CN106211391B - 电磁加热系统及其开关管的过零开通控制装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电磁加热系统及其开关管的过零开通控制装置和方法，电磁加热系统包括由谐振线圈、谐振电容和开关管组成的谐振电路以及驱动开关管的驱动电路，过零开通控制装置包括：过零检测电路，过零检测电路用于检测流过谐振线圈的电感电流以获得电感电流的过零时刻；延时电路，延时电路与驱动电路相连；控制器，控制器分别与过零检测电路和延时电路相连，控制器根据电感电流的过零时刻生成开通控制信号，开通控制信号通过延时电路延时预设时间后输入到驱动电路以驱动开关管开通，从而能够更加准确地找到开关管的集电极的电压最低点，降低开关管的导通损耗，并有效降低开关管导通瞬间的电流，降低器件温升。

Description

电磁加热系统及其开关管的过零开通控制装置和方法

技术领域

本发明涉及电器技术领域，特别涉及一种电磁加热系统中开关管的过零开通控制装置、一种电磁加热系统以及一种电磁加热系统中开关管的过零开通控制方法。

背景技术

相关的单管的电磁加热系统通常采用并联谐振电路。在并联谐振电路中，为了减小开关管开通瞬间的电流，降低开通瞬间的损耗，一般需要在开关管的集电极电压的最低点进行开通。

相关技术中，通常根据谐振电容两端的电压对开关管的开通进行控制，具体而言，谐振电容的一端与电源模块相连，谐振电容的另一端与开关管的集电极相连，通过比较器来检测谐振电容两端的电压Va和Vb，其中，Va为谐振电容一端的对地电压，Vb为谐振电容另一端的对地电压，当Va>Vb时，开关管的集电极电压达到了极低值(但不是最低值)，然后通过实验方式测算从这个极低值到达最低值的预设时间，再通过软件或硬件控制开关管延时预设时间开通。但是，其存在的缺点是，无法找到真正的电压最低点，实验测算的预设时间也随着锅具材质、大小、市电电压等条件发生变化，从而导致开关管的导通损耗比较大。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种电磁加热系统中开关管的过零开通控制装置，该装置能够更加准确地找到电压最低点，降低开关管的导通损耗。

本发明的另一个目的在于提出一种电磁加热系统。本发明的又一个目的在于提出一种电磁加热系统中开关管的过零开通控制方法。

为了达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种电磁加热系统中开关管的过零开通控制装置，所述电磁加热系统包括由谐振线圈、谐振电容和开关管组成的谐振电路以及驱动所述开关管的驱动电路，所述过零开通控制装置包括：过零检测电路，所述过零检测电路用于检测流过所述谐振线圈的电感电流以获得所述电感电流的过零时刻；延时电路，所述延时电路与所述驱动电路相连；控制器，所述控制器分别与所述过零检测电路和所述延时电路相连，所述控制器根据所述电感电流的过零时刻生成开通控制信号，所述开通控制信号通过所述延时电路延时预设时间后输入到所述驱动电路以驱动所述开关管开通。

根据本发明实施例提出的电磁加热系统中开关管的过零开通控制装置，通过过零检测电路检测流过谐振线圈的电感电流以获得电感电流的过零时刻，控制器根据电感电流的过零时刻生成开通控制信号，并且开通控制信号通过延时电路延时预设时间后输入到驱动电路以驱动开关管开通，从而能够更加准确地找到开关管的集电极的电压最低点，降低开关管的导通损耗，并有效降低开关管导通瞬间的电流，降低器件温升。

根据本发明的一些实施例，所述过零检测电路包括：电流互感器，所述电流互感器的初级线圈与所述谐振线圈串联连接；采样电阻，所述采样电阻的一端与所述电流互感器的次级线圈的一端相连，所述采样电阻的另一端与所述电流互感器的次级线圈的另一端相连后接地；比较器，所述比较器的正输入端接地，所述比较器的负输入端分别与所述采样电阻的一端和所述电流互感器的次级线圈的一端相连，所述比较器的输出端与所述控制器相连。

