CN107172733B - 一种电磁加热系统及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
一种电磁加热系统及其工作方法设置有控制模块、功率开关管驱动电路模块、功率开关管模块、LC谐振模块，其中LC谐振模块设置有直流输入电容、电容切换模块,当要开通IGBT时，首先启动切换电容电路模块，把直流输入电容从LC谐振模块中断开，降低IGBT集电极电压，然后再启动IGBT，使IGBT工作在软开关状态，接着将直流输入电容再次接入LC谐振模块，电路恢复正常工作状态。本方案根据LC震荡工作原理，在合适的时间切断直流输入电容，降低IGBT开通瞬间的IGBT集电极电压，使IGBT处在软开关状态，从而降低硬开关状态下产生的大的冲击电流的幅值，从而减少电磁EMI干扰和噪声，保证IGBT工作在安全电流范围内。
Description
技术领域
本发明涉及感应加热领域，特别涉及电磁加热系统。
背景技术
相关技术中的电磁加热烹饪系统通常在功率开关管的集电极电压接近零伏时导通，此时为软开关状态，功率开关管损耗小。但是，其存在的缺点是，LC谐振模块中有一个输入直流电容，正常时，电容两端的电压为整流后的直流母线电压，电压过高。功率开关管的集电极电压近似为电容两端的电压。当LC谐振回路没有足够的能量使功率开关管的集电极电压降至零伏时，功率开关管将在其集电极电压不为零时导通，此时为硬开关状态；导通瞬间产生的冲击电流很大，一方面会产生电磁EMI干扰，另一方面将导致谐振电容和功率开关管的电流超过其安全工作范围，长时间工作容易损毁元器件，降低产品的使用寿命。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种电磁加热系统及其工作方法。
为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种电磁加热系统，其特征在于，包括：控制模块、功率开关管驱动电路模块、功率开关管模块和LC谐振模块，LC谐振模块接有电路输入A端和电路输入B端,LC谐振模块还包括切换电容电路模块，切换电容电路模块设置有功率开关元器件，切换电容电路模块与控制模块连接，功率开关管驱动电路模块连接控制模块和功率开关管模块，功率开关管模块与LC谐振模块相连。
进一步，LC谐振模块设置有线盘L1与电容C1并联形成LC谐振电路、电容C2和切换电容电路模块，LC谐振电路由线盘L1与电容C1并联形成，切换电容电路模块包括外围电路电阻R7、R8和功率开关元器件Q4，功率开关元器件Q4设置有1号端口、2号端口和3号端口。
进一步，LC谐振电路一端接于电路输入A端和电容C2，另一端接于功率开关管模块，电容C2与功率开关元器件Q4串联连接，电容C2与功率开关元器件Q4串联形成的串联电路靠近电容C2的一端接于电路输入A端，串联电路靠近功率开关元器件Q4的一端接于电路输入B端，电容C2一端接于电路输入A端，另一端接于功率开关元器件Q4的一号端口，功率开关元器件Q4的2号端口和3号端口接有电阻R8，电阻R7一端接于电阻R8和功率开关元器件Q4的3号端口，另一端接于控制模块。
进一步，功率开关管模块设置有元器件IGBT，IGBT的C极接于LC谐振模块，E极接于电路输入B端，G极接于功率开关管驱动电路模块；
功率开关管驱动电路模块二极管ZD2和电阻R6并联后接于IGBT的G极和E极，电阻R5一端接于二极管ZD2负极和电阻R6，另一端接于三极管Q3的E极和三极管Q2的E极,电阻R4、三极管Q2和三极管Q3串联连接形成串联电路，串联电路一端接于电源VCC，另一端接于二极管ZD2正极，电阻R4一端接于电源VCC，另一端接于三极管Q2的C极，三极管Q2的B极与三极管Q3的B极相连接于三极管Q1的C极，三极管Q2的E极与三极管Q3的E极相连接于电阻R5，三极管Q3的C极接于二极管ZD2正极和电阻R6，三极管Q1的C极接于电阻R3一端，电阻R3另一端接于电源VCC，三极管Q1的B极接于电阻R2，电阻R2另一端接于控制模块，三极管Q1的E极接于二极管ZD2正极，二极管ZD1正极接于三极管Q1的E极，负极接于电阻R2、电阻R1和控制模块，电阻R1另一端接于电源VCC；
