CN107277954B - 一种电磁加热电路及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种电磁加热电路，包括：控制模块、功率开关管驱动模块、功率开关管、LC谐振模块和电源模块，控制模块控制功率开关管驱动模块驱动功率开关管，LC谐振模块与功率开关管相连，电源模块接入电路供电，电磁加热电路设置有电源电压转换模块，电源电压转换模块接收控制模块的信号周期性地变换功率开关管驱动模块的驱动电压。本发明先降低功率开关管驱动模块的供电电压，从而降低功率开关管集电极电流，然后启动功率开关管，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干扰和噪声，保证功率开关管工作在安全电流范围内，实现连续低功率的功能。

Description

一种电磁加热电路及其控制方法
技术领域
本发明涉及电磁加热领域，尤其涉及电磁加热控制电路和控制方法。
背景技术
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。但现有电路中存在一个问题，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，提供一种电磁加热电路及其控制方法。
为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了
一种电磁加热电路，包括：控制模块、功率开关管驱动模块、功率开关管、LC谐振模块和电源模块，控制模块控制功率开关管驱动模块驱动功率开关管，LC谐振模块与功率开关管相连，电源模块接入电路供电，其特征在于，电磁加热电路设置有电源电压转换模块，电源电压转换模块与电源模块相连，电源电压转换模块接收控制模块的信号周期性地变换功率开关管驱动模块的驱动电压。
进一步，电源电压转换模块工作原理如下：
1)当PPG1输出高电平时，Q4、Q6饱和导通:Q4饱和导通，节点C为低电平，则Q5饱和导通；Q6饱和导通，节点E为低电平，则Q7截止，节点D处为高电平，Q8截止；电源电压转换模块的输出点节点F处的输出电压为节点A处的电压，即稳压二极管ZD3两端的电压；
2)当PPG1输出低电平时，Q4、Q6截止:Q4截止，节点C为高电平，则Q5截止；Q6截止，节点E为高电平，则Q7饱和导通，节点D处为低电平，Q8饱和导通；电源电压转换模块的输出点节点F处的电压为节点B处的电压，即稳压二极管ZD3、ZD4两端的电压和；
3)当PPG1输出高电平时，电源电压转换模块输出电压为VCC电压的一半；当PPG1输出低电平时，电源电压转换模块输出电压等于VCC电压；
其中，VCC电压为电源模块输出电压，ZD3、ZD4为相同型号的稳压管，Q6接于Q7的基极和发射极之间，Q5和Q8的导通压降忽略。
进一步，当Q6接于Q4的基极和发射极之间时，PPG1输出高电平，电源电压转换模块输出电压为VCC电压；PPG1输出低电平时，电源电压转换模块输出电压为VCC电压的一半。
进一步，Q4、Q5、Q6、Q7、Q8为功率开关元器件。
进一步，功率开关管为IGBT，IGBT控制极电压低于7V时，IGBT不能正常工作；IGBT控制极电压为9V时，IGBT集电极最大电流低于20A；IGBT控制极电压大于13V时，IGBT集电极电流呈直线上升且远大于20A。
进一步，VCC电压为18V时，ZD3、ZD4为9V稳压管。
一种电磁加热电路的控制方法，电磁加热电路的控制方法适用于如前所述的电磁加热电路，具体实施方法如下，
1)电路工作在大功率状态时，PPG1输出低电平，PPG2输出控制信号通过功率开关管驱动模块控制功率开关管周期性的导通、截止；
2)电路工作在小功率状态时，交流电过零点时PPG1输出低电平，PPG2输出高电平，功率开关管停止工作；
