CN104850019A - 控制电路及其控制方法以及电磁炉 - Google Patents
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Abstract
提供一种控制电路及其控制方法以及电磁炉。控制电路包括:脉宽调制控制单元,将与参考电压和第一电压信号的电压之间的电压差相应的电流进行积分获得第二电压信号,并将作为斜坡信号的第三电压信号的电压与第二电压信号的电压进行比较以输出第一控制信号;谷底控制单元,将反映第四电压信号的电压变化的第五电压信号的电压与预定阈值进行比较以输出第二控制信号;逻辑控制单元,基于分别从脉宽调制控制单元和谷底控制单元输出的第一控制信号和第二控制信号输出第三控制信号。本发明使电磁炉在任何设定功率下都可处于连续工作状态,实现了电磁炉在全电压输入范围内的连续工作,并通过采用闭环方式的模拟电路可更精确快速地控制电磁炉的功率。
Description
技术领域
本发明涉及家用电器领域,更具体地讲,涉及一种对电磁炉的功率进行控制的控制电路及其控制方法以及包括该控制电路的电磁炉。
背景技术
电磁炉是采用磁场感应涡流原理,利用高频电流通过环形线圈,从而产生无数封闭磁场力,使锅体本身自行快速发热,从而加热锅内食物。当线圈中通过高频电流时,线圈周围产生高频交变磁场。在高频交变磁场中产生的磁力线通过导磁材料(如:铁质锅)的底部,使铁质锅底产生无数小涡流,从而使锅底迅速释放出大量的热量,达到加热目的。电磁炉的工作示意图如图1所示。
图2是现有技术中电磁炉工作的主回路的示意图,由全波整流桥、LC滤波器、电磁线圈MC、电容器C0与开关W构成。这里,所述开关W为一绝缘栅双极型晶体管IGBT。
全波整流桥对输入的交流电进行全波整流得到单向脉动直流电,并经过由电感L和电容器C串联构成的LC滤波器对经过整流桥进行整流后得到的单向脉动直流电进行LC滤波,从而在电感L和电容器C相连接的点形成正弦半波电压Vin。由电磁线圈MC和电容器C0并联构成的谐振电路的一端连接至电感L和电容器C相连接的点,另一端与开关W连接。开关W不断地导通和断开,导通时输入电压Vin加在电磁线圈两端,流过电磁线圈MC和与其并联的电容器C0的正向电流增加,断开时电磁线圈MC与并联的电容器C0形成高频谐振,电磁线圈MC上电压反向,流经电磁线圈MC的电流减小,流过电磁线圈MC的变化电流形成高频的交变磁场。交变磁场产生的交变磁力线穿过锅具,在铁质锅体内形成涡流,使锅发热。因此,电磁炉是通过控制开关W的通断来调节功率。
传统的电磁炉都是利用MCU控制,在功率大于约1000W时,采取调节导通时间Ton的控制方式,Ton的变化范围被微控制单元(MCU)控制,每个Ton时间对应一个功率;而当功率小于约1000W时,控制信号如图3所示,导通时间Ton固定在某个固定值,通过MCU计算功率来调节开关W工作的时间T1和不工作的时间T2以将输出功率调节到设定值。
所以,传统的电磁炉在设定功率较小时工作状态不连续,锅里的水或者食物在开关W工作的时间T1内处于沸腾状态,在开关W不工作的时间T2内会降温而导致无法连续沸腾。这样的工作方式从本质上来说无法真正实现小功率的工作状态,并且会比连续的煮沸状态需要煮熟食物的时间更长,也更费电。
发明内容
根据本发明的示例性实施例,本发明的功率控制电路利用闭环调节开关的导通时间控制电磁炉的功率,使电磁炉在任何设定功率下都可以处于连续工作状态,实现了电磁炉在全电压输入范围内不间断地连续工作,实现高功率因数的电磁炉系统。另外,根据本发明示例性实施例,通过采用闭环方式的模拟电路可更精确快速地控制电磁炉的功率。
根据本发明的一方面,提供了一种控制电路,所述控制电路可包括:脉宽调制控制单元,将与参考电压和第一电压信号的电压之间的电压差相应的电流进行积分获得第二电压信号,并将作为斜坡信号的第三电压信号的电压与第二电压信号的电压进行比较以输出第一控制信号;谷底控制单元,将反映第四电压信号的电压变化的第五电压信号的电压与预定阈值进行比较以输出第二控制信号;逻辑控制单元,基于分别从脉宽调制控制单元和谷底控制单元输出的第一控制信号和第二控制信号输出第三控制信号。
