电磁炉谐振电路研究与功率控制

中国电子网 www.ec66.com 转载 中国电子论坛 www.ecbbs.com 欢迎光临我们的网站 电磁炉主谐振电路研究与功率控制 作者：张超，孙志锋，金高先 来源：浙江大学电气学院 0 引言 由电力电子电路组成的电磁炉（Induction cooker）是一种利用电磁感应加热原理，对锅体进行涡流加热的新型灶具。 由于具有热效率高、使用方便、无烟熏、无煤气污染、安全卫生等优点，非常适合现代家庭使用。电磁炉的主电路是一 个 AC/DC/AC变换器，由桥式整流器和电压谐振变换器构成，本文了电磁炉主谐振电路的拓扑结构和工作过程。 当电磁炉负载（锅具）的大小和材质发生变化时，负载的等效电感会发生变化，这将造成电磁炉主电路谐振频率变化， 这样电磁炉的输出功率会不稳定，常会使功率管 IGBT过压损坏。针对这种情况，本文提出了一种双闭环控制结构和模 糊控制方法，使负载变化时保持电磁炉的输出功率稳定。实际运行结果了该设计的有效性和可靠性。 1 电磁炉主电路拓扑结构与工作过程 1．1 电磁炉主电路拓扑结构 电磁炉的主电路如图 1 所示，市电经桥式整流器变换为直流电，再经电压谐振变换器变换成频率为 20～30kHz 的交 流电。电压谐振变换器是低开关损耗的零电压型（ZVS）变换器，功率开关管的开关动作由单片机控制，并通过驱动电 路完成。 电磁炉的加热线圈盘与负载锅具可以看作是一个空心变压器，次级负载具有等效的电感和电阻，将次级的负载电阻和 电感折合到初级，可以得到图 2 所示的等效电路。其中 R＊是次级电阻反射到初级的等效负载电阻；L＊是次级电感反射 到初级并与初级电感 L相叠加后的等效电感。 1．2 电磁炉主电路的工作过程 电磁炉主电路的工作过程可以分成 3个阶段，各阶段的等效电路如图 3所示。研究一个工作周期的情况，定义主开关 开通的时刻为 t0。 1.2.1 [t0，t1]主开关导通阶段 按主开关零电压开通的特点，t0时刻，主开关上的电压 uce=0，则 Cr上的电压 uc=uce－Udc=－Udc。如图 3（a）所示， 主开关开通后，电源电压 Udc加在 R＊及 L＊支路和 Cr两端。由于 Cr上的电压已经是－Udc，故 Cr中的电流为 0。电流仅从 R＊及 L＊支路流过。流过 IGBT的电流 is与流过 L＊的电流 iL相等。由图 3（a）得式（1）。 L＊ ＋iLR＊=Udc（1） 由初始条件 iL（t0）=0，解得 iL= （2） 中国电子网 www.ec66.com 转载 中国电子论坛 www.ecbbs.com 欢迎光临我们的网站 式中：τ 为时间常数。 可见，iL按照指数规律单调增加。流过 R＊形成了功率输出，流过 L＊而储存了能量。到达 t1时刻，IGBT关断，iL达到 最大值 Im。这时，仍有 u1=－Udc，uce=0。iL换向开始流入 Cr，但 Cr两端的电压不能突变，因此，IGBT为零电压关断。 1.2.2 [t1，t2]谐振阶段 IGBT关断之后，L＊和 Cr相互交换能量而发生谐振，同时在 R＊上消耗能量，形成功率输出。等效电路如图 3（b）及 图 3（c）所示，我们也将其分为两个阶段来讨论。波形如图 4中的 iL和 uc。 由图 3(b)、图 3(c)的等效电路可得到式（3）方程组。 