控制模块设置有微控制器U1，微控制器U1设置有接口PPG1和PPG2，PPG1接于功率开关管驱动电路模块，PPG2接于切换电容电路模块。
进一步，功率开关元器件Q4可为三极管、MOS管或IGBT等功率开关元器件。
进一步，功率开关元器件Q4为MOS管，功率开关元器件Q4的1号端口、2号端口和3号端口分别对应MOS管的D极、S极和G极。
进一步，控制模块输出PPG触发信号，PPG触发信号触发PPG输出从而控制开关元器件导通和截止；其中PPG2控制功率开关元器件Q4导通和截止。
一种电磁加热系统的工作方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)当工作在大功率状态时，控制模块的PPG1发出控制信号，通过功率开关管驱动电路模块控制功率开关管模块的IGBT周期性导通、截止；控制模块的PPG2输出高电平，使功率开关元器件Q4一直导通，直流输入电容C2接入LC谐振模块中；
2)当工作在小功率状态时，在交流电过零点时刻，PPG1先输出高电平，IGBT截止；延迟5us-3ms，PPG2输出低电平，功率开关元器件Q4截止，直流输入电容C2从LC谐振模块电路中断开，直流输入电容C2停止充电；
3)等待下一次交流电过零点时刻，PPG2发出高电平，功率开关元器件Q4导通，直流输入电容C2再次接入LC谐振模块中；延迟5us-3ms后，PPG1发出控制信号通过功率开关管驱动电路模块控制IGBT周期性导通、截止；
4)再一次交流电过零点时刻，返回步骤2)。
进一步，步骤3)中PPG1先于PPG2动作。
进一步，步骤2)与步骤3)的间隔时间和步骤3)与步骤4)的间隔时间可为一个及以上的交流电过零点。
现有技术中的电磁加热烹饪系统，通常在IGBT的集电极电压接近零伏时导通，此时为软开关状态，功率开关管损耗小。但是在使用过程中存在如下问题，LC谐振模块中设有直流输入电容，正常工作时，直流输入电容两端的电压为整流后的直流母线电压，电压过高，IGBT的集电极电压近似为电容两端的电压；当LC谐振电路没有足够的能量使IGBT的集电极电压降至零伏时，IGBT就会在集电极电压不为零时导通，此时为硬开关状态，导通瞬间产生的冲击电流很大，一方面会产生电磁EMI干扰，另一方面将导致谐振电容和IGBT的电流超过其安全工作范围，且长时间工作容易损毁元器件，降低产品的使用寿命。
现有技术在小功率加热时，在IGBT的每个工作周期中，由于加热功率低，IGBT导通时间短，IGBT关断后LC谐振电路没有足够的能量把IGBT集电极电压降到零伏，一般情况为100-300V,此时IGBT导通为硬开关，导通瞬间产生很大的冲击电流流过IGBT的集电极与发射极到地；该冲击电流产生很强的噪声、EMI干扰，同时超出了开关管的安全工作范围。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明设置有控制模块、功率开关管驱动电路模块、功率开关管模块、LC谐振模块，其中LC谐振模块设置有直流输入电容、电容切换模块。当要开通IGBT时，首先启动切换电容电路模块，把直流输入电容从LC谐振模块中断开，降低IGBT集电极电压，然后再启动IGBT，使IGBT工作在软开关状态，接着将直流输入电容再次接入LC谐振模块，电路恢复正常工作状态。本方案根据LC震荡工作原理，在合适的时间切断直流输入电容，降低IGBT开通瞬间的IGBT集电极电压，使IGBT处在软开关状态，从而降低硬开关状态下产生的大的冲击电流的幅值，从而减少电磁EMI干扰和噪声，保证IGBT工作在安全电流范围内。
附图说明
图1为一种电磁加热系统的模块框图；
图2为一种电磁加热系统的电路图；
图3为一种电磁加热系统的工作方法的波形图；
图4为现有技术的电磁加热系统的电路图；
图5为现有技术中PPG1控制信号与IGBT的电压电流波形图；
图6为LC振荡电路工作原理的波形图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