进一步地，根据本发明的一些实施例，所述谐振线圈与所述电流互感器的初级线圈串联连接后与所述谐振电容并联。

具体地，根据本发明的一些实施例，所述预设时间为所述谐振线圈和所述谐振电容的谐振周期的1/4。

根据本发明的一些实施例，所述延时电路与所述控制器可集成设置。

为了达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种电磁加热系统，包括所述的开关管的过零开通控制装置。

根据本发明实施例提出的电磁加热系统，通过过零开通控制装置能够更加准确地找到开关管的集电极的电压最低点，降低开关管的导通损耗，并有效降低开关管导通瞬间的电流，降低器件温升。

为了达到上述目的，本发明又一方面实施例提出了一种电磁加热系统中开关管的过零开通控制方法，所述电磁加热系统包括由谐振线圈、谐振电容和开关管组成的谐振电路以及驱动所述开关管的驱动电路，所述过零开通控制方法包括以下步骤：检测流过所述谐振线圈的电感电流以获得所述电感电流的过零时刻；根据所述电感电流的过零时刻生成开通控制信号；所述开通控制信号通过所述延时电路延时预设时间后输入到所述驱动电路以驱动所述开关管开通。

根据本发明实施例提出的电磁加热系统中开关管的过零开通控制方法，检测流过谐振线圈的电感电流以获得电感电流的过零时刻，并根据电感电流的过零时刻生成开通控制信号，开通控制信号通过延时电路延时预设时间后输入到驱动电路以驱动开关管开通，从而能够更加准确地找到开关管的集电极的电压最低点，降低开关管的导通损耗，并有效降低开关管导通瞬间的电流，降低器件温升。

根据本发明的一些实施例，所述谐振线圈和所述谐振电容进行并联谐振。

具体地，根据本发明的一些实施例，所述预设时间为所述谐振线圈和所述谐振电容的谐振周期的1/4。

附图说明

图1是根据本发明实施例的电磁加热系统中开关管的过零开通控制装置的方框示意图；

图2是根据本发明一个实施例的电磁加热系统中开关管的过零开通控制装置的电路原理图；

图3是根据本发明一个实施例的电磁加热系统中开关管的过零开通控制装置的工作过程波形图；以及

图4是根据本发明实施例的电磁加热系统中开关管的过零开通控制方法的流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考附图来描述本发明实施例提出的电磁加热系统及电磁加热系统中开关管的过零开通控制装置和方法。

图1是根据本发明实施例的电磁加热系统中开关管的过零开通控制装置的方框示意图。

如图1所示，电磁加热系统用于对锅具进行谐振加热，电磁加热系统包括由谐振线圈L1、谐振电容C1和开关管Q1组成的谐振电路10以及驱动开关管Q1的驱动电路20，其中，开关管Q1可为IGBT管，谐振线圈L1的一端与电源模块60相连，谐振线圈L1的另一端与开关管Q1的集电极相连；开关管Q1的发射极接地；谐振电容C1的一端与谐振线圈L1的一端相连，谐振电容C1的另一端与谐振线圈L1的另一端相连；驱动电路20与开关管Q1的栅极相连。

如图1所示，过零开通控制装置包括：过零检测电路30、延时电路40和控制器50。其中，过零检测电路30用于检测流过谐振线圈L1的电感电流以获得电感电流的过零时刻，过零检测电路30设置在谐振电路10中；延时电路40与驱动电路20相连；控制器50分别与过零检测电路30和延时电路40相连，控制器50根据电感电流的过零时刻生成开通控制信号，开通控制信号通过延时电路40延时预设时间后输入到驱动电路20以驱动开关管Q1开通。

也就是说，利用过零检测电路30寻找电感电流的过零时刻，在电感电流的过零时刻，过零检测电路30可输出触发信号至控制器50，控制器50在接收到触发信号之后，通过延时电路40延时预设时间再控制开关管Q1开通，即言，开关管Q1在电感电流的过零时刻之后延时预设时间开通，此时，开关管Q1的集电极电压达到最小值，例如可为零，从而开关管的导通损耗最小。

