CN102548074B - 一种电磁炉单管谐振软开关电路及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电磁炉单管谐振软开关电路及其控制方法。电磁炉单管谐振软开关电路包括整流滤波电路、主谐振电路和辅助谐振电路，所述主谐振电路包括加热绕组盘、谐振电容以及主开关管，所述的辅助谐振电路包括辅助谐振电感和辅助开关管，所述的辅助谐振电路的主电路与主开关管并联，当电磁炉单管谐振软开关电路小功率输出，主开关管集电极的电压不能正常谐振到零时，辅助谐振电路在主开关管开通前投入工作，释放谐振电容的残余电能。本发明能够在小功率输出状态下实现主开关管零电压开通，达到真正的低功率连续输出，提高了电磁炉的性能和可靠性。

Description

一种电磁炉单管谐振软开关电路及其控制方法

[技术领域]

本发明涉及电磁炉电路，尤其涉及一种电磁炉单管谐振软开关电路及其控制方法。

[背景技术]

电磁炉以其高效、环保的优势逐渐取代了传统的电加热灶具，其所用到的电路拓扑包括全桥、半桥以及单管谐振。全桥和半桥电路虽然性能好、效率高，但成本相对较高，只适用于高端应用场合。而数量巨大的普通大众应用的电磁炉，一般采用的是成本低廉的单管谐振电路拓扑。

传统电磁炉单管谐振电路的原理如图1所示，包括整流滤波电路和主谐振电路。其中，整流滤波电路包括整流桥DB1、滤波电感L1和滤波电容C1。整流桥DB1交流输入端连接经过EMC滤波的交流输入线，整流桥DB1输出端的正极接滤波电感L1的一端，整流桥DB1输出端的负极接滤波电容C1的负端，滤波电感L1的另一端与滤波电容C1的正端相连。主谐振电路包括加热绕组盘Lr、谐振电容Cr以及主开关管Q1。加热绕组盘Lr与谐振电容Cr并联，其一端连接所述输出滤波电容C1的正端，另一端连接主开关管Q1的集电极，主开关管Q1的发射极连接所述滤波电容C1的负端。等效地，谐振电容Cr也可以并联在主开关管Q1的集电极和发射极两端，不影响电路的工作状态。

在电磁炉的实际应用中，为了降低主开关管的关断损耗，开关频率一般选择20-30kHz左右。在这种开关频率范围下，输出2kW左右的功率，为把开关管的电压应力限制在1000V以下，谐振电容Cr一般取值0.3-0.8uF。谐振电容Cr取值过小，则同样输出功率的情况下，主开关管的电压应力过高，很容易超过规格限值造成器件损坏。谐振电容Cr取值较大，能够存储的能量较多。当电磁炉输出功率很大时，谐振电容Cr的能量可以完全释放，自由谐振到零，实现主开关管的零电压软开关；当输出功率较小时，谐振电容Cr的电压不能自由谐振到零。这时，如果主开关管开通，谐振电容上的多余能量将会瞬间释放，在主开关管中流过非常大的电流，很容易造成主开关管损坏，电路的可靠性降低。而且这部分多余能量消耗在主开关管上，造成整机的效率很低。因此，采用单管谐振的电磁炉一般只能连续大功率输出。当需要输出小功率时，一般采用间歇输出大功率的方法，使平均输出功率达到一个较低的数值。这种假的低功率输出，并不是真正意义上的低功率连续输出，影响了某些食物的烹调效果，限制了电磁炉的应用范围。

[发明内容]

本发明要解决的技术问题是提供一种能够在小功率输出状态下实现主开关管零电压开通，达到低功率连续输出，电磁炉的性能和可靠性较高的电磁炉单管谐振软开关电路。

本发明另一个要解决的技术问题是提供一种上述电磁炉单管谐振软开关电路的控制方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种电磁炉单管谐振软开关电路，包括整流滤波电路、主谐振电路和辅助谐振电路，所述主谐振电路包括加热绕组盘、谐振电容以及主开关管所述的辅助谐振电路包括辅助谐振电感和辅助开关管，所述的辅助谐振电路的主电路与主开关管并联。

