、潛艇應(yīng)用也比較廣泛。 現(xiàn)階段市場上大部分是3 千瓦以下小功率電磁爐，雖然技術(shù)比較成熟，但 是其功率難以滿足酒店、食堂等的需求 3 1 。而國內(nèi)的大功率電磁爐技術(shù)上還不成 熟，穩(wěn)定性差，返修率高，導(dǎo)致成本大幅增加。為了在技術(shù)上有所突破，各大 廠家都在加緊在研發(fā)上的投資，目前已有的大功率電磁灶具有以下缺陷： ( 1 ) 穩(wěn)定性差，回修率高。 大功率電磁爐的不穩(wěn)定性主要表現(xiàn)在逆變電路的波動大、i g b t 容易燒管， i g b t 的爆管還易引起周邊元器件的損壞，造成的短路如果沒有空開等保護(hù)措施 還易引發(fā)火災(zāi)等惡劣后果。 ( 2 ) 成本高，產(chǎn)品化難。 要提高大功率電磁爐的穩(wěn)定性，許多公司應(yīng)用全橋逆變或者利用變壓器驅(qū) 動功率模塊，全橋需使用四個開關(guān)器件，變壓器驅(qū)動則大大增加產(chǎn)品體積，都 會在不同程度上增加成本。另一方面，由于內(nèi)部的干擾嚴(yán)重，必須設(shè)計多種硬 件和軟件保護(hù)措施，也增加了成本。 ( 3 ) 模塊化設(shè)計缺乏創(chuàng)新。 目前市場上的功率擴(kuò)容都是采用單機(jī)并聯(lián)，單機(jī)并聯(lián)從穩(wěn)定性來說有優(yōu)勢， 但是浪費(fèi)了很多不必要的元器件，而i g b t 并聯(lián)應(yīng)用在大功率電磁爐上的應(yīng)用還 不是很廣泛，主要原因是不能解決均流問題。所以并聯(lián)擴(kuò)容技術(shù)的研究很有意 義。 ( 4 ) 不能精確各檔位的功率。 大功率電磁爐一般采用定頻率控制策略1 4 1 ，即不同的檔位對應(yīng)不同的工作頻 率，因此在實(shí)際應(yīng)用中，隨著鍋具材質(zhì)、溫度、在灶臺擺放的位置、不同種類 的食物、電網(wǎng)電壓發(fā)生變化時，電磁爐輸出功率也會隨之波動，不可調(diào)節(jié)。另 外，火力控制的最終對象實(shí)際上是鍋具溫度，如果持續(xù)功率輸出，鍋具在炒菜、 燒油等環(huán)境中溫度會持續(xù)上升，當(dāng)超過廚師想要的溫度時，既浪費(fèi)了能量，又 對被加熱食物不利。 所以對大功率電磁爐的研究意義重大，如果能解決上訴問題，大功率電磁 爐的產(chǎn)業(yè)化的道路將指r 可待，其商業(yè)前景不可估量。 為滿足日益增長的市場需求，各公司都在加緊在大功率電磁爐研發(fā)上有所突 2 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 破。本課題主要擬解決關(guān)鍵技術(shù)，追求穩(wěn)定性的同時，實(shí)現(xiàn)功率擴(kuò)容，研究負(fù)載 特性，實(shí)現(xiàn)精確火力控制，并且研制樣機(jī)，然后小批量試制，為產(chǎn)業(yè)化奠定基礎(chǔ)。 本課題來源于湖北省武漢市科技攻關(guān)計劃項(xiàng)目( 項(xiàng)目編號2 0 0 7 1 1 0 2 1 3 8 2 ) 。 1 3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 隨著人們生活水平的普遍提高，人們越來越關(guān)心節(jié)能、環(huán)保等問題。電磁 爐作為綠色能源，想對于傳統(tǒng)廚房設(shè)備有著絕對的優(yōu)勢，極有可能取代傳統(tǒng)廚 房設(shè)備。而現(xiàn)階段市面上流行的小功率電磁爐，盡管其穩(wěn)定性好和成本低，但 是其功率無法滿足酒店、食堂、大型機(jī)關(guān)等的要求。 目前國內(nèi)市場上的大功率電磁爐主要基于半橋串聯(lián)諧振電容設(shè)計 5 1 ，主要缺 點(diǎn)是功率因素低、穩(wěn)定性差。逆變主回路上的功率因素低，大量電能損耗在電容 和電感上，同時由于電壓和電流的相位差會電網(wǎng)產(chǎn)生較嚴(yán)重的影響，產(chǎn)生諧波污 染。逆變電路的大電流和多次諧波極大地影響了i g b t 的正常運(yùn)行，大電流導(dǎo)致 其發(fā)熱嚴(yán)重，多次諧波的影響容易導(dǎo)致其短路。 而全橋控制電路，首先研發(fā)成本上比半橋高出許多，另一方面，全橋電路的 鎖相控制也是設(shè)計難點(diǎn)，如果在設(shè)計上有點(diǎn)差錯，所有開關(guān)管將全部燒毀 6 1 。 在功率控制方面，現(xiàn)在主流的產(chǎn)品還是采用的定頻控制m ，即不同的檔位對 應(yīng)不同的工作頻率，因此在實(shí)際應(yīng)用中，隨著鍋具材質(zhì)、溫度、在灶臺擺放的 位簧、不同種類的食物、電網(wǎng)電壓發(fā)生變化時，電磁爐輸出功率也會隨之波動， 不可調(diào)節(jié)。