如图1和图2所示，一种电磁加热系统，包括：控制模块100、功率开关管驱动电路模块200、功率开关管模块300和LC谐振模块400，LC谐振模块400接有电路输入A端和电路输入B端,LC谐振模块400还包括切换电容电路模块401，切换电容电路模块401设置有功率开关元器件，切换电容电路模块401与控制模块100连接，功率开关管驱动电路模块200连接控制模块100和功率开关管模块300，功率开关管模块300与LC谐振模块400相连。
LC谐振模块400设置有线盘L1与电容C1并联形成LC谐振电路、电容C2和切换电容电路模块401，切换电容电路模块401包括外围电路电阻R7、R8和功率开关元器件Q4，功率开关元器件Q4设置有1号端口、2号端口和3号端口。LC谐振电路一端接于电路输入A端和电容C2，另一端接于功率开关管模块300，电容C2与功率开关元器件Q4串联连接，电容C2与功率开关元器件Q4串联形成的串联电路靠近电容C2的一端接于电路输入A端，串联电路靠近功率开关元器件Q4的一端接于电路输入B端，电容C2一端接于电路输入A端，另一端接于功率开关元器件Q4的一号端口，功率开关元器件Q4的2号端口和3号端口接有电阻R8，电阻R7一端接于电阻R8和功率开关元器件Q4的3号端口，另一端接于控制模块100。
功率开关管模块300设置有元器件IGBT，IGBT的C极接于LC谐振模块400，E极接于电路输入B端，G极接于功率开关管驱动电路模块200；功率开关管驱动电路模块200二极管ZD2和电阻R6并联后接于IGBT的G极和E极，电阻R5一端接于二极管ZD2负极和电阻R6，另一端接于三极管Q3的E极和三极管Q2的E极,电阻R4、三极管Q2和三极管Q3串联连接形成串联电路，串联电路一端接于电源VCC，另一端接于二极管ZD2正极，电阻R4一端接于电源VCC，另一端接于三极管Q2的C极，三极管Q2的B极与三极管Q3的B极相连接于三极管Q1的C极，三极管Q2的E极与三极管Q3的E极相连接于电阻R5，三极管Q3的C极接于二极管ZD2正极和电阻R6，三极管Q1的C极接于电阻R3一端，电阻R3另一端接于电源VCC，三极管Q1的B极接于电阻R2，电阻R2另一端接于控制模块100，三极管Q1的E极接于二极管ZD2正极，二极管ZD1正极接于三极管Q1的E极，负极接于电阻R2、电阻R1和控制模块100，电阻R1另一端接于电源VCC；控制模块100设置有微控制器U1，微控制器U1设置有接口PPG1和PPG2，PPG1接于功率开关管驱动电路模块200，PPG2接于切换电容电路模块401。控制模块100输出PPG触发信号，PPG触发信号触发PPG输出从而控制开关元器件导通和截止；其中PPG2控制功率开关元器件Q4导通和截止。
功率开关元器件Q4可为三极管、MOS管或IGBT等功率开关元器件。如图2所示，优选的,功率开关元器件Q4为MOS管，功率开关元器件Q4的1号端口、2号端口和3号端口分别对应MOS管的D极、S极和G极。MOS管的D极接于电容C2，MOS管的S极和G极接有电阻R8，电阻R7一端接于电阻R8和MOS管的G极，另一端接于控制模块100。
如图3所示，一种电磁加热系统的工作方法，包括如下步骤：
1)当工作在大功率状态时，T0-T1时间段，控制模块100的PPG1发出控制信号，通过功率开关管驱动电路模块200控制IGBT周期性导通、截止；控制模块100的PPG2输出高电平，使功率开关元器件Q4一直导通，直流输入电容C2接入LC谐振模块400中；
2)当工作在小功率状态时，在交流电过零点时刻T1，PPG1先输出高电平，IGBT截止；延迟5us-3ms，PPG2输出低电平，功率开关元器件Q4截止，直流输入电容C2从LC谐振模块400电路中断开，直流输入电容C2停止充电；
3)等待下一次交流电过零点时刻T2，PPG2发出高电平，功率开关元器件Q4导通，直流输入电容C2再次接入LC谐振模块400中；延迟5us-3ms后，PPG1发出控制信号通过功率开关管驱动电路模块200控制IGBT周期性导通、截止；
4)再一次交流电过零点时刻T3，返回步骤2)。
