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1、电磁炉功率模块的设计及控制电气工程及其自动化专业 祝松涛摘 要本课题针对现有电磁炉功率小、稳定性差等缺陷，开展了基于半桥谐振电路电磁炉的关键技术研究。首先分析大功率电磁炉工作原理，确定了本课题采用电压型串联谐振电路形式，根据此电路形式设计了电路中各参数，包括IGBT的选型，谐振电感、电容的设计，并在此基础上设计了以单片机为控制核心的IGBT驱动电路和智能保护电路。另外，为了电磁炉能够并联扩容，研究了IGBT的均流问题。最后，设计了基于网络阻抗的动态负载模型并提出了电磁炉的自适应恒温控制方法，实现了电磁炉的精确功率控制。关键词 感应加热；串联谐振；功率模块；电磁炉；动态负载 Design and
2、 Control of the Induction Cooker Power Module Electrical Engineering and Automation Specialty ZHU Song-taoAbstract: This paper in view of the existing electromagnetic oven power small, poor stability and other defects, based on half-bridge resonant circuit of electromagnetic oven key technology rese
3、arch. First analysis of large power electromagnetic oven working principle, determined that this issue is based on the voltage type series resonant circuit, this circuit was designed according to the circuit parameters, including IGBT selection, resonant inductor, capacitor design, and on this basis
4、 to design the IGBT drive circuit and intelligent protection circuit. In addition, in order to electromagnetic stove capable of parallel expansion, studied the IGBT flow problem. Finally, based on the design of the network impedance dynamic load model and proposed the electromagnetic furnace adaptiv
5、e constant temperature control method, the electromagnetic oven precise power control.Key words: Induction cooker; power module; IGBT driver; induction heating; dynamic load 目 录1 引言11.1 课题研究的目的及意义11.2 国内外研究现状11.3 本课题主要研究内容22 系统总体方案设计22.1 电磁炉的工作原理22.2 系统设计方案33 系统硬件设计43.1 电磁炉的主电路设计43.1.1 整流电路设计43.1.2
6、逆变电路设计53.2 电磁炉功率模块驱动电路设计73.2.1 IGBT特性及栅极驱动电阻的选择73.2.2 驱动电路的设计及其优化83.2.3 IGBT的并联应用103.3 电磁炉保护电路的设计114 电磁炉控制策略研究及软件设计134.1 感应加热基本原理134.2 动态负载模型研究144.3 基于动态负载的自适应恒温控制144.4 控制软件设计165 系统调试及分析185.1 系统整流部分调试及结果分析185.2 系统逆变部分调试及结果分析205.3 系统主电路部分调试及结果分析22结束语24参考文献25致谢261 引言1.1 课题研究的目的及意义 目前家用电磁炉在市场上已经有了广泛的应用
7、，但是大功率的电磁炉起步稍晚，主要受到开关管的容量限制，随着大功率开关器件的发展，很大的带动了大功率电磁炉的发展。大功率电磁炉热效率高，加热速度快，功率强劲，易操作，从安全上来说，无油无味、清洁卫生、无烟无火，能很好的改善厨房环境。另外，能源危机是任何一个国家不能避免的问题，随着石油的需求越来越大，能源问题都在向着新的方向延伸和发展，而电磁炉则是用电来取代煤气、柴油等基本燃料，顺应时代的发展，响应节能减排的口号，将逐步取代油和燃气为主的炉灶设备，成为今后主流的厨房设备。电磁炉的热效率高达90%以上，从成本上考虑，如果用电磁炉替换煤气灶和柴油灶，一年可以为餐饮业节约营业额的5%左右，大大降低了成
8、本。所以电磁炉的应用越来越广泛。目前在市场上大多是小功率的家用电磁炉，基本上以单管或者半桥电路为主电路设计的。但作为大功率电磁炉，对功率器件的要求比较高，随着功率器件的日新月异的发展，各大厂家的大功率器件频频升级，而且稳定性越来越好，给大功率电磁炉的研发提供了很好的机遇。大功率电磁炉迅速发展，市场增幅很快，有很大的市场空间。但是，国内的大功率电磁炉在技术上还不成熟，稳定性差，返修率高，导致成本大幅增加。如果能在以上问题并能在技术上有所创新，那么大功率电磁炉的产业化道路指日可待，其商业前景不可估量。因此，研究大功率电磁炉意义重大。1.2 国内外研究现状目前国内市场上的大功率电磁炉主要基于半桥串联