下面结合图2对过零检测电路30的电路结构进行详细描述。

根据图2的示例，过零检测电路30包括：电流互感器301、采样电阻R1和比较器CMP。

其中，电流互感器301的初级线圈与谐振线圈L1串联连接，电流互感器301的初级线圈的一端与电源模块60相连，电流互感器301的初级线圈的另一端与谐振线圈L1的一端相连，谐振线圈L1的另一端与开关管Q1的集电极相连；采样电阻R1的一端与电流互感器301的次级线圈的一端相连，采样电阻R1的另一端与电流互感器301的次级线圈的另一端相连后接地；比较器CMP的正输入端接地，比较器CMP的负输入端分别与采样电阻R1的一端和电流互感器301的次级线圈的一端相连，比较器CMP的输出端与控制器50相连。

进一步地，谐振线圈L1与电流互感器301的初级线圈串联连接后与谐振电容C1并联。也就是说，谐振电容C1的一端与电源模块60相连，谐振电容C1的另一端与开关管Q1的集电极相连。

根据图2的示例，当流过谐振线圈L1的电感电流为零时，流过电流互感器301的初级线圈的电流为零，采样电阻R1两端的电流为零，比较器CMP的负输入端的电压为零，此时比较器CMP的负输入端的电压等于正输入端的电压，比较器CMP的输出端将输出触发信号，从而获得电感电流的过零时刻。

进一步地，谐振电路10还包括第一电阻R2和第二电阻R3，第一电阻R2与第二电阻R3串联，第一电阻R2的一端与开关管Q1的集电极相连，第一电阻R2的另一端与第二电阻R3的一端相连，第二电阻R3的另一端接地。

根据本发明的一个具体实施例，预设时间可为谐振线圈L1和谐振电容C1的谐振周期的1/4。如图3所示，电感电流iL在t1a时刻过零，并且在1/4个谐振周期之后(即在t2时刻)，谐振电容C1上的谐振电压Uc达到最低点，开关管Q1的集电极电压达到最小值。

下面结合图2和图3对谐振原理进行详细描述。

首先，从t0时刻到t1时刻为电感充电阶段：

在控制器50控制开关管Q1开通(控制器50输出高电平信号至开关管Q1的栅极)之后，开关管Q1在t0时刻才开始有电流iQ流过。根据开关管的零电压开通的特点(第一个开通周期为硬开通，之后选择任意一个开通周期为零电压开通)可知，在t0时刻，开关管Q1上的电压(开关管Q1的集电极电压)Uh≈0，谐振电容C1右端的电压Ucr≈0，则谐振电容C1上的电压(即谐振电压)Uc＝Ucr-Ud＝Uh-Ud＝-Ud，其中，Ud为电源模块60提供的直流电压。电流从谐振线圈L1流过，谐振线圈L1中开始有电感电流iL流过，在t0-t1之间，iQ和iL的电流波形变化如图3所示。

之后，从t1时刻到t2时刻为谐振阶段：

控制器50在t1时刻控制开关管Q1关断时(控制器50输出低电平信号至开关管Q1的栅极)，谐振线圈L1和谐振电容C1相互交换能量而产生谐振，同时谐振线圈L1上产生交变磁场并作用于锅具，消耗能量形成功率输出。t1-t2之间iL和Ucr的波形变化曲线如图3所示。可以理解的是，Ucr为谐振电容C1右端的电压，即相当于开关管Q1的集电极电压Uh。

在t1时刻-Tm时刻阶段内，谐振电容C2释放能量，电感电流iL正向流动(即从谐振线圈L1的左端流向谐振线圈L1的右端)，能量通过磁场变化消耗在锅具上，直到谐振电容的压差uc＝0，即谐振电容C1的右端Ucr的电压达到电源模块60的直流电压Ud，谐振电容C1的能量释放完毕。

在Tm时刻-t1a时刻阶段内，维持电感电流iL的方向不变，谐振线圈L1开始释放能量，一部分消耗在锅具上形成功率输出，另一部分向谐振电容C1反向充电，使谐振电容C1右端的电压Ucr逐渐上升，进而使谐振电压Uc上升。

在t1a时刻，谐振线圈L1的能量释放完毕，电感电流iL＝0，谐振电容C1的右端Ucr的电压达到最大值Uhm，此时开关管Q1上的电压也达到了最大值，即开关管Q1的集电极电压也达到Uhm。

