电磁炉功率模块的设计及控制

电磁炉功率模块的及控制 电磁炉功率模块的设计及控制 Design and Control of the Induction Cooker Power Module 如需要图纸等资料，联系QQ1961660126 如需要图纸等资料，联系QQ1961660126 I 电磁炉功率模块的设计及控制 如需要图纸等资料，联系QQ1961660126 总 计:毕业设计(论文)26页 表 格:0个 插 图:25幅 II 电磁炉功率模块的设计及控制 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 谐振电磁炉的关键技术研究。首先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 Control of the Induction Cooker Power Module Abstract: 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 research. 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 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 adaptive constant temperature control method, the electromagnetic oven precise power control. Key words: Induction cooker; power module; IGBT driver; induction heating; dynamic load 目 录 III 电磁炉功率模块的设计及控制 1 引言 .......................................................... 1 1.1 课题研究的目的及意义 .................................... 1 1.2 国内外研究现状 .......................................... 1 1.3 本课题主要研究内容 ...................................... 2 2 系统总体设计 .............................................. 2 2.1 电磁炉的工作原理 ........................................ 2 2.2 系统设计方案 ............................................ 3 3 系统硬件设计 .................................................. 4 3.1 电磁炉的主电路设计 ...................................... 4 3.1.1 整流电路设计 ...................................... 4 3.1.2 逆变电路设计 ...................................... 5 3.2 电磁炉功率模块驱动电路设计 .............................. 7 3.2.1 IGBT特性及栅极驱动电阻的选择 ..................... 7 3.2.2 驱动电路的设计及其优化 ............................ 8 3.2.3 IGBT的并联应用 .................................. 10 3.3 电磁炉保护电路的设计 ................................... 11 4 电磁炉控制策略研究及软件设计 ................................. 13 4.1 感应加热基本原理 ....................................... 13 4.2 动态负载模型研究 ....................................... 