另外，火力控制的最終對象實(shí)際上是鍋具溫度，如果持續(xù)功率輸出， 鍋具在炒菜、燒油等環(huán)境中溫度會持續(xù)上升，當(dāng)超過廚師想要的溫度時，既浪 費(fèi)了能量，又對被加熱食物不利。 國外較領(lǐng)先的技術(shù)有應(yīng)用模糊邏輯控制技術(shù)到電磁爐設(shè)計中【8 1 ，其中科技成 果“多功能氣電組合灶”利用模糊邏輯控制技術(shù)，開發(fā)出既可自動煮飯，又可炒 菜的電磁爐，并具有多種自動保護(hù)功能，抗干擾能力強(qiáng)，抗反向電流沖擊大等特 點(diǎn)；采用模糊邏輯控制和電磁爐相結(jié)合，研制出模糊邏輯控制高頻工作對象。 另外，日本有一些專利中，研究了關(guān)于大功率電磁爐寬范圍調(diào)節(jié)輸出功率 的裝置f 9 1 ，其中主要是擬解決由電磁爐工作中產(chǎn)生的少量的熱響應(yīng)回饋從而影響 準(zhǔn)確控制電磁爐工作溫度，擬提供一種響應(yīng)回饋方法使得精確的控制電磁爐工 作。 國內(nèi)研究大功率電磁爐的高峰期在上世紀(jì)八九十年代，由于受到功率器件 的影響，大量產(chǎn)品可靠性差，功率低，難以被市場所接受。直到9 0 年代術(shù)，各 公司對研發(fā)上的投入增大，其穩(wěn)定性才得以保障。近十年，隨著技術(shù)上的突飛 猛進(jìn)，以及產(chǎn)品維護(hù)上的日益完善，各大產(chǎn)品爭相涌現(xiàn)，比如沁鑫、金肯、廚 3 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 中廚等，這些產(chǎn)品在市場上所占份額較大，這些廠家的產(chǎn)品經(jīng)歷了一代一代的 更新，在產(chǎn)品化的道路中，都遇到了比較大的困難，最后引領(lǐng)著大功率電磁爐 的進(jìn)一步發(fā)展。 國外品牌如e g o 、高比、c 0 0 k t e k 、環(huán)球，也在占領(lǐng)國內(nèi)的部分市場，從穩(wěn) 定性上，國外品牌占據(jù)很大優(yōu)勢，其穩(wěn)定性國內(nèi)很多廠家都不敢高攀，另外在 功能方面，國外廠家做的非常人性化，受到用戶極大的青睞，但另一方面其價 格太貴、維修不方便，是許多國內(nèi)用戶望而卻步，也是影響其銷量的主要原因。 電磁爐從家用到商用，經(jīng)歷了比較長的一段時間，現(xiàn)在家用電磁爐市場基 本穩(wěn)定，利潤越來越低，各廠家都把發(fā)展方向放在了商用電磁爐上。各廠家都 把方便、加熱速度快、熱效率高以及高效節(jié)能作為口號，并從耐用、美觀等多 方面考慮，增強(qiáng)競爭力。 1 4 本文的主要研究內(nèi)容 本課題主要研制了大功率電磁爐逆變電路分析及參數(shù)確定、硬件死區(qū)電路、 智能保護(hù)電路以及i g b t 驅(qū)動模塊和大功率電磁爐動態(tài)負(fù)載模型。主要包括： ( 1 ) 逆變電路方案分析、參數(shù)設(shè)計及控制軟件設(shè)計 分析了大功率電磁爐工作原理，本課題采用的逆變電路形式，然后根據(jù)電路 形式設(shè)計了電路中各參數(shù)，包括i g b t 的選型，諧振電感、電容的設(shè)計；在此基 礎(chǔ)上，本文設(shè)計了i g b t 硬件死區(qū)電路和智能保護(hù)電路，保護(hù)開關(guān)器件。最后設(shè) 計了控制軟件，介紹了各模塊軟件的功能以及詳細(xì)介紹了功率控制模塊軟件。 ( 2 ) i g b t 驅(qū)動模塊設(shè)計 研究了i g b t 特性及功耗計算，介紹了一般驅(qū)動電路中應(yīng)注意的參數(shù)和柵極 電阻的選取，重點(diǎn)針對大功率電磁爐設(shè)計了優(yōu)化的驅(qū)動電路，最后，為了電磁爐 能并聯(lián)擴(kuò)容技術(shù)，研究了i g b t 均流問題，并且了通過仿真驗(yàn)證了柵極補(bǔ)償法在 i g b t 并聯(lián)中的可執(zhí)行性。 ( 3 ) 動態(tài)負(fù)載模型的研究 分析了感應(yīng)加熱的基本原理，然后研究了基于變壓器的負(fù)載模型，針對此模 型不能反映負(fù)載變化的缺點(diǎn)，提出了基于網(wǎng)絡(luò)阻抗的動態(tài)的負(fù)載模型，通過實(shí)驗(yàn) 數(shù)據(jù)和軟件仿真，驗(yàn)證了該模型的準(zhǔn)確性，最后針對負(fù)載隨溫度的變化，提出了 自適應(yīng)恒溫控制方法來實(shí)現(xiàn)精確功率控制。 