3)自交流电过零点起5-10ms后，PPG1输出高电平，电源电压转换模块输出电压为9V，即功率开关管控制极电压为9V,PPG2输出控制信号通过控制功率开关管驱动模块驱动功率开关管周期性的导通、截止，此时电路为软启动状态；
4)到达过零点后但未到达下一个过零点前，PPG1输出低电平，电源电压转换模块输出电压为18V,即功率开关管控制极电压为18V，PPG2输出控制信号通过控制功率开关管驱动模块驱动功率开关管工作在饱和导通状态，进行正常工作；
5)等待下一次交流电过零点，返回步骤2)。
进一步，步骤2)与步骤3)经历的时间和为一个及以上的交流电过零点所经过的时间。
进一步，步骤4)到步骤5)时间间隔为一个及以上的交流电过零点所经过的时间。现有技术存在如下缺点：电路在小功率加热时，功率开关管的每个工作周期中，由于加热功率低，功率开关管导通时间短，功率开关管关断后LC谐振回路没有足够的能量把功率开关管集电极电压降到零伏，正常工作状态下为100-300V,此时功率开关管工作在硬开关状态，导通瞬间产生很大的冲击电流流过功率开关管的集电极与发射极到地，冲击电流会产生很强的噪声和产生EMI干扰，同时超出了功率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：该电磁加热电路设置有电源电压转换模块，使功率开关管驱动模块的供电电压可以在不同工作状态下进行转换。当要检锅或启功率时，先启动电源电压转换模块，把电源电压从18V转为9V，降低功率开关管驱动模块的供电电压，从而降低功率开关管集电极电流，然后启动功率开关管，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干扰和噪声，保证功率开关管工作在安全电流范围内，实现连续低功率的功能。
附图说明
图1为电磁加热电路的模块框图；
图2为电磁加热电路实施例一的电路图；
图3为电磁加热电路实施例三的电路图；
图4为IGBT的集电极电流与控制极电压之间的特性曲线图；
图5为电磁加热电路的控制方法实施例一的波形图；
图6为电磁加热电路的控制方法实施例一的示波器相关联包络波形图；
图7为电磁加热电路的控制方法实施例一的示波器分散包络波形图；
图8为现有技术的电路图；
图9为现有技术的波形图。
1、控制模块 2、电源电压转换模块 3、功率开关管驱动模块 4、功率开关管 5、LC谐振模块 6、电源模块，
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所示，一种电磁加热电路，包括：控制模块1、功率开关管4驱动模块3、功率开关管4、LC谐振模块5和电源模块6，控制模块1控制功率开关管4驱动模块3驱动功率开关管4，LC谐振模块5与功率开关管4相连，电源模块6接入电路供电，电磁加热电路设置有电源电压转换模块2，电源电压转换模块2与电源模块6相连，电源电压转换模块2接收控制模块1的信号周期性地变换功率开关管4驱动模块3的驱动电压。
电路图如图2所示，电源电压转换模块2工作原理如下：
1)当PPG1输出高电平时，Q4、Q6饱和导通:Q4饱和导通，节点C为低电平，则Q5饱和导通；Q6饱和导通，节点E为低电平，则Q7截止，节点D处为高电平，Q8截止；电源电压转换模块的输出点节点F处的输出电压为节点A处的电压，即稳压二极管ZD3两端的电压；
2)当PPG1输出低电平时，Q4、Q6截止:Q4截止，节点C为高电平，则Q5截止；Q6截止，节点E为高电平，则Q7饱和导通，节点D处为低电平，Q8饱和导通；电源电压转换模块的输出点节点F处的电压为节点B处的电压，即稳压二极管ZD3、ZD4两端的电压和；
3)当PPG1输出高电平时，电源电压转换模块2输出电压为VCC电压的一半；当PPG1输出低电平时，电源电压转换模块2输出电压等于VCC电压；其中，VCC电压为电源模块6输出电压，ZD3、ZD4为相同型号的稳压管，Q5和Q8的导通压降忽略。
Q4、Q5、Q6、Q7、Q8为功率开关元器件，例如三极管、MOS管、IGBT等。