14 4.3 基于动态负载的自适应恒温控制 ........................... 14 4.4 控制软件设计 ........................................... 16 5 系统调试及分析 ............................................... 18 5.1 系统整流部分调试及结果分析 ............................. 18 5.2 系统逆变部分调试及结果分析 ............................. 20 5.3 系统主电路部分调试及结果分析 ........................... 22 结束语 ......................................................... 24 参考文献 ....................................................... 26 致谢 ........................................................... 27 IV 电磁炉功率模块的设计及控制 1 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，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，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 1 电磁炉功率模块的设计及控制 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。 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电磁炉的工作图 2 电磁炉功率模块的设计及控制 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。 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 电磁炉功率模块的设计及控制 3 系统硬件设计 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 4 电磁炉功率模块的设计及控制 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。 U6，220，110%,593V,6开关管的峰值电压:=V。一般取实际in_maxm 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 =2.34U(1-10%)=463V，逆变电路的基波分量压的波动，输入电压VDC_min 2Uv=/=208V。 ,DC,min Pcos/v，0.9,208,77.9A,谐振电路中电流的最大有效值:I==18000，om 2I2，77.9IGBT的峰值电流为:I===110A。考虑IGBT的安全性选用额定mO 电流为200A，最后选定的是欧佩克FF200R12KS4。 ,(22/,)，(510/2),229.55V串联谐振电路输出电压的有效值为:V根据m 串联谐振电路的输出电流，可以得到谐振电容两端电压的最大值为:V=VQ，hcQ为负载的品质因数，一般取5，有: V=VQ=229.551148V，由电容上的，,hc V/I1148/781/,C电压和电流可以得到容抗为:X===14.7，再由X=，所,ccco 1/X,,，18000，以，C==1/(214.7)=0.61uF。 c 逆变器的工作频率在18kHz,35kHZ，再经过实际工程调试，最后选择由7个0.1uf、1600V的高频电容器并联成0.7uF。谐振电路的电感参数包括线圈盘的 14.7/(2,，18000),X/,电感、锅具等效电感，有:L==130uH。考虑到有锅具L 等效电感的存在，结合实际工程调试，最后选取线圈盘的参数为90uH。 在本课题研究中，考虑到大功率电磁炉运行的特点，采用了单相半桥电压型逆变电路作为大功率电磁炉的逆变电路。开关器件V1和V2的栅极信号在一个周期内各有半个周期正偏，半个周期反偏，且考虑到大功率开关器件的开通和关断延时，防止上下桥臂直通，两开关器件的驱动信号之间设有死区时间，保证同一桥臂的上(下)管己经完全关闭后，下(上)管才能开通。