4 武漢理i ：大學(xué)碩士學(xué)位論文 第2 章大功率電磁爐功率模塊主電路設(shè)計 電磁爐電路形式主要有單管逆變、半橋逆變、全橋逆變，負(fù)載工作方式分為 串聯(lián)逆變和并聯(lián)逆變，在整流側(cè)又分為可控整流和不可控整流，從設(shè)計成本、穩(wěn) 定程度、功率需求和安裝結(jié)構(gòu)等多方面考慮，設(shè)計方案最終采用的是不可控半橋 串聯(lián)諧振電路。此電路形式的優(yōu)勢在于設(shè)計簡單、穩(wěn)定性能好、調(diào)功容易，但缺 點(diǎn)在于由于采用的是調(diào)頻調(diào)功方式，沒達(dá)到額定功率時，電路的功率因數(shù)較低， 電路自身熱損耗較大。 2 1 大功率電磁爐工作原理 大功率電磁爐主要是基于感應(yīng)加熱原理，通過高頻的電磁場在鍋底產(chǎn)生渦流 加熱鍋具，設(shè)定不同的檔位，滿足烹飪需求。大功率主電路為交流一直流一交流 變換電路，三相的交流電經(jīng)過不可控整流橋和i _ c 濾波電路后變成直流電壓，然 后經(jīng)過半橋諧振電路產(chǎn)生高頻的交流電，其頻率在1 8 k h z - - 4 0 k h z ，此頻率屬于 音頻范圍，人耳聽不到，也不會產(chǎn)生很大的超音頻干擾。其工作流程大致如下圖 所示： _ _ _ _ - _ _ _ 。_ _ 。 審鳥 一 整流! 虱 橋墓魁i 堂l堅； 艫嚴(yán)f 二蛔! l i l l i l l l l 貺l i i l l i l l l i f 佃- i - 田 三懶電源撕直流濾波臌覷嫩商懶渦燃 圖2 - 1 大功率電磁爐能量轉(zhuǎn)換方式 半橋串聯(lián)諧振電路如下圖2 2 所示，主要由兩個諧振電容和兩個大功率開關(guān) 器件組成，每個開關(guān)器件并聯(lián)一個續(xù)流二極管，感應(yīng)線圈是專用線圈，專門用在 電磁爐中，除了基本設(shè)計參數(shù)要滿足以外，另個很重要的是外形要和鍋具負(fù)載 匹配，不然電磁場不能完全將能量轉(zhuǎn)換成焦耳熱，會導(dǎo)致能量泄露。 5 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖2 2 半橋串聯(lián)諧振電路原理圖 半橋串聯(lián)諧振電路啟動簡單，由于功率頻率高于諧振頻率，因而不會出現(xiàn)斷 續(xù)情況，電路穩(wěn)定，應(yīng)用很廣泛。另一方面，半橋電路的成本較低，適合批量生 產(chǎn)。 電磁場在磁導(dǎo)率較高的金屬中，產(chǎn)生的渦流更大，因此電磁爐鍋具一般為電 阻率和磁導(dǎo)率較高的鐵質(zhì)材料。電磁感應(yīng)實(shí)物圖如2 3 所示： 圖2 3 電磁爐感應(yīng)加熱示意圖 交變電流通過導(dǎo)體時，導(dǎo)體周圍會形成交變磁場，電流強(qiáng)度直接影響磁場的 強(qiáng)弱。當(dāng)高頻磁場內(nèi)放有導(dǎo)體材料時，磁力線會切割導(dǎo)體，在導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電 勢，從而產(chǎn)生渦流。渦流和高頻電流一樣，同樣具有高頻電流的一些高頻特性。 由于電阻的熱效應(yīng)，使導(dǎo)體材料發(fā)熱，利用渦流感應(yīng)的熱效應(yīng)進(jìn)行加熱。 電磁爐主要是利用處在交變磁場中的導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的渦流而引起熱效應(yīng)，通過 能量轉(zhuǎn)換，將大量電能轉(zhuǎn)化成為熱能。當(dāng)導(dǎo)體中有高頻電流時，在它的周圍同時 有交變的磁場產(chǎn)生。產(chǎn)生的磁場在被加熱的目標(biāo)器件上引起集膚效應(yīng)，使大部分 電流在導(dǎo)體的表面上流通，來加熱目標(biāo)器件。交流電流的頻率越高，集膚效應(yīng)就 越明顯。在導(dǎo)體表面處由焦耳定律可知，導(dǎo)體的發(fā)熱量變大。同時，由于電流主 要集中在導(dǎo)體表面處，焦耳熱量主要集中于導(dǎo)體的表面層，因此利用高頻電流加 熱導(dǎo)體有利于熱傳導(dǎo)，提高效率。 當(dāng)然，感應(yīng)加熱與鍋具的材質(zhì)、形狀、距離都有很大關(guān)系，其中對功率影響 最大的是交流電流的工作頻率。另外，采用磁導(dǎo)率比較大的鐵質(zhì)材料，有更有利 6 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 于感應(yīng)加熱。 2 2 功率模塊電路設(shè)計 本系統(tǒng)研究開發(fā)的電磁爐電控系統(tǒng)可分為三個主要部分：整流模塊、逆變模 塊、主控制單元模塊。