9、谐振电容设计，主要缺点是功率因素低、稳定性差。逆变主回路上的功率因素低，大量电能损耗在电容和电感上，同时由于电压和电流的相位差会对电网产生较严重的影响，产生谐波污染。逆变电路的大电流和多次谐波极大地影响了IGBT的正常运行，大电流导致其发热严重，多次谐波的影响容易导致其短路。国内研究大功率电磁炉的高峰期在上世纪八九十年代，由于受到功率器件的影响，大量产品可靠性差，功率低，难以被市场所接受。随着技术上的突飞猛进，以及产品维护上的日益完善，大功率电磁炉发展迅速，市场增幅快，特别是在商用领域，各厂家对其开发投入了大量的资金和科研队伍，因此有着巨大的市场空间。所以对大功率电磁炉的研究具有很重要的价值，
10、如果能解决技术和成本等问题，其商业前景非常可观。在功率控制方面，现在主流的产品还是采用的定频控制，即不同的档位对应不同的工作频率。国外较领先的技术有应用模糊逻辑控制技术到电磁炉设计中，其中科技成果“多功能气电组合灶”利用模糊逻辑控制技术，开发出既可自动煮饭，又可炒菜的电磁炉，并具有多种自动保护功能，抗干扰能力强，抗反向电流冲击大等特点；采用模糊逻辑控制和电磁炉相结合，研制出模糊逻辑控制高频工作对象。1.3 本课题主要研究内容本课题主要研究了大功率电磁炉逆变电路分析及参数确定、硬件死区电路、智能保护电路以及以单片机为控制核心的IGBT驱动电路和大功率电磁炉动态负载模型。主要包括:(1)逆变电路方
11、案分析、参数设计：本课题采用的是逆变电路形式，根据此电路形式设计了电路中各参数，包括IGBT的选型、谐振电感、电容的设计；并在此基础上，设计了IGBT硬件死区电路和智能保护电路，保护开关器件。(2)IGBT驱动电路设计：介绍了一般驱动电路中应注意的参数和栅极电阻的选取，重点针对大功率电磁炉设计了优化的驱动电路，最后，为了电磁炉能并联扩容，研究了IGBT均流问题。(3)控制策略研究及系统调试及分析：提出了基于网络阻抗的动态负载模型，针对负载随温度的变化，提出了自适应恒温控制方法来实现精确功率控制。并设计了控制软件，介绍了各模块软件的功能以及详细介绍了功率控制模块软件。最后对系统进行调试及结果分析
12、。2 系统总体方案设计 2.1 电磁炉的工作原理电磁炉采用的是感应加热原理，通过电子线路板组成部分产生交变磁场，当用含铁质锅具底部放置炉面时，锅具即切割交变磁力线而在锅具底部金属部分产生交变的电流，涡流使锅具铁分子高速无规则运动，分子互相碰撞、摩擦而产生热能使器具本身自行高速发热，用来加热和烹饪食物，从而达到煮食的目的。 图1电磁炉的工作流程图如图1电磁炉工作流程可知，电磁炉主电路为交流-直流-交流变换电路，三相的交流电经过不可控整流桥和LC滤波电路后变成直流电压，然后经过半桥谐振电路产生高频的交流电，其频率在18kHz-40kHz，此频率属于音频范围，人耳听不到，也不会产生很大的超音频干扰。
13、 2.2 系统设计方案本课题主要以大功率电磁炉为研究对象，对电磁炉主电路部分和控制电路部分进行了设计，包括整流电路、逆变电路和控制保护电路。设计了优化的驱动电路，提出了基于动态负载的自适应恒温控制，实现了精确的功率控制。并对系统相应部分设计了软件和调试结果分析。电磁炉系统结构框图如图2所示，主要有整流模块、逆变模块和控制及保护模块组成。本课题主要设计了整流电路、逆变电路、驱动电路、智能保护电路、电压电流检测电路和温度检测电路等。其中逆变电路和智能保护电路是设计的重点，分析逆变电路的工作流程，进而了解电磁炉的工作情况，设计保护电路，能够有效保证系统的正常运行。图2 电磁炉的系统结构框图3 系统硬
14、件设计3.1 电磁炉的主电路设计 本课题研究开发的大功率电磁炉主电路主要有整流模块（AC-DC模块）和逆变模块（DC-AC模块）两部分组成，其设计图如图3所示：图3 大功率电磁炉的主电路3.1.1 整流电路设计整流模块将三相交流电变成稳定平滑的直流电源，主要由抑制电磁干扰滤波器、整流桥、LC平波电路组成。 电磁炉本身就是一干扰源，在大功率电磁炉电路中，三相整流桥模块，高速IGBT模块的应用会产生大量电磁干扰信号，这些干扰信号会影响到其他电路及电网中其他设备的正常运行，同时也会影响到电网的用电安全。如图4所示，其中L1，L2，L3为共模扼流圈，由于它的两个线圈匝数相等，这三个电感对于差模电流和主
15、电流所产生的磁通是方向相反、互相抵消的，因而不起作用而对于共模干扰信号，能够得到一个大的电感量呈现高阻抗，以获得最大的滤波效果，因此对共模信号其有良好的抑制作用。图4抑制电磁干扰滤波电路在共模扼流圈两端分别有三组电容接到中线，在每个电容上并联一个大电阻用来吸收静电。CY1、CY2、CY3并接在相线和大地之间。当差模噪声经电源线A相时，分别经CX3和L1、CX6返回中性线N，并得到衰减，减小干扰。共模噪声是从电源线ABC与N对地E加入的干扰信号，当干扰信号进入电磁干扰滤波器时，经L1、CY3入地，信号通过共模电感线圈L1时，因产生的磁场方向相同而受到急剧的衰减，然后经CY3入地，从而抑制了电网对设备的干扰。3.1.2 逆变电路设计 逆变模块的设计包括谐振电路的设计，本课题采用的是电压型串联谐振电路，谐振电路的设计则主要为谐振电容和谐振电感的参数设计以及IGBT的选型。开关管的峰值电压：=V。一般取实际值的2-3倍为IGBT的额定值，所以选取IGBT耐压值为1200V。考虑到电网电压的波动，输入电压V=2.34U(1-10%)=463V，逆变电路的基波分量v=/=208V。谐振电路中电流的最大有效值：I=18000，IGBT的峰值电流为：I=110A。考虑IGBT的安全性选用额定电流为200A，最后选定的是欧佩克FF200R12KS4。