根据本发明的另一方面,脉宽调制控制单元可包括:差分积分电路,包括运算跨导放大器和第一电容器,其中,通过运算跨导放大器生成与参考电压和第一电压信号的电压之间的电压差相应的电流,并通过第一电容器对该电流进行积分以获得第二电压信号;斜坡信号发生器,生成作为与第三控制信号同步变化的斜坡信号的第三电压信号;第一比较器,将第三电压信号与第二电压信号进行比较以输出第一控制信号,其中,当第三电压信号的电压大于第二电压信号的电压时第一控制信号变为高电平。
根据本发明的另一方面,谷底控制单元可包括第二电容器、第一电阻器、第二电阻器、第三电阻器和第二比较器,其中,其中,第二电阻器的一端输入第四电压信号,另一端连接至第三电阻器和由第二电容器和第一电阻器所形成的串联电路构成的并联电路,并且第二电容器与第一电阻器相连接的节点处产生的第五电压信号输入至第二比较器以与预定阈值进行比较并输出第二控制信号,其中,当预定阈值大于第五电压信号的电压时,第二控制信号变为高电平。
根据本发明的另一方面,逻辑控制单元可以为RS触发器,其中,第一控制信号输入到RS触发器的复位端,而第二控制信号输入到RS触发器的置位端。
根据本发明的另一方面,第一控制信号、第二控制信号和第三控制信号可以为电平信号,其中,当第一控制信号为高电平时,第三控制信号为低电平,当第二控制信号为高电平时,第三控制信号为高电平。
根据本发明的另一方面,斜坡发生器可包括并联连接的第三电容器、电流源和第一开关,其中,当第三控制信号为高电平时,第一开关断开从而电流源对第三电容器充电;当第三控制信号为低电平时,第一开关导通以对第三电容器进行放电,从第三电容器输出作为斜坡信号的第三电压信号。
根据本发明的另一方面,所述第三控制信号可用于驱动连接在电磁炉主回路中的第二开关,第一电压信号与电磁炉主回路上的电流相应,第四电压信号与施加到电磁炉主回路的第二开关上的电压相应,参考电压与电磁炉的设定功率相应。
根据本发明的另一方面,提供了一种控制方法,所述控制方法可包括:将与参考电压和第一电压信号的电压之间的电压差相应的电流进行积分获得第二电压信号,并将作为斜坡信号的第三电压信号的电压与第二电压信号的电压进行比较以输出第一控制信号;将反映第四电压信号的电压变化的第五电压信号的电压与预定阈值进行比较以输出第二控制信号;基于分别从脉宽调制控制单元和谷底控制单元输出的第一控制信号和第二控制信号输出第三控制信号。
根据本发明的另一方面,第三电压信号可以为与第三控制信号同步变化的斜坡信号,并且当第三电压信号的电压大于第二电压信号的电压时第一控制信号变为高电平。
根据本发明的另一方面,通过电容器和电阻器串联连接所形成的串联电路生成反映第四电压信号的电压的变化的第五电压信号,其中,当预定阈值大于第五电压信号的电压时,第二控制信号变为高电平。
根据本发明的另一方面,当第三控制信号为高电平时,斜坡信号的电压上升;当第三控制信号为低电平时,斜坡信号变为零。
根据本发明的另一方面,所述第三控制信号用于驱动连接在电磁炉主回路中的开关,第一电压信号与电磁炉主回路上的电流相应,第四电压信号与施加到电磁炉主回路的开关上的电压相应,参考电压与电磁炉的设定功率相应。
根据本发明的另一方面,提供了一种包括上述控制电路的电磁炉。
附图说明
图1是现有技术中电磁炉的工作原理示意图。
图2是现有技术中电磁炉工作的主回路的示意图。
图3是现有技术中通过MCU计算功率来调节开关W的工作时间和不工作时间的示意图。
图4是根据本发明示例性实施例的电磁炉功率控制电路的示意图。
图5是根据图4所示的电磁炉控制电路的一个具体示例。
具体实施方式
下面将结合具体的实施例来对本发明进行详细的描述。本领域技术人员应该理解,本发明所示的实施例只是示例性的,并不作为对本发明的限制。
图4是根据本发明示例性实施例的电磁炉功率控制电路的示意图。本领域技术人员应该理解,图4所示的附图只是示意性的而非限制性的,本领域技术人员可以根据实际需要而对电路图做出相应改进。