如下圖所示： 2 2 1 整流模塊設(shè)計 圖2 4 大功率電磁爐電控設(shè)計圖 整流模塊將三相交流電變成穩(wěn)定平滑的直流電源，主要由e m i ( 抑制電磁干 擾) 濾波器、整流橋、l c 平波電路組成，如圖2 5 所示： 7 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 抑制電 相磁干擾 整 平波 進(jìn) 7 濾波電 流 線i 路 橋 電路 i ，一 圖2 5 濾波電路系統(tǒng)框圖 電磁爐本身就是一個干擾源，在大功率電磁爐電路中，功率器件三相整流橋 模塊、高速i g b t 模塊的應(yīng)用會產(chǎn)生大量電磁干擾信號，這些干擾信號能夠影響 到其他電路以及電網(wǎng)中其他的設(shè)備的正常運(yùn)行，同時也會影響到電網(wǎng)的用電安 全。 如圖2 - 6 所示，其中l(wèi) 1 ，l 2 ，l 3 為共模扼流圈，由于它的兩個線圈匝數(shù)相 等，這三個電感對于差模電流和主電流所產(chǎn)生的磁通是方向相反、互相抵消的， 因而不起作用而對于共模干擾信號，能夠得到一個大的電感量呈現(xiàn)高阻抗，以獲 得最大的濾波效果，因此對共模信號其有良好的抑制作用。 在共模扼流圈兩端分別有三組電容接到中線，在每個電容上并聯(lián)一個大電阻 用來吸收靜電。c y l 、c y 2 、c y 3 并接在相線和大地之間。當(dāng)差模噪聲經(jīng)電源線 a 相時，分別經(jīng)c x l 和l 1 、c x 4 返回中性線n ，并得到衰減，減小干擾。共模 噪聲是從電源線a b c 與n 對地e 加入的干擾信號，當(dāng)干擾信號進(jìn)入電磁干擾濾 波器時，經(jīng)l 1 、c y l 入地，信號通過共模電感線圈l 1 時，因產(chǎn)生的磁場方向 相同而受到急劇的衰減，然后經(jīng)c y l 入地，從而抑制了電網(wǎng)對設(shè)備的干擾。 ar 1 i 20 整 b“。r 1 i 30流 c，1 橋 1lc 、4 特 ： 【 -! 、 ! 、曲上”【】：f1 ： c 、：= nr t 。像r嚏丁l 吖 c 、； - c 、3 e 2 2 2 逆變模塊設(shè)計 圖2 - 6 抑制電磁干擾濾波電路 逆變模塊的設(shè)計包括諧振電路的設(shè)計，本論文采用的是電壓型串聯(lián)諧振電 路，諧振電路的設(shè)計則主要為諧振電容和諧振電感的參數(shù)設(shè)計以及i g b t 的選型。 開關(guān)管的峰值電壓： 8 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 v 。；4 6 u i 嘞；, 6 2 2 0 x 1 1 0 一5 9 3 1 ( 2 - 1 ) 一般取實(shí)際值的2 3 倍為i g b t 的額定值，所以選取i g b t 耐壓值為1 2 0 0 v 。 考慮電網(wǎng)電壓的波動，輸入電壓為i l 血- - - 2 3 4 u ( 1 - 1 0 ) = 4 6 3 v ，逆變電路 的基波分量v 竺型建童= 2 0 8 v 。 諧振電路中電流的最大有效值為： i 。：邋；1 8 0 0 0 x 0 9 7 7 9 a ( 2 2 ) o v 2 0 8 i g b t 的峰值電流為： i 。= 4 2 1 。一2 7 7 9 ；1 1 0 a ( 2 3 ) 考慮i g b t 的安全性選用額定電流為2 0 0 a ，最后選定的是歐佩克 f f 2 0 0 r 1 2 k s 4 。 串聯(lián)諧振電路輸出電壓的有效值為 一竽粵一等半勉”5 v ( 2 4 ， 根據(jù)串聯(lián)諧振電路的輸出電流，可以得到諧振電容兩端電壓的最大值為 v c = q ( 2 5 ) q 為負(fù)載的品質(zhì)因數(shù)，一般取5 ，有： v c 一a ；2 2 9 5 5 x 5 1 1 4 8 v ( 2 - 6 ) 由電容上的電壓和電流可以得到容抗為 x ；堡。一1 1 4 8 ：1 4 7 q ( 2 7 ) f 。 7 8 再由 小去(2-8) 所以： c ，上； ! ；0 6 1 u f 戤。2 a t 1 8 0 0 0 x 1 4 7 逆變器的工作頻率在1 8 k h z ，3 5 k h z ，再經(jīng)過實(shí)際工程調(diào)試， 個0 1 u f 、1 6 0 0 v 的高頻電容器并聯(lián)成0 7 u f 。 諧振電路的電感參數(shù)包括線圈盤的電感、鍋具等效電感，有： l ；魚；! ! ：!，1 3 0 u h l 眚一= 一 u n 9 ( 2 9 ) 最后選擇由7 ( 2 1 0 ) 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 考慮到有鍋具等效電感的存在，結(jié)合實(shí)際工程調(diào)試，最后選取線圈盤的參數(shù) 為9 0 u h 。 