大功率电磁炉主电路的工作过程可以分成四个阶段，各阶段的等效电路如图5所示。在本文中，研究一个工作周期的情况。定义主开关V1开通的时刻为t0。 5 电磁炉功率模块的设计及控制 u(1)[t0，t1]阶段:在t0时刻，开关器件V1导通，V2关断，在直流电压的d i激励下，电感中电流增大,通过电磁感应将电能传给锅具，使锅具加热，同时L 将部分能量储存在电感中。其电流方向如图5(a)所示。 (2)[t1，t2] 在t1时刻，开关器件V1关断，但由于死区时间的存在，V2也关断，感性 i负载中的电流不能立即改变方向，于是VD2导通续流，电流逐渐减小，电感L 释放能量，在电流未到零之前电流方向不变。其电流方向如图5(b)所示。 图5电磁炉逆变电路各阶段工作等效图 (3)[t2，t3] i在t2时刻，开关器件V2导通，V1关断，在电感电流到零后，电感电流L i改变方向，电流反向增大，通过电磁感应将电能传给锅具，使锅具加热，同时L 将部分能量储存在电感中。由于续流过程的存在，开关器件v2在零电压(ZVS)下开通，减少了器件的开关损耗。其电流方向如图5(c)所示。 (4)[t3，t4] 在t3时刻，开关器件V2关断，由于死区时间的存在，V1也关断，感性负 ii载中的电流不能立即改变方向，于是VDI导通续流，电流逐渐减小，电感LL 释放能量，在电流未到零之前电流方向不变。其电流方向如图5(d)所示。从t4时刻开始，又开始一个新的周期，重复上述过程。 6 电磁炉功率模块的设计及控制 3.2 电磁炉功率模块驱动电路设计 didt 在大功率电磁炉中，逆变侧的电压电流波动以及开关器件的，对开关器件有很大的影响，因此对功率器件特性和驱动的研究意义深远。本节重点研究了IGBT的特性、功耗、驱动电路及其并联应用。 3.2.1 IGBT特性及栅极驱动电阻的选择 IGBT模块的特性对其使用有着重大意义，了解IGBT模块的特性，有利于更好的设计IGBT驱动电路和保护电路。IGBT作为电压驱动器件，寄生电容存在于各端子间，因此在开通或者关断的时候电容都会充放电。 IBGT一般应用在大电压、大电流的强电电路中，开关频率很大，因此开通和关断时电流变化很大，会引起较大的浪涌电压。IGBT的安全保护特别重要，特别是静电防护，一般栅极一发射极所加的电压不能高于驱动电压太多，而且栅极发射无电压时，不能在集电极和发射极间加电压。 大功率电磁炉采用的是半桥谐振电路，下面以半桥电路举例分析IGBT模块内部的低电感设计。图6中的电感为两单元IGBT模块的寄生电感，产生这些电感的主要原因是由于芯片之间的相互连结以及连接导线。 图6 IGBT模块寄生电感 图7 开关管在开关过程中的损耗分布 L为栅极寄生电感;L为上IGBT集电极寄生电感;L为上IGBT发射极与GCEC 下IGBT集电极之间的寄生电感;L为下IGBT发射极寄生电感。 E 在开关管开通的过程中，由于有L、L的存在，降低了开关管的损耗，CEC 但是在关断过程中，开关管的主动关断以及二极管的反向恢复，由于有寄生电感的存在，会感应出过电压，使得开关损耗增加以及开关管承担更大的过压风险。在短路和过载时，寄生电感的表现就更明显，因此一般在硬开关电路中，寄生电感要求越低越好。功率模块的内部寄生电感是用户无法改变的，主要与功率模块 7 电磁炉功率模块的设计及控制 的制造有关，良好的结构工艺和精湛的技术可以改善寄生电感。 IGBT功耗是IGBT设计时考虑的一个非常重要的参数，对于不同功耗的IGBT采取的散热方式和驱动电路都有很大差别。逆变电路的损耗主要有静态损耗、开关损耗和驱动损耗。图7表示出功率器件可能存在的损耗。 对于IGBT的控制都是通过控制IGBT栅极来得到的，通过栅极电压的控制来实现IGBT的开通和关断，通常有以下三种形式:电阻控制、电压控制和电流控制。 目前最为流行的方法是用电阻控制栅极电容充放电完成对IGBT的开关控制，其优点是可以通过控制栅极电阻的大小来改变充放电的速度，可以根据不同的开关器件、不同的应用电路选择不同的栅极电阻。但是这种电路也有一个缺点就是在开关过程中会出现米勒平台，主要产生原因是栅极电阻和寄生电容充放电过程中，寄生电容在很短一段时间内会等效无穷大，导致栅极电压有很短一段时间会是保持状态，一般来说这种状态不会影响正常运行，但是栅极电阻不能取太大，否则会影响IGBT的开通。