在t1a时刻-tn时刻阶段内，谐振电容C1释放能量，使电感电流iL反向流动(即从谐振线圈L1的右端流向谐振线圈L1的左端)，释放的能量一部分消耗在谐振线圈L1上，另一部分转变成磁场能。

在tn时刻-t2时刻阶段内，在谐振电容右端的电压Ucr接近0时，电感电流iL达到负的最大值。在tn时刻，谐振电压uc＝0(即Ucr＝Ud)，谐振电容C1的能量释放完毕，转由谐振线圈L1释放能量，使电感电流iL继续反向流动，一部分消耗在锅具上，一部分向谐振电容C1反向充电。在t2时刻，谐振电压uc＝-Ud，即Ucr＝0，Uh＝0，开关管Q1的本体二极管D开始导通，使谐振电容C1右端的电压Ucr不能继续下降而被钳位于0，于是谐振电压uc不再变化，充电结束。此时，IGBT在t2时刻导通(Uh＝0)属于零电压开通。

另外，由于谐振电容C的左端点位被电源模块60钳位在Ud，故右端的电压Ucr唯有不断下降才能存储能量，如果谐振线圈L1储能不足或Ud过高，则右端的电压Ucr无法下降到0，开关管Q1无法在Uh＝0的时刻打开，硬开通则是这样产生的。

之后，再控制开关管Q1开通，重复上述过程。

如图3可知，电感电流iL在t1a时刻过零，并且即在t2时刻，谐振电容C1的右端的电压Ucr达到零，开关管Q1的集电极电压达到零。t1a时刻与t2时刻之间的时间基本上等于1/4个谐振周期。

由此，控制器50在通过过零检测电路30获取到电感电流的过零时刻之后，延时1/4个谐振周期将开通控制信号输入到驱动电路20，以使开关管Q1在零电压导通，从而减小开关管的导通损耗。

需要说明的是，谐振周期可根据谐振电感值和谐振电容值计算。其中，谐振电感值可为谐振线圈L1的电感值，或者谐振电感值可为谐振线圈L1和锅具耦合后的电感值；谐振电容值为与谐振线圈L1并联的谐振电容C1的电容值。

另外，根据本发明的一个实施例，延时电路40与控制器50可集成设置。其中，延时电路40是为了实现1/4谐振周期的延时，可以是集成到控制器50的内部，也可以是独立于控制器50的数字电路或模拟电路。

此外，驱动电路20可以是推挽电路或集成驱动模块。驱动电路20用于将控制器50的输出电压提升到适合驱动开关管Q1的驱动电压。控制器50可为单片机，单片机的输出电压一般为5V或3.3V，IGBT管所需的驱动电压一般为12V、15V、18V等。

综上所述，根据本发明实施例提出的电磁加热系统中开关管的过零开通控制装置，通过过零检测电路检测流过谐振线圈的电感电流以获得电感电流的过零时刻，控制器根据电感电流的过零时刻生成开通控制信号，并且开通控制信号通过延时电路延时预设时间后输入到驱动电路以驱动开关管开通，从而能够更加准确地找到开关管的集电极的电压最低点，降低开关管的导通损耗，并有效降低开关管导通瞬间的电流，降低器件温升。

本发明实施例还提出了一种电磁加热系统，包括上述实施例的开关管的过零开通控制装置。

根据本发明实施例提出的电磁加热系统，通过过零开通控制装置能够更加准确地找到开关管的集电极的电压最低点，降低开关管的导通损耗，并有效降低开关管导通瞬间的电流，降低器件温升。

本发明又提出了一种电磁加热系统中开关管的过零开通控制方法。

图4是根据本发明实施例的电磁加热系统中开关管的过零开通控制方法的流程图。电磁加热系统包括由谐振线圈、谐振电容和开关管组成的谐振电路以及驱动开关管的驱动电路。如图4所示，过零开通控制方法包括以下步骤：