以上所述的电磁炉单管谐振软开关电路，加热绕组盘的一端接整流滤波电路输出端的正极，另一端接主开关管的集电极，主开关管的发射极接整流滤波电路输出端的负极，谐振电容与加热绕组盘并联或与主开关管并联；所述的辅助谐振电路包括二极管，所述的辅助谐振电感是耦合电感，所述的耦合电感包括相互耦合的原边绕组和副边绕组，原边绕组的第一端接主开关管的集电极，第二端接辅助开关管的集电极，辅助开关管的发射极接整流滤波电路输出端的负极；副边绕组与二极管组成串联电路，串联电路的一端接整流滤波电路输出端的正极，另一端接整流滤波电路输出端的负极；副边绕组与原边绕组第一端的同名端接整流滤波电路输出端的负极时，二极管的阴极接整流滤波电路输出端的正极；二极管的阳极接整流滤波电路输出端的负极时，副边绕组的另一端接整流滤波电路输出端的正极。

以上所述的电磁炉单管谐振软开关电路，所述的辅助谐振电路包括放电电阻，所述的放电电阻与所述的副边绕组并联。

以上所述的电磁炉单管谐振软开关电路，所述的整流滤波电路包括整流电路、滤波电感和滤波电容。所述整流电路的交流输入端连接经过EMC滤波的交流输入线，整流电路输出端的正极连接滤波电感的一端，整流电路的输出端的负极接滤波电容的负端，滤波电感的另一端接滤波电容的正端。

以上所述的电磁炉单管谐振软开关电路，所述的主开关管和辅助开关管是IGBT或MOSFET。

一种上述电磁炉单管谐振软开关电路的控制方法的技术方案是，当电磁炉单管谐振软开关电路小功率输出，主开关管集电极的电压不能正常谐振到零时，辅助谐振电路在主开关管开通前投入工作，释放谐振电容的残余电能。

以上所述的控制方法，所述的小功率输出是输出功率小于额定功率的60％。

以上所述的控制方法，加热绕组盘的一端接整流滤波电路输出端的正极，另一端接主开关管的集电极，主开关管的发射极接整流滤波电路输出端的负极，谐振电容与加热绕组盘并联或与主开关管并联；所述的辅助谐振电路还包括二极管，所述的辅助谐振电感是耦合电感，所述的耦合电感包括相互耦合的原边绕组和副边绕组，原边绕组的第一端接主开关管的集电极，第二端接辅助开关管的集电极，辅助开关管的发射极接整流滤波电路输出端的负极；副边绕组与二极管组成串联电路，串联电路的一端接整流滤波电路输出端的正极，另一端接整流滤波电路输出端的负极；其中，副边绕组与原边绕组第一端的同名端接、二极管的阳极接整流滤波电路输出端的负极；当电磁炉单管谐振软开关电路小功率输出时，先开通辅助开关管，发热线圈盘、辅助谐振电感、谐振电容自由谐振，当主开关管集电极的电压谐振到零时开通主开关管；主开关管开通后，辅助开关管关断，存储在辅助耦合电感中的能量通过副边绕组和二极管反馈回输入滤波电容，辅助耦合电感中的电流归零，为下一个周期的工作做好准备。

以上所述的控制方法，当电磁炉单管谐振软开关电路的功率输出大到主开关管集电极电压可以正常谐振到零时，可以不开通辅助开关管，禁止辅助谐振电路工作。

本发明电磁炉单管谐振软开关电路能够在小功率输出状态下实现主开关管零电压开通，达到真正的低功率连续输出，提高了电磁炉的性能和可靠性。

[附图说明]