栅极电阻的作用是限制栅极电流，使得IGBT等效寄生电容能够平滑的充放电，理论上，栅极电阻越大越好，但是过大的栅极电阻会增加IGBT的功耗，同时会引起栅极电压震荡，影响IGBT开通关断，因此在实际应用中要合理使用。 3.2.2 驱动电路的设计及其优化 本课题采用的驱动电路主要是基于日本富士芯片EXB841上设计的，此集成芯片有如下性能特点: (1)能提供4A栅极驱动电流;(2)供电电压为24V，分为+15V和-5V;(3)控制信号电流大小为If=10mA;(4)最大开关频率可达40kHz;(5)内部带有短路、过流保护;(6)IGBT内部过流后有自动关断功能;EXB841电路原理图如图8所示，其工作过程可分为以下几个阶段: 图8 EXB841电路原理图 8 电磁炉功率模块的设计及控制 (1)正常开通:当给控制角14角和15角同有10mA电流时，三极管VT1和VT2截止，VT4导通、VT5截止，电源通过VT4和栅极电阻使IGBT在1us内导通，同时电源对C2充电，B点电位被提升，由于VD7的作用使得B点和C点的电压在8V左右，13V的稳压管不会导通，VT3截止，短路反馈信号5角不输出保护信号。 当不给14角和15角信号时，VT1和VT2导通，VT4截止、(2)正常关断: VT5导通，IGBT通过栅极电阻和VT5快速放电，在栅极寄生电容放电完成后，IGBT关断，同时IGBT集电极和发射极间电压上升，VD7的作用使得C点电压不会太高，同时VT1的导通C点电压降为0V，ZD1不会导通，E点仍为高，IGBT可靠关断。 (3)短路保护:在感应加热中，IGBT极易受到干扰，所以就要求驱动电路有自我保护IGBT的功能，在IGBT短路时能强制关断IGBT，避免其烧毁。EXB841 V内部有短路保护功能，其工作过程具体如下:在IGBT短路时，上升，VD7截CE止，B点和C点电位由电源通过R3向其充电，直到大于13V，然后ZD1导通，VT3随之导通，E点电位迅速下降，D电位随之下降，然后VT4截止，VT5导通，IGBT通过栅极电容放电，从而关断，达到保护的目的。 在实际工程应用中发现EXB841的内部稳压管ZD2由于功率不够，经常被击穿，致使IGBT不能关断，导致其烧毁，所以在设计中可以对其改进，经过多次实验，最后采用外部稳压管来代替内部的稳压管，这样不仅提高了稳压管的功率，而且外部器件更容易更换，给维修带来了很大的便利。其电路图如图9所示。 图9 优化驱动原理图 针对半桥谐振电路，设计中采用2个独立的驱动模块分别驱动上下半桥的开 9 电磁炉功率模块的设计及控制 关管，并且每个独立模块采用独立24V电源供电，防止半桥中点浮点电位对驱动模块的影响。对于300A的IGBT，-5V的关断电压太低，不能迅速可靠的关断，因而采用+16V的开通电压和-8V的关断电压，外部通过稳压电源LM7808来提供负压，不使用内部过流能力较小的5V稳压二极管。另一方面在EXB841输出短路保护信号时候，通过光电隔离将此过流信号发送到单片机的中断响应，来关断PWM信号，整个处理时间能够在10us内完成，小于IGBT能够承受大电流的时间，能够起到有效保护IGBT的目的。 3.2.3 IGBT的并联应用 大功率电磁炉功率需求越来越大，对IGBT的额定电压、额定电流性能指标提出了更高的要求，单个IGBT的额定参数很难满足需要，主要表现在过电流能力上，多个IGBT并联已经越来越广泛，并且在散热、布局方面、电流负温度系数多个方面，IGBT并联有更大的灵活性，在IGBT并联后具有更大的过流能力，同时保证更高的稳定性。但是IGBT并联也有其不足之处，主要表现在均流问题上，元件的布局、电路环境的干扰、元器件之间的个体差异都会影响均流。在严重的情况下，由于均流问题很容易使IGBT全部烧毁，导致恶劣的后果，另一方面，IGBT并联的过流能力不能单纯为两个参数几何累加，一般小于单个的两倍。 IGBT并联不均流原因，从内部特性讲主要有动态特性、静态特性的影响。动态特性主要与开关器件开关延时、寄生电感等有关，静态特性主要与导通压降有关，这些因素都会导致IGBT并联不均流。静态因素的影响主要是因为在导通时，发射极和集电极压差不一样导致输出特性不一致。IGBT动态特性的影响主要表现为温度特性、栅极电阻、电流特性转移曲线、寄生回路参数等，这些都不是一个确定的参数，在IGBT工作的过程中动态的发生变化，从而影响多管的分流作用。 