S1：检测流过谐振线圈的电感电流以获得电感电流的过零时刻。

其中，可通过利用过零检测电路寻找电感电流的过零时刻。

S2：根据电感电流的过零时刻生成开通控制信号。

S3：开通控制信号通过延时电路延时预设时间后输入到驱动电路以驱动开关管开通。

也就是说，在电感电流的过零时刻生成开通控制信号，并通过延时电路将开通控制信号延时预设时间，从而开关管在电感电流的过零时刻之后延时预设时间开通，此时，开关管的集电极电压达到最小值，例如可为零，从而开关管的导通损耗最小。

根据本发明的一个具体实施例，预设时间可为谐振线圈和谐振电容的谐振周期的1/4。

如图3可知，电感电流iL在t1a时刻过零，并且即在t2时刻，谐振电容C1的右端的电压Ucr达到零，开关管Q1的集电极电压达到零。t1a时刻与t2时刻之间的时间基本上等于1/4个谐振周期。由此，在通过过零检测电路获取到电感电流的过零时刻之后，延时1/4个谐振周期将控制开关管导通，以使开关管在零电压导通，从而减小开关管的导通损耗。

根据本发明的一个实施例，谐振线圈和谐振电容进行并联谐振。

综上所述，根据本发明实施例提出的电磁加热系统中开关管的过零开通控制方法，检测流过谐振线圈的电感电流以获得电感电流的过零时刻，并根据电感电流的过零时刻生成开通控制信号，开通控制信号通过延时电路延时预设时间后输入到驱动电路以驱动开关管开通，从而能够更加准确地找到开关管的集电极的电压最低点，降低开关管的导通损耗，并有效降低开关管导通瞬间的电流，降低器件温升。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种电磁加热系统中开关管的过零开通控制装置，其特征在于，所述电磁加热系统包括由谐振线圈、谐振电容和开关管组成的谐振电路以及驱动所述开关管的驱动电路，所述过零开通控制装置包括：

过零检测电路，所述过零检测电路用于检测流过所述谐振线圈的电感电流以获得所述电感电流的过零时刻；

延时电路，所述延时电路与所述驱动电路相连；以及

控制器，所述控制器分别与所述过零检测电路和所述延时电路相连，所述控制器根据所述电感电流的过零时刻生成开通控制信号，所述开通控制信号通过所述延时电路延时预设时间后输入到所述驱动电路以驱动所述开关管开通。

2.如权利要求1所述的电磁加热系统中开关管的过零开通控制装置，其特征在于，所述过零检测电路包括：

电流互感器，所述电流互感器的初级线圈与所述谐振线圈串联连接；

采样电阻，所述采样电阻的一端与所述电流互感器的次级线圈的一端相连，所述采样电阻的另一端与所述电流互感器的次级线圈的另一端相连后接地；

比较器，所述比较器的正输入端接地，所述比较器的负输入端分别与所述采样电阻的一端和所述电流互感器的次级线圈的一端相连，所述比较器的输出端与所述控制器相连。

3.如权利要求2所述的过零开通控制装置，其特征在于，所述谐振线圈与所述电流互感器的初级线圈串联连接后与所述谐振电容并联。

4.如权利要求1-3中任一项所述的过零开通控制装置，其特征在于，所述预设时间为所述谐振线圈和所述谐振电容的谐振周期的1/4。

5.如权利要求1所述的过零开通控制装置，其特征在于，所述延时电路与所述控制器集成设置。

6.一种电磁加热系统，其特征在于，包括如权利要求1-5中任一项所述的开关管的过零开通控制装置。

7.一种电磁加热系统中开关管的过零开通控制方法，其特征在于，所述电磁加热系统包括由谐振线圈、谐振电容和开关管组成的谐振电路以及驱动所述开关管的驱动电路，所述过零开通控制方法包括以下步骤：

检测流过所述谐振线圈的电感电流以获得所述电感电流的过零时刻；

根据所述电感电流的过零时刻生成开通控制信号；以及

所述开通控制信号通过延时电路延时预设时间后输入到所述驱动电路以驱动所述开关管开通。

8.如权利要求7所述的过零开通控制方法，其特征在于，所述谐振线圈和所述谐振电容进行并联谐振。

9.如权利要求8所述的过零开通控制方法，其特征在于，所述预设时间为所述谐振线圈和所述谐振电容的谐振周期的1/4。

Images