如本领域技术人员所熟知的,输入功率是输入电压与输入电流的乘积。在使用电磁炉时输入电压是电网电压,所以基本固定,因此只要控制输入的平均电流就可以控制整个系统的输入功率。输入电流Iin是从电网端流入电磁炉系统的电流,当开关W导通时,有输入电流Iin流入电磁炉系统;当开关W断开时,输入电流Iin停止流入电磁炉系统,所以只要控制开关W的导通与断开就可以控制输入电流Iin即输入功率。如图4所示,将电流检测电阻器Rs与开关W串联连接以连接到主回路中对输入电流Iin的大小进行检测。因为电压是电阻值和电流的乘积,所以电流检测电阻器Rs上的电压Vcs也就反映了输入电流Iin的大小。
如图4所示,电磁炉功率控制电路包括脉宽调制控制单元410、谷底控制单元420和逻辑控制单元430。当然,本领域技术人员应该理解,上述电路可以应用于任何可以应用的场合而不仅限于对电磁炉的功率进行控制。下面,为了描述简便而将该功率控制电路应用于电磁炉功率控制中。
脉宽调制控制单元410接收与电磁炉的设定功率相应的参考电压Vref以及与电磁炉主回路上的电流大小相应的电压信号(例如,电流检测电阻器Rs上的电压信号Vcs),对与这些信号的电压差(即误差信号)相应的电流进行积分然后将获得的电压与斜坡信号ramp的电压进行比较以向逻辑控制单元430输出用于控制开关W断开的第一控制信号off,其中,第一控制信号off是电平信号,当第一控制信号off为高电平时,可控制电磁炉主回路上的开关W断开。
谷底控制单元420接收在主回路中经由并联的电磁线圈MC与电容器C0(也即谐振电路)施加到开关W上的电压信号Vw,并将反映电压信号Vw的电压变化的电压与预定阈值Vth进行比较以向逻辑控制单元430输出用于控制开关W导通的第二控制信号on。其中,第二控制信号on为电平信号。当第二控制信号on为高电平时,可控制开关W导通。
逻辑控制单元430基于分别从脉宽调制控制单元410和谷底控制单元420输出的第一控制信号off和第二控制信号on输出用于控制开关W的导通和断开的第三控制信号gate。
图5示出了图4的一个具体示例。
作为示例,如图5所示,脉宽调制控制单元510包括差分积分电路540、比较器550和斜坡信号发生器560。差分积分电路540包括运算跨导放大器gm和电容器C1。根据本发明示例性实施例,将与电磁炉的设定功率相应的参考电压Vref与反映电磁炉主回路的电流大小的电压信号(例如电流检测电阻器Rs上的电压信号Vcs,下文中为了描述简便,用电压信号Vcs作为示例进行描述)输入到差分积分电路540以对与这些信号的电压差(即误差信号)相应的电流进行积分。其中,与设定功率相应的参考电压Vref输入到运算跨导放大器gm的正相输入端而电压信号Vcs输入到运算跨导放大器gm的反相输入端以根据这两个输入信号之间的电压差来调节输出电流的大小。运算跨导放大器gm的输出端连接到电容器C1,从而利用电容器C1对从运算跨导放大器gm输出的电流进行积分,得到电容器C1上的电压信号comp。另外,电容器C1的一端(也是电容器C1与运算跨导放大器相连接的一端)连接到比较器550的反相输入端,从而将comp信号输入到比较器550。
比较器550的正相输入端输入由斜坡信号发生器560产生的斜坡信号ramp,从而将斜坡信号ramp的电压与comp信号的电压进行比较以向逻辑控制单元530输出第一控制信号off。当斜坡信号ramp的电压高于comp信号的电压时,从比较器550输出(也即从脉宽调制控制单元510输出)的第一控制信号off变为高电平,从而使得从逻辑控制单元530输出的第三控制信号gate变为低电平,因此电磁炉主回路上的开关W断开。这里,作为简单示例,斜坡信号发生器560可包括电容C2、电流源和开关W1。其中,斜坡信号ramp与第三控制信号同步变化。当开关W导通时,也即第三控制信号输出高电平时,开关W1断开,通过电流源对电容C2充电,斜坡信号ramp的电压逐渐上升;当开关W断开时,也即第三控制信号输出低电平时,开关W1导通,通过开关W1对电容C2快速放电,斜坡信号ramp的电压急剧下降为0。