电源电压转换模块2实施例一如图2所示，Q6接于Q7的基极和发射极之间；稳压管ZD3正极接于地，负极接于节点A；稳压管ZD4正极接于节点A，负极接于VCC和节点B；Q5和Q8为PNP型三极管，Q4、Q6、Q7为NPN型三极管。此时，当PPG1输出高电平时，电源电压转换模块2输出电压为VCC电压的一半；当PPG1输出低电平时，电源电压转换模块2输出电压等于VCC电压。
电源电压转换模块2实施例二，相较于实施例一Q6接于Q4的基极和发射极之间；稳压管ZD3正极接于地，负极接于节点A；稳压管ZD4正极接于节点A，负极接于VCC和节点B；Q5和Q8为PNP型三极管，Q4、Q6、Q7为NPN型三极管。此时，当PPG1输出高电平，电源电压转换模块2输出电压为VCC电压；PPG1输出低电平时，电源电压转换模块2输出电压为VCC电压的一半。
电源电压转换模块2实施例三如图3所示，Q6接于Q7的基极和发射极之间；稳压管ZD3正极接于地，负极接于节点B；稳压管ZD4正极接于节点B，负极接于VCC和节点A；Q5和Q8为PNP型三极管，Q4、Q6、Q7为NPN型三极管。此时，当PPG1输出高电平，电源电压转换模块2输出电压为VCC电压；PPG1输出低电平时，电源电压转换模块2输出电压为VCC电压的一半。
电源电压转换模块2实施例四，相较于实施例三Q6接于Q4的基极和发射极之间，稳压管ZD3正极接于地，负极接于节点B；稳压管ZD4正极接于节点B，负极接于VCC和节点A；Q5和Q8为PNP型三极管，Q4、Q6、Q7为NPN型三极管。此时，当PPG1输出高电平时，电源电压转换模块2输出电压为VCC电压的一半；当PPG1输出低电平时，电源电压转换模块2输出电压等于VCC电压。
电源电压转换模块2的实施例包括上述的四种实施例，但不仅限于上述的四种实施例。
功率开关管4优选为IGBT，如图4所示，功率开关管为IGBT，IGBT控制极电压低于7V时，IGBT不能正常工作；IGBT控制极电压为9V时，IGBT集电极最大电流低于20A；IGBT控制极电压大于13V时，IGBT集电极电流呈直线上升且远大于20A。
根据IGBT导通特性，VCC电压选择18V最佳，ZD3、ZD4选择9V稳压管最佳。以电源电压转换模块2实施例一为例，当PPG1输出高电平时，电源电压转换模块2输出电压为9V，此时IGBT处于软开关状态；当PPG1输出低电平时，电源电压转换模块2输出电压为18V，IGBT饱和导通正常工作。
一种电磁加热电路的控制方法，电磁加热电路的控制方法适用于上述的电磁加热电路，以电源电压转换模块2实施例一为例电路图如图2所示，VCC电压选择18V，ZD3、ZD4选择9V稳压管，波形图如图5所示，具体实施方法如下：
1)电路工作在大功率状态时，t0-t1时刻PPG1输出低电平，PPG2输出控制信号通过功率开关管4驱动模块3控制功率开关管4周期性的导通、截止；
2)电路工作在小功率状态时，t1-t2时刻交流电过零点时PPG1输出低电平，PPG2输出高电平，功率开关管4停止工作；
3)自交流电过零点起5-10ms后，t2-t3时刻PPG1输出高电平，此时电源电压转换模块2输出电压为9V，即功率开关管4控制极电压为9V,PPG2输出控制信号通过控制功率开关管4驱动模块3驱动功率开关管4周期性的导通、截止，此时电路为软启动状态；
4)到达过零点后但未到达下一个过零点前，t3-t4时刻PPG1输出低电平，此时电源电压转换模块2输出电压为18V,即功率开关管4控制极电压为18V，PPG2输出控制信号通过控制功率开关管4驱动模块3驱动功率开关管4工作在饱和导通状态，进行正常工作；
5)等待下一次交流电过零点时刻t4，返回步骤2)。
其中，步骤2)与步骤3)的经历的时间和，即t1-t3为一个及以上的交流电过零点所经过的时间。步骤4)到步骤5)时间间隔，即t3-t4为一个及以上的交流电过零点所经过的时间。