L＊ ＋iLR＊＋uc=0 Cr =iL（3） 由初始条件 iL(t1)=Im，uc(t1)=－Udc， 解微分方程组式（3）并代入初始条件，可得下列结果： uc= sin〔ω(t－t1)－φ〕（4） φ=arctan－1 (5) iL=－ω0Cr sin〔ω(t－t1)－β－φ〕（6） β=arctan－1(ω/δ)（7） IGBT上的电压 uce=uc＋Udc=Udc＋ sin〔ω(t－t1)－φ〕(8) 式中：δ 为衰减系数； ω0= 为电磁炉谐振频率； ω= 为衰减振荡角频率； 中国电子网 www.ec66.com 转载 中国电子论坛 www.ecbbs.com 欢迎光临我们的网站 φ是由电路的初始状态和电路参数决定的初相角； β是仅由电路参数决定的 iL滞后于 uc的相位角。 由上面的结果可以看到，当 IGBT 关断之后，uc和 iL呈现衰减的正弦振荡，uce是 Udc与 uc的叠加，它呈现以 Udc为轴 心的衰减正弦振荡，其第一个正峰值是加在 IGBT上的最高电压。首先是 L＊释放能量，Cr吸收能量，iL正向流动，部分 能量消耗在 R＊上。在 t1a时刻，ω（t－t1a）=φ＋β，iL=0，L＊的能量释放完毕，uc达到最大值 Ucm，于是，IGBT上的电压 也达到最大值 uce=Ucm＋Udc。这时 Cr开始放电，L＊吸收能量，当 ω(t－t1)=φ 时，uc=0，Cr的能量释放完毕，L＊又开始释 放能量，一部分消耗在 R＊上，一部分向 Cr充电，使 uc反向上升，如图 4所示。 然后，Cr开始释放能量，使 iL反向流动，一部分消耗在 R＊上，一部分转变成磁场能。在 uc接近 0之前，ω(t－t1)=φ＋ 2β 之时，iL达到负的最大值。当 ω(t－t1)=π＋φ 时，uc=0，Cr的能量释放完毕，转由 L＊释放能量，使 iL继续反向流动， 一部分消耗在 R＊上，一部分向 Cr反向充电。由于 Cr左端的电位被电源箝位于 Udc，故右端电位不断下降。当 ω(t－t1)=ω (t2－t1)，即 t=t2时，uc=－Udc，uce=0，二极管 D 开始导通，使 Cr左端电位不能再下降而箝位于 0。于是，uc不再变化， 充电结束。但是，L＊中还有剩余能量，iL并不为 0，t2时刻 iL(t2)=－I2。这时，在主控制器的控制下，主开关开始导通。 因此，是零电压开通。 1.2.3 [t2，t3]电感放电阶段 如图 3(d)所示，可得方程：L＊ ＋iLR＊=Udc初始条件为：iL(t2)=－I2。 解此微分方程并代入初始条件，可得： iL= （9） L＊中的剩余能量，一部分消耗在 R＊上，一部分返回电源，iL的绝对值按指数规律衰减，在 t3时刻，iL=0，L＊中的能量 释放完毕，二极管自然阻断。在 uc=－Udc即 uce=0时，主开关已经开通，在电源 Udc的激励下，iL又从 0开始正向流动， 重复[t0，t1]阶段的过程。 2 仿真与实验波形 主谐振电路仿真波形如，试验参数为：L=144μH，C=0.27μF。 3 功率控制 通过上面的分析我们可以看到当负载变化，也就是锅具的等效电感和电阻变化时，电磁炉的谐振频率会发生变化，电 磁炉的输出功率会不稳定，实验测得不锈钢锅和铁锅功率可以差别 300W，为此，我们采用模糊控制技术来控制电磁炉 的输出功率，取得了满意的效果。图 7是电磁炉的控制结构图。图 8是电磁炉模糊控制器的结构图，控制器的输入分别 为给定功率与输出功率的误差信号 X和误差的变化量 Y。为了提高实时响应速度，采用控制表方式的模糊控制器。 4 结语 中国电子网 www.ec66.com 转载 中国电子论坛 www.ecbbs.com 欢迎光临我们的网站 详细分析了电磁炉主谐振电路的工作过程，分析结果与实验波形是一致的。针对负载变化，输出功率变化的情况，本 文提出的模糊控制方法取得了满意的效果。在研制的电磁炉中使用这种准谐振电路和本文提出的控制方法，产品已经生 产，经长时间测试，效果良好。