作为示例,如图5所示,谷底控制单元520包括比较器570、电容器C3和电阻器R1-R3。其中,电阻器R2和R3串联连接,而电容器C3与电阻器R1串联连接后与电阻器R3并联。电阻器R2的一端输入施加到开关W上的电压信号Vw,另一端连接至电阻器R3和电容器C3。电阻器R1与电容器C3相连接的节点连接到比较器570的反相输入端,比较器570的正相输入端输入阈值电压Vth。比较器570的输出端连接至逻辑控制单元530以将从其输出的第二控制信号on输入到逻辑控制单元530。这里,电容器C3和电阻器R1串联连接构成的RC微分电路产生代表谐振电压(开关断开后的电压信号Vw)变化的电流,该电流流过电阻器R1产生电压,这个电压与阈值电压Vth一起送入比较器570,当反映谐振电压Vw的变化的电压小于阈值电压Vth时代表谐振到了谷底,比较器570输出的第二控制信号on变为高电平,从而控制逻辑控制单元530上输出的第三控制信号gate变为高电平,从而使电磁炉主回路上的开关W在电压信号Vw的谷底开始导通。
根据本发明示例性实施例,在开关W断开之后,由电磁线圈MC和电容器C0构成的谐振电路产生谐振,谷底控制单元520将反映施加到开关W上的电压信号的变化的电压(例如,电阻器R1上的电压)与阈值电压Vth进行比较,当该电压小于阈值Vth时,则表示谐振到了谷底,谷底控制单元520输出的第二控制信号on变为高电平,从而使得逻辑控制单元530输出的第三控制信号gate变为高电平,因此开关W导通。
作为示例,逻辑控制单元530是RS触发器,脉宽调制控制单元510的输出连接到RS触发器的复位端,而谷底控制单元520的输出连接到RS触发器的置位端。也就是说,第一控制信号off输入到RS触发器的复位端而第二控制信号on输入到RS触发器的置位端。RS触发器的输出端Q连接至开关W的控制端以控制开关W的导通和断开。这里,仅作为示例而不作为限制,开关W可以为绝缘栅双极型晶体管IGBT。
根据本发明示例性实施例,当电磁炉的功率小于设定功率时,电流感测电阻器Rs上的电压信号Vcs的电压小于与电磁炉的设定功率相应的参考电压Vref,此时电容器C1充电,电容器C1上的电压上升,即comp信号的电压升高,开关W导通的时间Ton也就随着增大直到输入功率等于设定功率。当电磁炉的功率大于设定功率时,电流感测电阻器Rs上的电压信号Vcs的电压会大于Vref电压,此时电容器C1放电,电容器C1上的电压下降,即comp信号的电压下降,开关W导通的时间Ton也就随之减小直到输入功率等于设定功率。
根据本发明示例性实施例,由斜坡信号ramp与comp信号的电压相比较,从而决定了开关W断开的时刻,也即确定了开关W导通的时间Ton;开关W断开后,电磁线圈MC与电容器C0一起发生谐振,当开关W上施加的电压Vw谐振到谷底时,第二控制信号on变为高电平,开关W导通。由于电磁线圈MC的电感与电容器C0的电容的大小是不变的,因此,谐振周期基本恒定,所以谐振到谷底的时间(即开关W断开的时间Toff)基本恒定,因此只需要通过环路调节开关W导通的时间Ton以达到设定功率。
根据本发明示例性实施例,电磁炉在对锅进行加热时,可以实现锅内的食物或水持续沸腾不间断,相当于延长了电磁炉的有效工作时间,煮熟食物或者烧开水的时间会比以前更短因而更加省电。根据本发明示例性实施例,可以实现电磁炉在全电压输入范围内以及在不同设定功率下都能够不间断地连续工作,从而实现对锅的快速加热,从而节省了电能。
尽管已描述了本发明的特定实例,然而本领域技术人员应该明白,存在与所描述实例等同的其它实例。因此,本领域技术人员应该明白,本发明不局限于所示出的特定实例,而是仅由权利要求的范围来限定。
Claims (14)
1.一种控制电路,包括:
脉宽调制控制单元,将与参考电压和第一电压信号的电压之间的电压差相应的电流进行积分获得第二电压信号,并将作为斜坡信号的第三电压信号的电压与第二电压信号的电压进行比较以输出第一控制信号;