在大功率电磁炉中，我们将多个功率模块进行并联，从而达到功率叠加的目的，应用多个模块可以方便安装，即插即拔，可以根据需求组装以达到理想的功率。如图10所示: 10 电磁炉功率模块的设计及控制 图10 电磁炉多模块并联结构图 为解决IGBT动、静态特性引起的均流不平衡问题，本课题采用的是栅极电阻补偿法，此方法实际应用起来较容易，只需对栅极驱动电阻进行阻值的改变，无需额外的复杂电路。 3.3 电磁炉保护电路的设计 在大功率电力电子设备中，对大功率电力电子器件的保护电路设计至关重要。由于大功率电磁炉工作的环境恶劣，保护电路设计的优劣直接关系到产品的质量、安全、稳定和产品的使用寿命。在出现过流、过压、过温时，在电力电子器件允许的过流、过压、过温时间内，应及时关断大功率开关管IGBT的驱动信号，使开关管处于关断状态，防止开关管IGBT的损坏。 由于采用IGBT半桥逆变方式进行功率输出，所以必须考虑防止桥臂上、下管同时导通情况。为此，设计了硬件死区控制电路，所谓硬件死区电路就是由硬件延时电路来让PWM信号带有死区功能，避免了微控制器在受到干扰下输出错误信号，而造成两个IGBT同时导通，导致短路烧毁IGBT。另外，为防止IGBT模块过流甚至是短路现象的发生，装置还集成有安全保护控制电路，增强了电磁炉工作的安全稳定性。 硬件死区电路能够很好的保护半桥电路的上下开关管不会出现同时导通的情况，可以有效保护IGBT。上下开关管的同时导通的状况受多种因素影响，主要内部电磁干扰、软件程序控制不当等，硬件死区电路有着软件所没有的稳定性，有助于提高系统的稳定性。 硬件死区电路的原理主要是通过非门电路和RC延时电路组成，将一路PWM信号分成两路，然后分别对两路PWM信号进行上升沿延时，就得到了两路互补的PWM信号，即两路存在死区的PWM信号。其电路原理图如11所示。 11 电磁炉功率模块的设计及控制 132PWM-A12PWMU2AU1A RC1 C2 R4346PWM-B5U1BU2B 图11死区控制电路原理图 首先单片机发送一路PWM，此信号经非门U1A和U1B成两路互补PWM信号，PWM信号经过RC时，如果PWM信号是由上升沿，通过电阻R对电容充电，在充电这段时间内，仍是低电平，直到电压上升到与门的高电平门槛电压，与门才输出高电平，如果PWM信号是下降沿，由于与门一端输入为低，所以输出也为低，低电平没有延时。两路PWM信号分别经RC电路进行上升沿跳转延时，然后输出带死区的两路PWM波形。 为了有效保护IGBT的正常运行，对其保护措施必不可少，主要是过流、过压的保护，当出现意外情况时，就必须立即关闭IGBT驱动信号。其原理图如12所示。 首先设定电压、电流的保护值，硬件实时检测实际电压电流，当实际电压电流超过设定时由运放输出低电平，三输入与门就输出低电平，封锁了PWM输出，此时IGBT驱动模块就不会继续输出，系统停止工作。 PWMA 7I_ref+146_6I_CSPWM-A5U1BU3B 1212EN13U2A 9V_ref+1418_3V_CSPWM-B2U1CU3A PWMB 图12 过流、过压快速保护原理图 在硬件上检测到过压、过流信号后，封锁驱动信号，关闭驱动模块，但是系统的主控系统仍然在工作，所以同时要在软件上也停止输出PWM信号，这样整个系统才停止工作，有效保护了IGBT。 12 电磁炉功率模块的设计及控制 4 电磁炉控制策略研究及软件设计 电磁炉负载如果从电磁学的角度来分析，不仅会有很多变量，而且模型受锅具的形状位置等因素影响，分析起来非常复杂，本章从负载的等效模型着手，研究能反映负载变化的动态模型，并且采用自适应恒温控制算法，实现了精确火力控制，最后设计了系统的控制软件。 4.1 感应加热基本原理 大功率电磁炉是基于感应加热原理，主要是利用处在交变磁场中的导体内产生的涡流而引起热效应，通过能量转换，将大量电能转化成为热能。高频电流流经导体时，在它的周围同时有交变的磁场产生。产生的磁场在被加热的目标器件上引起集肤效应，使大部分电流在导体的表面上流通，来加热目标器件。交流电流的频率越高，集肤效应就越明显。在导体表面处由焦耳定律可知因，导体的发热量变大。同时，由于电流主要集中在导体表面处，焦耳热量主要集中于导体的表面层，因此利用高频电流加热导体有利于热传导，提高效率。交变电流通过导体时，导体周围会形成交变磁场，电流强度直接影响磁场的强弱。