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是现有技术电磁炉用单管谐振电路原理图。

图2是本发明电磁炉单管谐振软开关电路实施例1的原理图。

图3是本发明电磁炉单管谐振软开关电路实施例1的控制时序和工作波形图。

图4本发明电磁炉单管谐振软开关电路实施例2的原理图。

[具体实施方式]

本发明电磁炉单管谐振软开关电路实施例1的结构原理如图2和图3所示，电磁炉单管谐振软开关电路包括整流滤波电路、主谐振电路和辅助谐振电路。

整流滤波电路包括整流桥DB1、滤波电感L1和滤波电容C1。整流桥DB1交流输入端连接经过EMC滤波的交流输入线，整流桥DB1输出端的正极接滤波电感L1的一端，整流桥DB1输出端的负极接滤波电容C1的负端，滤波电感L1的另一端与滤波电容C1的正端相连。

主谐振电路包括加热绕组盘Lr、谐振电容Cr以及主开关管Q1。加热绕组盘Lr与谐振电容Cr并联，其一端连接所述输出滤波电容C1的正端，另一端连接主开关管Q1的集电极，主开关管Q1的发射极连接滤波电容C1的负端。

为了实现真正的电磁炉低功率连续输出，则需要解决小功率输出情况下主开关管的零电压开通问题。为此，本发明在传统的单管谐振电磁炉电路中加入了辅助谐振电路。辅助谐振电路包括二极管Da，放电电阻Ra、辅助谐振电感La和辅助开关管Qa。

辅助谐振电感La是耦合电感，耦合电感La包括相互耦合的原边绕组和副边绕组，辅助谐振电感La原边绕组的第一端接主开关管的集电极，第二端接辅助开关管Qa的集电极，辅助开关管Qa的发射极接滤波电容C1的负端。

耦合电感La的副边绕组与二极管Da组成串联电路。副边绕组与原边绕组第一端的同名端接滤波电容C1的负端。副边绕组的另一端接二极管Da的阳极，二极管Da的阴极接滤波电容C1的正端。放电电阻Ra与副边绕组并联。

主开关管Q1和辅助开关管Qa是IGBT、MOSFET或其他电子开关元件。

图3给出了本发明电磁炉用软开关电路的控制时序和工作波形图，依次分别是主开关管驱动时序、辅助开关管驱动时序、主开关管集电极电压波形和辅助耦合电感电流波形。在小功率输出时，在需要开通主开关管的t0时刻，主谐振电容Cr的电压并没有谐振到零。这时，首先开通辅助开关管Qa让辅助谐振电路投入工作，发热线圈盘Lr、辅助谐振电感La以及主谐振电容Cr自由谐振，主开关管Q1集电极电压谐振下降；t1时刻，主开关管的集电极电压自由谐振到零，这时开通主开关管，从而顺利实现了主开关管的零电压软开关；主开关管Q1开通后，辅助开关管Qa控制关断。这时，存储在辅助耦合电感La中的能量通过副边绕组和二极管反馈回输入滤波电容C1；t2时刻，存储在辅助耦合电感La中的能量全部回馈完毕，辅助耦合电感中的电流归零，为下一个周期的工作做好准备。电阻Ra的作用是在能量回馈完成后，释放辅助谐振电路中的寄生能量，保证辅助谐振电感电压归零。如前所述，大功率输时主开关管Q1集电极电压可以正常谐振到零，能够自然实现零电压开通。此时，选择不开通辅助开关管从而禁制辅助谐振电路工作。

通过电路分析可以知道，辅助谐振电路中处理的能量仅仅是存储在主谐振电容C1上的多余能量，只要合理选择辅助谐振电感的参数，可把辅助谐振电路中的电流控制在一个很小的范围之内。因此，辅助谐振电路可以选择功率等级较小的器件，使得辅助谐振电路对电路造成的成本增加可以控制在一个可以接受的范围之内。