2 2 3 硬件死區(qū)電路 所謂硬件死區(qū)電路就是由硬件延時電路來讓p w m 信號帶有死區(qū)功能，避免 了微控制器在受到干擾下輸出錯誤信號，而造成兩i g b t 同時導(dǎo)通，導(dǎo)致短路燒 毀i g b i i 1 0 l 。另外，為防止i g b t 模塊過流甚至是短路現(xiàn)象的發(fā)生，裝置還集成 有安全保護(hù)控制電路，增強(qiáng)了電磁爐工作的安全穩(wěn)定性。 f f w m 圖2 7 死區(qū)控制電路原理 硬件死區(qū)電路能夠很好的保護(hù)半橋電路的上下開關(guān)管不會出現(xiàn)同時導(dǎo)通的 情況，可以有效保護(hù)i g b t 。上下開關(guān)管的同時導(dǎo)通的狀況受多種因素影響，主 要內(nèi)部電磁干擾、軟件程序控制不當(dāng)?shù)?，硬件死區(qū)電路有著軟件所沒有的穩(wěn)定性， 有助于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 硬件死區(qū)電路的原理主要是通過t e f - j 電路和r c 延時電路組成，將一路p w m 信號分成兩路，然后分別對兩路p w m 信號進(jìn)行上升沿延時，就得到了兩路互補(bǔ) 的p w m 信號，即兩路存在死區(qū)的p w m 信號。 首先單片機(jī)發(fā)送一路p w m ，此信號經(jīng)非門u 1 a 和u i b 成兩路互補(bǔ)p w m 信號，p w m 信號經(jīng)過r c 時，如果p w m 信號是由上升沿，通過電阻r 對電容 充電，在充電這段時間內(nèi)，仍是低電平，直到電壓上升到與門的高電平門檻電壓， 與門才輸出高電平，如果p w m 信號是下降沿，由于與門端輸入為為低，所以 輸出也為低，低電平?jīng)]有延時。兩路p w m 信號分別經(jīng)r c 電路進(jìn)行上升沿跳轉(zhuǎn) 延時，然后輸出帶死區(qū)的兩路p w m 波形，波形圖如下： 1 0 武漢理工人學(xué)碩士學(xué)位論文 t e k幾 s + mp ：- 96 0 * 1nr 一卜1 牿八硅形 i | + 豳 ，u 川一l 目 翻稿 鎮(zhèn)出鬣彤 圖2 - 8 硬件死區(qū)控制電路輸入輸出波形 死區(qū)時間的計算，通過一階電路的零狀態(tài)響應(yīng)柬求得， u 。一u ，o e 。7 ) ，t = r c ( 2 - 1 1 ) 以為與門的高平門檻電壓，以為5 v ， 計算求得r = i7 3 2 k ，c = 00 1 u f ，測得死區(qū)時間為3 u s 。 2 24 過流、過壓快速保護(hù)技術(shù) 為有效保護(hù)i g b t 的正常運(yùn)行，對其保護(hù)措施必不可少”，主要是過壓、過 流的快速保護(hù)，當(dāng)出現(xiàn)意外情況時，就必須立即關(guān)閉l g b t 的驅(qū)動信號?？焖俦?護(hù)電路如圖2 - 9 所示。 圖2 - 9 過流、過壓快速保護(hù)原理圖 首先設(shè)定電壓、電流的保護(hù)值，硬件實(shí)時檢測實(shí)際電壓電流，當(dāng)實(shí)際電壓電 流超過設(shè)定時由運(yùn)放輸出低電平，三輸入與門就輸出低電平，封鎖了p w m 輸出， 此時i g b t 驅(qū)動模塊就不會繼續(xù)輸出，系統(tǒng)停止工作。 在硬件上檢測到過壓、過流信號后，封鎖驅(qū)動信號，關(guān)f j j 驅(qū)動模塊，但是系 統(tǒng)的主控系統(tǒng)仍然在工作，所阻同時要在軟件上也停止輸出p w m 信號，這樣整 個系統(tǒng)才停止工作，有效保護(hù)了i g b t 。 武漢理工大學(xué)碩七學(xué)位論文 2 2 5 防電磁干擾設(shè)計 因?yàn)殡娮釉O(shè)備是一個復(fù)雜的的多源體【1 2 】，整個電子設(shè)備受到的干擾為各個干 擾產(chǎn)生的總和。設(shè)備中單個干擾主要是設(shè)備中的元件和導(dǎo)線。元件本身的情況及 其放置位置都會影響空間場強(qiáng)大小，因此元件一定要放置合理避免相互干擾。元 件的安放不能使之相互產(chǎn)生影響，輻射大的元件不僅要遠(yuǎn)離易受干擾的元器件， 而且還要注意所產(chǎn)生的電磁場的方向，盡量避免所產(chǎn)生的電磁場直接切割其它元 器件，減少干擾。關(guān)于導(dǎo)線，導(dǎo)線長度多出一厘米，就會增加額外的干擾，特別 是導(dǎo)線過長，盤旋在一起，就會增加工作附近的場強(qiáng)。因此在線路原理設(shè)計時， 將盡量采用簡單的線路。 為防止電磁輻射外泄，根據(jù)高頻電磁學(xué)的機(jī)理，本課題對電磁爐屏蔽體進(jìn)行 了設(shè)計。