当高频磁场内放有导体材料时，磁力线会切割导体，在导体中产生感应电势，从而产生涡流。由于电阻的热效应，使导体材料发热，利用涡流感应的热效应进行加热，叫感应加热。根据安培定则、法拉第电磁感应定律和集肤效应，有交流电经过的线圈会产生交变的磁场，当一个导体放入其中时，导体的表面会产生涡流，涡流在物体的表面产生热量，达到加热的目的。 感应加热的等效模型与变压器类似。图13(a)是变压器的基本形式，原边N1，副边NZ。图13(b)为感应加热等效模型，可以看成由变压器原边、副边组成的一个简单系统。根据法拉第电磁感应定律，交流电通过线圈时，线圈周围产生交变的磁场，变化的磁场导致变化的磁通，从而在导体内产生感应电动势，导体表面产生涡流。 图13变压器等效电路与次级短路等效电路 13 电磁炉功率模块的设计及控制 当感应线圈匝数为N1、通以交变的电流I1时，线圈内部会产生磁通，负,载导体中产生感应电势e，导体表面会产生涡流i。根据电磁方程式，感应电动 ,d,/dtN势为:e=-*，N2是工件等效匝数，则有:=sin。则感应电动势,,tm2 ,d,/dt4.44fNN,2,fN,/2e为:e=-N2*=-，有效值E为: E==。 ,cos,tm22m2m )I2，加热工件，其频率与感应线圈通过的电负载导体中产生感应电流(涡流 流频率相同，I2使导体负载内部开始加热，根据感应加热原理，其焦耳热为: 22Q=CIR*t=0.24IR*t。 由此可见，感应加热的原理与一般电气设备中产生涡流的原理是相同的，但是一般电气设备中涡流产生的热量属于能量的浪费，而感应加热却是利用涡流进行加热的。感应加热通过线圈把电能传递给金属导体，然后电能在金属导体内转变为热能。感应线圈与被加热金属导体并不直接接触，而是通过电磁感应传递能量的。 4.2 动态负载模型研究 感应加热影响负载的因素很多，比如工作频率、温度、锅具距离、锅具材质形状等，如果将这些参数都包含在建立的模型中，势必会使模型非常复杂，而且锅具距离、材质等因素一般都是确定的，因此本模型主要是基于工作频率建立的动态模型。 为了能得到能够反映负载的动态性能，根据阻抗网络理论，采用多组并联电阻电容串联成一个阻抗网络，在这个网络中有n级RL并联形式，级数越高，动态性能越好，如下图14所示。图14(a)是并联式的阻抗网络，图14(b)是串联式的阻抗网络，考虑的负载磁场的饱和因素和非线性因素选择图14(b)串联形式的阻抗网络更好。 图14阻抗网络模型 4.3 基于动态负载的自适应恒温控制 大功率电磁炉一般采用定频率控制策略，即不同的档位对应不同的工作频率，因此在实际应用中，电磁炉输出功率会随着工作频率的不同而波动。另外， 14 电磁炉功率模块的设计及控制 火力控制的最终对象是锅具温度，如果持续功率输出，锅具在炒菜、烧油等环境中温度会持续上升，当超过厨师想要的温度时，既浪费了能量，又对被加热食物不利。本系统采用自适应恒温的火力调节控制器，首先通过判断锅具中心的加热温度。在锅底温度未达到设定温度时，执行控制器1，采取恒功率输出策略，控制器1输入为逆变器工作频率，输出为功率，模型为动态负载阻抗模型。当锅底 ，控制器2为基于温度温度上升到设定温度时采取恒温控制策略，执行控制器2 的PI控制，输入为逆变器工作频率，输出为锅底温度。不管锅具发生什么变化、被加热食物为何种类，也无论电网如何波动，电控系统将直接根据反馈的温度信号，参比厨师档位设定温度，自适应的改变PWM控制脉冲，控制加热线圈的输出功率，实现精准的恒温控制。其控制系统结构图如15所示: 图15 基于自适应恒温控制系统结构图 其控制思路是:每个档位对应一个有“限温模式”的恒功率输出控制，考虑到中国厨师的炒菜习惯，本课题设计16千瓦电磁炉的1档功率为3千瓦、恒温控制在巧0?，2档功率6千瓦、恒温控制在200?，3档功率9千瓦、恒温控制在230?，4档功率12千瓦、恒温控制在250?，5档功率16千瓦、恒温控制在300?。在锅具温度未上来之前，通过控制器1进行恒功率控制。控制器根据所建立的动态负载阻抗模型，根据设定的功率，输入相应的PWM脉冲控制的频率。当温度达到相应档位设定的温度值时，恒功率控制将自动切换成恒温控制。单片机实时采集锅底温度信号，利用实际锅底温度和设定温度的偏差通过Pl控制器2控制加热线圈的输出功率，以间接的调节锅底温度，此时PWM控制脉冲频率自适应的跟踪温度变化，实现精准的温度控制。 