由图可看出，T3时刻重复T1时刻工作状态，T4时刻重复T2时刻的工作状态，通过周期重复工作可达到减少电磁EMI干扰和噪声的目的。
步骤3)中PPG1先于PPG2动作，可达到相同的有益效果。
如图步骤2)与步骤3)的间隔时间和步骤3)与步骤4)的间隔时间均为两个过零点时间，在实际操作中步骤2)与步骤3)的间隔时间和步骤3)与步骤4)的间隔时间可为一个及以上的交流电过零点。
结合电路图图4，IGBT集电极电压、电流波形图图5和图6，LC谐振工作原理如下：
1)在t1-t2时间，PPG1信号加至IGBT的集电极时,IGBT饱和导通,电流i1从电源流过L1,由于线圈感抗不允许电流突变.所以在t1-t2时间i1随线性上升；
2)在t2时PPG1信号结束,IGBT截止,同样由于感抗作用,i1不能立即变为0,于是向电容C1充电,产生充电电流i2；
3)在t3时间,电容C1电荷充满,电流变0,这时L1的磁场能量全部转为电容C1的电场能量,在电容C1两端出现右负左正,幅度达到峰值电压,在IGBT的CE极间出现的电压实际为逆程脉冲峰压加电源电压；
4)在t3-t4时间,电容C1通过L1放电完毕,i3达到最大值,电容C1两端电压消失,这时电容C1中的电能又全部转为L1中的磁能,因感抗作用,i 3不能立即变0,于是L1两端电动势反向,即L1两端电位右正左负,由于IGBT体二极管的存在,电容C1不能继续反向充电,而是经过电容C2、IGBT二极管回流,形成电流i4
5)在t4时间,PPG1第二个脉冲开始到来,但这时IGBT的UE为正,UC为负,处于反偏状态,所以IGBT不能导通,待i4减小到0,L1中的磁能放完,即到t5时，IGBT才开始第二次导通。
根据LC震荡工作原理，在合适的时间切断电容C2，降低IGBT开通瞬间的IGBT集电极电压，使IGBT处在软开关状态，从而降低硬开关状态下产生的大的冲击电流的幅值，从而减少电磁EMI干扰和噪声，保证IGBT工作在安全电流范围内。
本发明解决了IGBT在其集电极为高压时导通的问题。本方案提出了在LC谐振模块400设置切换电容电路模块401，当要开通IGBT时，首先启动切换电容电路模块401，把电容C2从LC谐振模块400中断开，降低IGBT集电极电压，然后再启动IGBT，使IGBT工作在软开关状态，接着将电容C2再次接入LC谐振模块400，电路恢复正常工作状态,让功率开关管工作在软开关状态，从而降低硬开关状态下产生的大的冲击电流的幅值，减少电磁EMI干扰、噪声，保证功率开关管工作在安全电流范围内。
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。
Claims (3)
1.一种电磁加热系统的工作方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)当工作在大功率状态时，控制模块的PPG1发出控制信号，通过功率开关管驱动电路模块控制功率开关管模块的IGBT周期性导通、截止；控制模块的PPG2输出高电平，使功率开关元器件Q4一直导通，直流输入电容C2接入LC谐振模块中；
2)当工作在小功率状态时，在交流电过零点时刻，PPG1先输出高电平，IGBT截止；延迟5us-3ms，PPG2输出低电平，功率开关元器件Q4截止，直流输入电容C2从LC谐振模块电路中断开，直流输入电容C2停止充电；
3)等待下一次交流电过零点时刻，PPG2发出高电平，功率开关元器件Q4导通，直流输入电容C2再次接入LC谐振模块中；延迟5us-3ms后，PPG1发出控制信号通过功率开关管驱动电路模块控制IGBT周期性导通、截止；
4)再一次交流电过零点时刻，返回步骤2)。
2.根据权利要求1所述的一种电磁加热系统的工作方法，其特征在于，步骤3)中PPG1先于PPG2动作。
3.根据权利要求1所述的一种电磁加热系统的工作方法，其特征在于，步骤2)与步骤3)的间隔时间和步骤3)与步骤4)的间隔时间为一个及以上的交流电过零点。
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