單層完整屏蔽結(jié)構(gòu)的屏蔽效能十分優(yōu)秀，電場屏蔽主要依靠對電場進(jìn)行 反射原理進(jìn)行屏蔽，一層極薄的實(shí)壁銅屏蔽層對電場的屏蔽效能就能達(dá)到 1 0 0 d b ，因此對電場屏蔽而言，一層屏蔽就能取得很好的效果。而對磁場屏蔽而 言，電磁波遇到導(dǎo)體表面時，既會產(chǎn)生反射也會吸收，使電磁能量大大衰減，從 而起到屏蔽作用。在高頻時，大部分能量被吸收，在低頻時大部分能量被反射， 屏蔽效能隨頻率越高也越高。在大功率電磁爐系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)工作頻率較高， 因此采用單層屏蔽已經(jīng)足夠。 常見的屏蔽材料有鋁、銅及合金材料，通過對常見幾種金屬的電導(dǎo)率及磁導(dǎo) 率對比分析后【1 3 1 ，在屏蔽材料的選擇中，全鋁合金材料比較適合應(yīng)用在大功率電 磁爐中，首先其密度小，有較好的屏蔽效果，比一般的鋼、銅等材料的吸收電磁 波的效果都要好很多。一般為了達(dá)到好的屏蔽效果，使屏蔽層的厚度等于干擾信 號的一個波長。因此，合理屏蔽罩的厚度d 即屏蔽罩材料中電磁干擾信號電磁波 的波長a 。屏蔽罩的厚度的計算公式為 d ：a ：善 珈仃 ( 2 1 2 ) 其中，為待屏蔽對象的電磁波的頻率，u 為相對磁導(dǎo)率，仃為電導(dǎo)率。屏蔽 體的電導(dǎo)率，相對磁導(dǎo)率通過資料手冊可知1 5 i 。逆變電路工作的最低頻率為 2 0 k h z ，經(jīng)過公式2 1 2 的計算，鋁板的最小厚度為1 6 7 r a m 。設(shè)計的機(jī)殼如圖 3 1 1 所示： 1 2 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 在內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，為了避免電路板的相互干擾，將整流電路和逆變電路整合到 一塊電路板中，這樣就避免了由于連接導(dǎo)線而引起的相互干擾，兩塊電路板集成 在一起后，元器件之間的相互干擾也大大減小了。另外風(fēng)扇采用抽風(fēng)設(shè)計，避免 將過多的灰塵雜質(zhì)帶入到設(shè)備中。 2 3 控制軟件設(shè)計 大功率電磁爐程序主要包括：初始化子程序；數(shù)據(jù)采集子程序；功率控制 子程序；人機(jī)接口子程序模塊；信息處理子程序模塊等部分。軟件流程圖如圖 2 1 0 。 圖2 1 0 主程序系統(tǒng)框圖 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 在完成各個模塊的初始化之后，進(jìn)入一個w h i l e ( 1 ) 的循環(huán)程序中，首先是 a d 采樣子程序，在這個子程序里面完成直流電流、高頻電流有效值、三相電流 有效值、直流電壓、檔位旋鈕電壓、i g b t 和鍋底溫度的采樣；接下來進(jìn)入讀檔 位子程序，根據(jù)檔位電壓采樣值判斷檔位，在程序中主要設(shè)置了7 個檔位，并且 有檔位去抖動，在檔位改變一秒鐘后才確定檔位大小，如果檔位不停的改變，不 是正常的操作流程，則軟件不會根據(jù)檔位來給定功率。然后進(jìn)入保護(hù)控制子程序， 根據(jù)各個電壓電流的采樣值進(jìn)判斷是否置保護(hù)標(biāo)志，如果有保護(hù)標(biāo)志被置位，則 在關(guān)機(jī)子程序中執(zhí)行關(guān)機(jī)程序。 在關(guān)機(jī)程序中并不是瞬間關(guān)閉，而是升高頻率到3 0 k h z ，電流減少到一定值 之后才關(guān)，避免在很大電流的情況下關(guān)斷i g b t 。如圖2 1 1 所示。 ( 翌竺 ) 豳 n 圖2 1 1 軟件保護(hù)流程圖 在功率控制子程序中，是首先發(fā)送固定p w m 頻率2 4k h z ，然后判斷直流母 線上電流的大小，大于1 a 則說明有負(fù)載，再根據(jù)檔位要求電流大小改變頻率。 1 4 武漢理i ：大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 6 k w 電磁爐從1 檔到5 檔頻率變化從4 0 k h z 到1 8 k h z ，所以選擇2 4 k h z 為檢 鍋頻率，這樣在換檔時頻率變化時間最小。在頻率改變過程中設(shè)有3 0 0 m s 延時， 即定時器周期寄存器每3 0 0 m s 才能改變次。如圖2 1 2 所示。 雹 n n y y 圈 圖2 1 2 功率控制子程序 在電磁爐使用過程中，廚師經(jīng)常會將鍋具抬起，會造成兩大影響，第一，頻 繁的抬鍋會使負(fù)載變化，加大d i d t 和d u d t ，造成較大干擾；第二，在抬鍋后， 若果系統(tǒng)不關(guān)閉i g b t 驅(qū)動模塊，會有較大能量浪費(fèi)。 電磁爐檢鍋程序的軟件設(shè)計顯得尤為重要。