15 电磁炉功率模块的设计及控制 采用智能自适应精确火力控制技术，通过大量测试，确定电磁炉功率和锅具温度之间数学模型，根据每个档位设定的功率给出工作频率，当锅具温度达到设定之后，通过反馈的温度实行PI控制，如果锅具温度超过设定值，电控系统将自动改变PWM控制脉冲，调节逆变模块IGBT的工作频率，使锅底温度自适应的跟随档位给定的温度，精确控制每个档位的加热火力，降低电磁炉的输出功率，使电磁炉的火力控制更加精确并且节能。 4.4 控制软件设计 大功率电磁炉程序主要包括:初始化子程序;数据采集子程序;功率控制子程序;人机接口子程序模块;信息处理子程序模块等部分。软件流程图如图16所示: 图16 主程序系统框图 图17 软件保护流程图 在完成各个模块的初始化之后，进入一个while(l)的循环程序中，首先是AD采样子程序，在这个子程序里面完成直流电流、高频电流有效值、三相电流有效值、直流电压、档位旋钮电压、IGBT和锅底温度的采样;接下来进入读档位子程 16 电磁炉功率模块的设计及控制 序，根据档位电压采样值判断档位，在程序中主要设置了7个档位，并且有档位去抖动，在档位改变一秒钟后才确定档位大小，如果档位不停的改变，不是正常的操作流程，则软件不会根据档位来给定功率。然后进入保护控制子程序，根据各个电压电流的采样值进判断是否置保护标志，如果有保护标志被置位，则在关机子程序中执行关机程序。 在关机程序中并不是瞬间关闭，而是升高频率到30kHz，电流减少到一定值之后才关，避免在很大电流的情况下关断IGBT。如图17所示。 在功率控制子程序中，是首先发送固定PWM频率24kHz，然后判断直流母线上电流的大小，大于IA则说明有负载，再根据档位要求电流大小改变频率。16KW电磁炉从1档到5档频率变化从40kHz到18kHz，所以选择24kHz为检锅频率，这样在换档时频率变化时间最小。在频率改变过程中设有300ms延时，即定时器周期寄存器每300ms才能改变一次。如图18所示。 图18 功率控制子程序 在电磁炉使用过程中，厨师经常会将锅具抬起，会造成两大影响，第一，频 didtdudt繁的抬锅会使负载变化，加大和，造成较大干扰;第二，在抬锅后，若果系统不关闭IGBT驱动模块，会有较大能量浪费。因此，电磁炉检锅程序的软件设计显得尤为重要。锅具检测流程图如图19所示。 17 电磁炉功率模块的设计及控制 图19 锅具检测流程图 检锅程序和系统的稳定工作和节能息息相关，如果系统发现，锅具拿开，则应迅速关闭IGBT驱动模块，停止工作，避免电能浪费和巨大的电磁干扰 本课题在软件中设计了智能的检锅程序，实时判断是否有锅，在判断无锅后，能迅速关闭IGBT驱动模块，使系统停止工作。首先，软件没隔一段时间就发送一段时间发送PWM信号，然后检测直流侧电流，如果电流较大，则判断是有锅的，若果电流小于1A，则说明现在无锅。间断时间为每2s发送50ms的PWM信号，发送PWM的频率高于谐振点，发送的功率较小，即所谓的较低功耗的锅具检测。在判断无锅后，主动系统控制蜂鸣器发出无锅提示，在持续1分钟后，如果依然没有检测到锅，则系统进入休眠待机状态。 5 系统调试及分析 5.1 系统整流部分调试及结果分析 根据系统整流部分的电路原理图，利用MATLAB软件构建整流模块的模型图及其在不同负载下的仿真结果分别如图20和图21所示: 18 电磁炉功率模块的设计及控制 图20系统整流电路仿真模型图 图21(a)纯电阻负载时整流器输出电压波形 图21(b)感性负载时整流器输出电压波形 19 电磁炉功率模块的设计及控制 图21(c) 容性负载时整流器输出电压波形 从仿真结果图可以看出，在不同负载的情况下，三相不可控整流电路的输出电压是不同的。纯电阻负载时整流器输出电压波形如图21(a)所示，电压值经过震荡之后稳定在510V左右，当是感性负载时整流器的输出电压平均值是510.5V，和纯电阻负载时大致相同，如图21(b)所示，而当负载中接入电容时整流器的输出电压平均值可以达到1018V，结果如图21(c)所示。由此可以看出:整流器的输出电压波形随着负载的不同而不同。当负载侧接有电容时，整流器输出电压最大值可以达到1020V左右，其小于IGBT1200V的耐压值，系统可以正常运行，也可以满足电磁炉的功率要求。 