一种电磁加热电路的控制方法，以电源电压转换模块2实施例一为例，VCC电压选择18V，ZD3、ZD4选择9V稳压管，测试所得的示波器包络波形图如图6和图7所示，其中CH1通道为功率开关管4集电极电压波形，CH2通道为功率开关管4驱动模块3驱动电压波形，CH3通道为电源电压波形即18V电压波形，CH4通道为功率开关管4集电极电流波形。由图可知对应图5的t2-t4时间段，功率开关管4集电极电压有下降后再上升至恢复正常的过程，功率开关管4集电极电流有一个下降后上升的过程，功率开关管4驱动模块3驱动电压有从9V转换为18V的过程。
现有技术的电路图如图8所示，波形图如图9所示，控制模块1通过PPG1直接控制功率开关管4驱动模块3的驱动电压，驱动电压为固定电压。电路在小功率加热时，功率开关管4的每个工作周期中，由于加热功率低，功率开关管4导通时间短，功率开关管4关断后LC谐振回路没有足够的能量把功率开关管4集电极电压降到零伏，正常工作状态下为100-300V,此时功率开关管4工作在硬开关状态，导通瞬间产生很大的冲击电流流过功率开关管4的集电极与发射极到地，冲击电流会产生很强的噪声和产生EMI干扰，同时超出了功率开关管4的安全工作范围。
本发明中电磁加热电路设置有电源电压转换模块2，使功率开关管4驱动模块3的供电电压可以在不同工作状态下进行转换。当要检锅或启功率时，先启动电源电压转换模块2，把电源电压从18V转为9V，降低功率开关管4驱动模块3的供电电压，从而降低功率开关管4集电极电流，然后启动功率开关管4，让功率开关管4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干扰和噪声，保证功率开关管4工作在安全电流范围内，实现连续低功率的功能。
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 (9)

1.一种电磁加热电路，包括：控制模块、功率开关管驱动模块、功率开关管、LC谐振模块和电源模块，控制模块控制功率开关管驱动模块驱动功率开关管，LC谐振模块与功率开关管相连，电源模块接入电路供电，其特征在于，电磁加热电路设置有电源电压转换模块，电源电压转换模块与电源模块相连，电源电压转换模块接收控制模块的信号周期性地变换功率开关管驱动模块的驱动电压；电源电压转换模块工作原理如下：
1)当PPG1输出高电平时，Q4、Q6饱和导通:Q4饱和导通，节点C为低电平，则Q5饱和导通；Q6饱和导通，节点E为低电平，则Q7截止，节点D处为高电平，Q8截止；电源电压转换模块的输出点节点F处的输出电压为节点A处的电压，即稳压二极管ZD3两端的电压；
2)当PPG1输出低电平时，Q4、Q6截止:Q4截止，节点C为高电平，则Q5截止；Q6截止，节点E为高电平，则Q7饱和导通，节点D处为低电平，Q8饱和导通；电源电压转换模块的输出点节点F处的电压为节点B处的电压，即稳压二极管ZD3、ZD4两端的电压和；
3)当PPG1输出高电平时，电源电压转换模块输出电压为VCC电压的一半；当PPG1输出低电平时，电源电压转换模块输出电压等于VCC电压；
其中，VCC电压为电源模块输出电压，ZD3、ZD4为相同型号的稳压管，Q5和Q8的导通压降忽略；
且电源电压转换模块的结构为：Q6接于Q7的基极和发射极之间；稳压管ZD3正极接于地，负极接于节点A；稳压管ZD4正极接于节点A，负极接于VCC和节点B；Q5和Q8为PNP型三极管，Q4、Q6、Q7为NPN型三极管；
或，电源电压转换模块的结构为：
Q6接于Q4的基极和发射极之间，稳压管ZD3正极接于地，负极接于节点B；稳压管ZD4正极接于节点B，负极接于VCC和节点A；Q5和Q8为PNP型三极管，Q4、Q6、Q7为NPN型三极管。
2.根据权利要求1所述的电磁加热电路，其特征在于，功率开关管为IGBT，IGBT控制极电压低于7V时，IGBT不能正常工作；IGBT控制极电压为9V时，IGBT集电极最大电流低于20A；IGBT控制极电压大于13V时，IGBT集电极电流呈直线上升且远大于20A。