檢鍋程序和系統(tǒng)的穩(wěn)定工作和節(jié) 能息息相關(guān)，如果系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，鍋具拿開，則應(yīng)迅速關(guān)閉i g b t 驅(qū)動模塊，停止工 作，避免電能浪費(fèi)和巨大的電磁干擾。 本文在軟件中設(shè)計了智能的檢鍋程序，實(shí)時判斷是否有鍋，在判斷無鍋后， 能迅速關(guān)閉i g b t 驅(qū)動模塊，使系統(tǒng)停止工作。首先，軟件沒隔一段時間就發(fā)送 一段時間發(fā)送p w m 信號，然后檢測直流側(cè)電流，如果電流較大，則判斷是有鍋 的，若果電流小于1 a ，則說明現(xiàn)在無鍋。間斷時間為每2 s 發(fā)送5 0 m s 的p w m 信號，發(fā)送p w m 的頻率高于諧振點(diǎn)，發(fā)送的功率較小，即所謂的較低功耗的鍋 具檢測。在判斷無鍋后，主動系統(tǒng)控制蜂嗚器發(fā)出無鍋提示，在持續(xù)1 分鐘后， 如果依然沒有檢測到鍋，則系統(tǒng)進(jìn)入休眠待機(jī)狀態(tài)。鍋具檢測流程圖如圖2 1 3 所示。 1 5 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 c 】婦 圖2 1 3 鍋具檢測流程圖 另外在軟件控制上，優(yōu)化節(jié)能控制策略及其他熱轉(zhuǎn)換效率影響因素，降低電 控系統(tǒng)自身功耗，提高電磁爐的熱效率。 本課題研究采取的各種節(jié)能控制策略為：防干燒控制策略，電控系統(tǒng)實(shí)時監(jiān) 測鍋底溫度，當(dāng)鍋具燒水燒干后，鍋具溫度上升過快，且到達(dá)一定時間后，電控 系統(tǒng)將自動關(guān)機(jī)進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)【1 6 1 ，但炒菜、燒烤、煎炸、燜燒等油炸類功能均不 進(jìn)行干燒保護(hù)，出現(xiàn)調(diào)功時，也不進(jìn)行此保護(hù)檢測。優(yōu)化冷卻裝置控制策略，電 磁爐電控系統(tǒng)在運(yùn)行中不斷產(chǎn)生熱量，如不及時排出熱量，其內(nèi)部將逐漸升溫， 溫度過高會使系統(tǒng)的工作效率進(jìn)一步降低，且進(jìn)入惡性循環(huán)，各元件也增加燒毀 的危險性。 大功率節(jié)能電磁爐采用風(fēng)冷方式進(jìn)行工作環(huán)境溫度控制，一共有兩個冷卻風(fēng) 扇，一個對鍋底進(jìn)行降溫，一個對電控系統(tǒng)進(jìn)行降溫。傳統(tǒng)的電磁爐只要開機(jī)， 冷卻風(fēng)扇就會自動運(yùn)行，直至切掉電源，不同于傳統(tǒng)的風(fēng)扇開環(huán)控制，本系統(tǒng)冷 卻風(fēng)扇進(jìn)行了溫度反饋控制。當(dāng)電控系統(tǒng)溫度較低時，主要由散熱片降溫，當(dāng)溫 度上升到一定值時，系統(tǒng)自動開啟風(fēng)扇進(jìn)行冷卻，當(dāng)溫度回復(fù)設(shè)定值以下，系統(tǒng) 自動關(guān)閉風(fēng)扇，由此大大節(jié)約了能源。電控系統(tǒng)還擬采用休眠控制，當(dāng)電磁爐處 于關(guān)閉狀態(tài)時，所有電路通通關(guān)閉，各控制芯片也進(jìn)入休眠狀態(tài)，降低電磁爐的 功耗。當(dāng)電磁爐長期工作在同一狀態(tài)設(shè)定時，一定時間后也將自動關(guān)閉進(jìn)入休眠 狀態(tài)，避免人為遺忘關(guān)機(jī)。另外，本課題還將研究電磁爐的電熱轉(zhuǎn)換效率影響因 素，依靠控制策略來提高電磁爐的電熱轉(zhuǎn)換效率，如采用自動燒水功能，根據(jù)鍋 底溫度上升程度來粗估水量，又由水量來選擇燒水策略，如兩升水加熱時啟動以 1 6 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 滿功率火力加熱，4 0 秒后，保持滿功率的9 0 的火力加熱，1 分鐘后水沸騰或 接近沸騰，則保持8 0 的火力加熱，以此功率加熱到關(guān)機(jī)，這種燒水方式可以 有效節(jié)約能源【1 7 1 。 2 4 本章小結(jié) 本章主要介紹了大功率電磁爐工作原理，本課題采用的逆變電路形式，然后 根據(jù)電路形式設(shè)計了電路中各參數(shù)，包括i g b t 的選型，諧振電感、電容的設(shè)計； 在此基礎(chǔ)上，本文設(shè)計了i g b t 硬件死區(qū)電路和智能保護(hù)電路，保護(hù)開關(guān)器件。 最后設(shè)計了控制軟件，介紹了各模塊軟件的功能以及詳細(xì)介紹了功率控制模塊軟 件。 