5.2 系统逆变部分调试及结果分析 根据系统逆变部分的电路原理图，利用MATLAB软件构建逆变模块的模型图及IGBT在不同频率(f=18kHz--35kHz)的脉冲信号驱动下的仿真结果分别如图22和图23所示: 图22系统逆变电路仿真模型图 20 电磁炉功率模块的设计及控制 图23(a)f=18kHz时的仿真结果图 图23(b)f=25kHz时的仿真结果图 图23(c)f=35kHz时的仿真结果图 21 电磁炉功率模块的设计及控制 从仿真结果图可以看出，在IGBT驱动信号脉冲频率不同的情况下，逆变电路的输出电压和电流是不同的。当f=18kHz时逆变器的输出波形如图23(a)所示，输出电压峰值可以达到1557V，输出电流峰值达到106A,当f=25kHz时逆变器的输出电压峰值是810V，输出电流峰值为50A，如图23(b)所示，而当f=35kHz时逆变器的输出电压峰值仅为625V，输出电流为30A,波形图如图23(c)所示。由此可以看出:在逆变器工作频率内其输出电压和电流峰值的大小随着驱动信号频率的递增而逐渐降低。所以，根据电磁炉不同的功率要求加载不同的驱动信号频率，设置不同的功率档位，从而实现精确的功率控制，节约能源。 5.3 系统主电路部分调试及结果分析 根据系统主电路部分的电路原理图，利用MATLAB软件构建主电路部分的仿真模型图及其输出波形图分别如图24和图25所示: 图24 系统主电路仿真模型图 图25(a)系统主电路仿真结果图(f=18kHz) 22 电磁炉功率模块的设计及控制 图25(b)系统主电路仿真结果图(f=25kHz) 图25(c)系统主电路仿真结果图(f=35kHz) 23 电磁炉功率模块的设计及控制 图温度检测电路 图电压采样电路 图电流采样电路 24 电磁炉功率模块的设计及控制 结束语 本课题主要设计了基于半桥谐振电路的电磁炉系统。首先根据电磁炉工作原理和课题要求，设计了合理的硬件电路和控制方式，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。实现了电磁炉的精确功率控制。通过模拟系统部分电路实际工作情况，进行了软、硬件系统的调试分析。调试结果表明，系统运行稳定，结构设计合理，操作维护方便。达到了预期的设计要求。 原有电磁炉稳定性差，而且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。采用优化的驱动电路和智能保护电路，可以有效地保证系统的正常运行。 随着功率器件日新月异的发展，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。采用自适应恒温控制，能够使锅底温度自适应的跟随档位给定的温度，精确控制每个档位的加热火力，降低电磁炉的输出功率，使电磁炉的火力控制更加精确并且节能。如果能在关键技术上有所创新，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。 25 电磁炉功率模块的设计及控制 参考文献 [1] 刘庆丰.基于多电平变换技术的高频感应加热电源的研究[D].西安理工大学，2008. 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[15] Lee,Jong-Seok,Kang,Ey-Goo,Sung,Man Young.Shielding region effects on a trench gate GBT[J].MICROELECTRONICS JOURNAL.2008,39(1):57-62. 26 电磁炉功率模块的设计及控制 致谢 首先，要感谢的是我的导师李定珍老师。本课题能够顺利完成，离不开李老师的悉心指导和严格要求，李老师在论文的选题、研究理论、框架结构、数据整理，直至撰写、修改和定稿等各个环节均严格把关，并投入了大量的时间和精力。李老师治学严谨，学识渊博，为我营造了一种良好的学习氛围。在跟随李老师学习的过程中，我不仅掌握了全新而实用的学 术思想和研究方法，也领会了许多待人接物与为人处世的道理。 然后，要感谢我的同窗好友，在同大家的交流中我学到很多，也非常快乐，正因为有大家，我在南阳理工学院的生活才能如此丰富而充实。四年的时光转瞬即逝，然而这段短暂时光的点点滴滴都将是我生命中的美好回忆。在今后的学习中，无论面临多大的困难，我都将 勇敢、自信的走下去。 最后，我要向在百忙之中对本课题进行审阅、评议和参加论文答辩的各位老师表示感谢～ 27