3.根据权利要求2所述的电磁加热电路，其特征在于，VCC电压为18V时，ZD3、ZD4为9V稳压管。
4.一种电磁加热电路，包括：控制模块、功率开关管驱动模块、功率开关管、LC谐振模块和电源模块，控制模块控制功率开关管驱动模块驱动功率开关管，LC谐振模块与功率开关管相连，电源模块接入电路供电，其特征在于，电磁加热电路设置有电源电压转换模块，电源电压转换模块与电源模块相连，电源电压转换模块接收控制模块的信号周期性地变换功率开关管驱动模块的驱动电压；电源电压转换模块工作原理如下：
1)当PPG1输出高电平时，Q4、Q6饱和导通:Q4饱和导通，节点C为低电平，则Q5饱和导通；Q6饱和导通，节点E为低电平，则Q7截止，节点D处为高电平，Q8截止；电源电压转换模块的输出点节点F处的输出电压为节点A处的电压，即稳压二极管ZD3两端的电压；
2)当PPG1输出低电平时，Q4、Q6截止:Q4截止，节点C为高电平，则Q5截止；Q6截止，节点E为高电平，则Q7饱和导通，节点D处为低电平，Q8饱和导通；电源电压转换模块的输出点节点F处的电压为节点B处的电压，即稳压二极管ZD3、ZD4两端的电压和；
3)当PPG1输出高电平，电源电压转换模块输出电压为VCC电压；当PPG1输出低电平时，电源电压转换模块输出电压为VCC电压的一半；
其中，VCC电压为电源模块输出电压，ZD3、ZD4为相同型号的稳压管，Q5和Q8的导通压降忽略；
且电源电压转换模块的结构为：Q6接于Q4的基极和发射极之间；稳压管ZD3正极接于地，负极接于节点A；稳压管ZD4正极接于节点A，负极接于VCC和节点B；Q5和Q8为PNP型三极管，Q4、Q6、Q7为NPN型三极管；
或，电源电压转换模块的结构为：
Q6接于Q7的基极和发射极之间；稳压管ZD3正极接于地，负极接于节点B；稳压管ZD4正极接于节点B，负极接于VCC和节点A；Q5和Q8为PNP型三极管，Q4、Q6、Q7为NPN型三极管。
5.根据权利要求4所述的电磁加热电路，其特征在于，功率开关管为IGBT，IGBT控制极电压低于7V时，IGBT不能正常工作；IGBT控制极电压为9V时，IGBT集电极最大电流低于20A；IGBT控制极电压大于13V时，IGBT集电极电流呈直线上升且远大于20A。
6.根据权利要求5所述的电磁加热电路，其特征在于，VCC电压为18V时，ZD3、ZD4为9V稳压管。
7.一种电磁加热电路的控制方法，其特征在于：电磁加热电路的控制方法适用于权利要求2、3、5或6所述的电磁加热电路，具体实施方法如下，
1)电路工作在大功率状态时，PPG1输出低电平，PPG2输出控制信号通过功率开关管驱动模块控制功率开关管周期性的导通、截止；
2)电路工作在小功率状态时，交流电过零点时PPG1输出低电平，PPG2输出高电平，功率开关管停止工作；
3)自交流电过零点起5-10ms后，PPG1输出高电平，电源电压转换模块输出电压为9V，即功率开关管控制极电压为9V,PPG2输出控制信号通过控制功率开关管驱动模块驱动功率开关管周期性的导通、截止，此时电路为软启动状态；
4)到达过零点后但未到达下一个过零点前，PPG1输出低电平，电源电压转换模块输出电压为18V,即功率开关管控制极电压为18V，PPG2输出控制信号通过控制功率开关管驱动模块驱动功率开关管工作在饱和导通状态，进行正常工作；
5)等待下一次交流电过零点，返回步骤2)。
8.根据权利要求7所述的电磁加热电路的控制方法，其特征在于，步骤2)与步骤3)经历的时间和为一个及以上的交流电过零点所经过的时间。
9.根据权利要求7所述的电磁加热电路的控制方法，其特征在于，步骤4)到步骤5)时间间隔为一个及以上的交流电过零点所经过的时间。
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