本发明提供的一种电磁炉用单管谐振软开关电路及其控制方法，可以方便的实现小功率输出状态下主开关管的零电压开通，达到了真正意义上的低功率连续输出，提高了电磁炉的性能和可靠性，拓展了电磁炉在烹调领域的应用范围。

本发明电磁炉单管谐振软开关电路实施例2的结构如图4所示，实施例2与实施例1的区别仅在于，主谐振电路的谐振电容Cr与主开关管Q1并联；辅助谐振电路二极管Da的阴极接副边绕组与原边绕组第一端的同名端，二极管Da的阳极接滤波电容C1的负端；副边绕组的另一端接滤波电容C1的正端。实施例2是实施例1电路的变形，可以取得与实施例1同样的有益效果。

本发明是通过以上实施例进行描述的，本技术领域人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围情况下，可以对这些特征进行等效替换或改变。因此，本发明不受上述公开的实施例的限制，所有落入本发明权利要求范围内的实施例都属于本发明保护的范围。

Claims (7)

1.一种电磁炉单管谐振软开关电路，包括整流滤波电路和主谐振电路，所述主谐振电路包括加热绕组盘、谐振电容以及主开关管，其特征在于，包括辅助谐振电路，所述的辅助谐振电路包括辅助谐振电感、二极管和辅助开关管；加热绕组盘的一端接整流滤波电路输出端的正极，另一端接主开关管的集电极，主开关管的发射极接整流滤波电路输出端的负极，谐振电容与加热绕组盘并联或与主开关管并联；所述的辅助谐振电感是耦合电感，所述的耦合电感包括相互耦合的原边绕组和副边绕组，原边绕组的第一端接主开关管的集电极，第二端接辅助开关管的集电极，辅助开关管的发射极接整流滤波电路输出端的负极；副边绕组与二极管组成串联电路，串联电路的一端接整流滤波电路输出端的正极，另一端接整流滤波电路输出端的负极；副边绕组与原边绕组第一端的同名端接整流滤波电路输出端的负极时，二极管的阴极接整流滤波电路输出端的正极；二极管的阳极接整流滤波电路输出端的负极时，副边绕组的另一端接整流滤波电路输出端的正极。

2.根据权利要求1所述的电磁炉单管谐振软开关电路，其特征在于，所述的辅助谐振电路包括放电电阻，所述的放电电阻与所述的副边绕组并联。

3.根据权利要求1或2所述的电磁炉单管谐振软开关电路，其特征在于，所述的整流滤波电路包括整流电路、滤波电感和滤波电容，所述整流电路的交流输入端连接经过EMC滤波的交流输入线，整流电路输出端的正极连接滤波电感的一端，整流电路的输出端的负极接滤波电容的负端，滤波电感的另一端接滤波电容的正端。

4.根据权利要求1或2所述的电磁炉单管谐振软开关电路，其特征在于，所述的主开关管和辅助开关管是IGBT或MOSFET。

5.一种权利要求1所述的电磁炉单管谐振软开关电路的控制方法，其特征在于，当电磁炉单管谐振软开关电路小功率输出，主开关管集电极的电压不能正常谐振到零时，辅助谐振电路在主开关管开通前投入工作，释放谐振电容的残余电能；所述的小功率输出是输出功率小于额定功率的60%。

6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，当电磁炉单管谐振软开关电路小功率输出时，先开通辅助开关管，发热线圈盘、辅助谐振电感、谐振电容自由谐振，当主开关管集电极的电压谐振到零时开通主开关管；主开关管开通后，辅助开关管关断，存储在辅助耦合电感中的能量通过副边绕组和二极管反馈回输入滤波电容，辅助耦合电感中的电流归零，为下一个周期的工作做好准备。

7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，当电磁炉单管谐振软开关电路的功率输出大到主开关管集电极电压可以正常谐振到零时，不开通辅助开关管，禁止辅助谐振电路工作。

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