1 7 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 第3 章功率模塊驅(qū)動設(shè)計 在大功率電磁爐中，逆變側(cè)的電壓電流波動以及開關(guān)器件的d i d t ，對開關(guān)器 件有很大的影響，因此對功率器件特性和驅(qū)動的研究意義深遠(yuǎn)。本章重點(diǎn)研究了 i g b t 的特性、功耗和結(jié)溫的計算、驅(qū)動電路和并聯(lián)使用。 3 1 ig b t 模塊的特性 i g b t 模塊的特性對其使用有著重大意義，了解i g b t 模塊的特性，有利于 更好的設(shè)計i g b t 驅(qū)動電路、保護(hù)電路，以下講述i b g t 模塊的主要特性。 3 1 1i6 b t 特性分析 一 三 1 8 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 v 。7c e t o i t o 弗 圖3 2i g b t 開關(guān)電流電壓波形 大功率電磁爐采用的是半橋諧振電路，下面以半橋電路舉例分析i g b t 模塊 內(nèi)部的低電感設(shè)計。圖3 3 中的電感為兩單元i g b t 模塊的寄生電感，產(chǎn)生這些 電感的主要原因是由于芯片之間的相互連結(jié)以及連接導(dǎo)線1 2 0 1 。 圖3 3i g b t 模塊寄生電感 k 為柵極寄生電感； o 為上i g b t 集電極寄生電感； 比為上i g b t 發(fā)射極與下i g b t 集電極之間的寄生電感； l 為下i g b t 發(fā)射極寄生電感； 在開關(guān)管開通的過程中，由于有k 、k 的存在，降低了開關(guān)管的損耗，但 是在關(guān)斷過程中，開關(guān)管的主動關(guān)斷以及二極管的反向恢復(fù)，由于有寄生電感的 存在，會感應(yīng)出過電壓，使得開關(guān)損耗增加以及開關(guān)管承擔(dān)更大的過壓風(fēng)險【z 。 在短路和過載時，寄生電感的表現(xiàn)就更明顯，因此一般在硬開關(guān)電路中，寄生電 1 9 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 感要求越低越好。功率模塊的內(nèi)部寄生電感式用戶無法改變的，主要與功率模塊 的制造有關(guān)，良好的結(jié)構(gòu)工藝和精湛的技術(shù)可以改善寄生電感。 i g b t 模塊在開關(guān)過程中電流上升時間極短，在納秒級內(nèi)，會產(chǎn)生很強(qiáng)的電 磁干擾。干擾的程度主要與i g b t 寄生元件，還有電磁干擾在模塊內(nèi)以及接口處 的傳播有關(guān)。 減少i g b t 內(nèi)部干擾的方法有很多，主要有選擇合適的絕緣性材料、減小相 互耦合面積等等。 對地電流作為i g b t 的電磁干擾的另外一個因素，其影響也很大，即對地電 流；c f 幸咖f f 出，該電流主要由絕緣基片決定，其大小主要和i g b t 的集電極 和發(fā)射極的電壓波動有關(guān)，并流入保護(hù)地端子。 各種不同材質(zhì)的基片材料具有不同的電容值，另外由于電介質(zhì)常數(shù)和不同的 厚度對電容值也有影響。介質(zhì)材料的標(biāo)準(zhǔn)厚度主要由導(dǎo)熱性能決定的，下圖為幾 種材料在標(biāo)準(zhǔn)厚度下的單位面積電容【2 2 1 。 3 。1 2 功耗的平衡 圖3 - 4 不同絕緣基片單位面積的電容 逆變電路中的功率損耗主要包括開關(guān)器件的損耗和續(xù)流二極管的損耗，這個 損耗有一種周期性，每一個過程中都有一定的損耗，因此總的損耗等于每個損耗 的和。在參數(shù)設(shè)計時，要考慮一過程的損耗都不能超過參數(shù)在設(shè)計之初的損耗， 不能單純只考慮總的損耗滿足在設(shè)定范圍之類。下圖列出來功率器件可能存在的 損耗。 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 通態(tài)損耗 總功率 驅(qū)動損耗 斷損耗 圖3 5 開關(guān)管在開關(guān)過程中的損耗分布 i g b t 功耗是i g b t 設(shè)計時考慮的一個非常重要的參數(shù)，對于不同功耗的 i g b t 采取的散熱方式和驅(qū)動電路都有很大差別。 圖3 - 6 一個開關(guān)周期內(nèi)的波形及開關(guān)損耗 根據(jù)公式r f 1 “t ) ( t ) d t 和上圖電流電壓特性曲線可以得到功耗 氣 r ；i c l xv c e 鮒t 1 i + 1 c 2 xv c e s a t 2 0 l ( 3 1 ) 3 2 驅(qū)動電路設(shè)計 3 2 1 柵極特性