谷底控制单元,将反映第四电压信号的电压变化的第五电压信号的电压与预定阈值进行比较以输出第二控制信号;
逻辑控制单元,基于分别从脉宽调制控制单元和谷底控制单元输出的第一控制信号和第二控制信号输出第三控制信号。
2.如权利要求1所述的控制电路,其中,脉宽调制控制单元包括:
差分积分电路,包括运算跨导放大器和第一电容器,其中,通过运算跨导放大器生成与参考电压和第一电压信号的电压之间的电压差相应的电流并通过第一电容器对该电流进行积分以获得第二电压信号;
斜坡信号发生器,生成作为与第三控制信号同步变化的斜坡信号的第三电压信号;
第一比较器,将第三电压信号与第二电压信号进行比较以输出第一控制信号,其中,当第三电压信号的电压大于第二电压信号的电压时第一控制信号变为高电平。
3.如权利要求2所述的控制电路,其中,谷底控制单元包括第二电容器、第一电阻器、第二电阻器、第三电阻器和第二比较器,其中,第二电阻器一端输入第四电压信号,另一端连接至第三电阻器和由第二电容器和第一电阻器所形成的串联电路构成的并联电路,并且第二电容器与第一电阻器相连接的节点处产生的第五电压信号输入至第二比较器以与预定阈值进行比较并输出第二控制信号,其中,当预定阈值大于第五电压信号的电压时,第二控制信号变为高电平。
4.如权利要求3所述的控制电路,其中,逻辑控制单元为RS触发器,其中,第一控制信号输入到RS触发器的复位端,而第二控制信号输入到RS触发器的置位端。
5.如权利要求3所述的控制电路,其中,第一控制信号、第二控制信号和第三控制信号为电平信号,其中,当第一控制信号为高电平时,第三控制信号为低电平,当第二控制信号为高电平时,第三控制信号为高电平。
6.如权利要求4所述的控制电路,其中,斜坡发生器包括并联连接的第三电容器、电流源和第一开关,其中,当第三控制信号为高电平时,第一开关断开从而电流源对第三电容器充电;当第三控制信号为低电平时,第一开关导通以对第三电容器进行放电,从第三电容器输出作为斜坡信号的第三电压信号。
7.如权利要求1所述的控制电路,其中,所述第三控制信号用于驱动连接在电磁炉主回路中的第二开关,第一电压信号与电磁炉主回路上的电流相应,第四电压信号与施加到电磁炉主回路的第二开关上的电压相应,参考电压与电磁炉的设定功率相应。
8.一种控制方法,包括:
将与参考电压和第一电压信号的电压之间的电压差相应的电流进行积分获得第二电压信号,并将作为斜坡信号的第三电压信号的电压与第二电压信号的电压进行比较以输出第一控制信号;
将反映第四电压信号的电压变化的第五电压信号的电压与预定阈值进行比较以输出第二控制信号;
基于分别从脉宽调制控制单元和谷底控制单元输出的第一控制信号和第二控制信号输出第三控制信号。
9.如权利要求8所述的控制方法,其中,第三电压信号为与第三控制信号同步变化的斜坡信号,并且当第三电压信号的电压大于第二电压信号的电压时第一控制信号变为高电平。
10.如权利要求9所述的控制方法,其中,通过电容器和电阻器串联连接所形成的串联电路生成反映第四电压信号的电压的变化的第五电压信号,其中,当预定阈值大于第五电压信号的电压时,第二控制信号变为高电平。
11.如权利要求8所述的控制方法,其中,第一控制信号、第二控制信号和第三控制信号为电平信号,其中,当第一控制信号为高电平时,第三控制信号为低电平,当第二控制信号为高电平时,第三控制信号为高电平。
12.如权利要求9所述的控制方法,其中,当第三控制信号为高电平时,斜坡信号的电压上升;当第三控制信号为低电平时,斜坡信号变为零。
13.如权利要求8所述的控制方法,其中,所述第三控制信号用于驱动连接在电磁炉主回路中的开关,第一电压信号与电磁炉主回路上的电流相应,第四电压信号与施加到电磁炉主回路的开关上的电压相应,参考电压与电磁炉的设定功率相应。
14.一种包括如权利要求1-7中的任一项所述的控制电路的电磁炉。
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