CN108668394B - 电磁加热系统及其功率开关管的启动装置和启动方法 - Google Patents

电磁加热系统及其功率开关管的启动装置和启动方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电磁加热系统中功率开关管的启动装置，包括：过零检测单元，过零检测单元用于检测输入的交流电的过零点以生成过零检测信号；驱动单元，驱动单元与功率开关管的控制极相连以驱动功率开关管开通或关断；控制单元，控制单元分别与过零检测单元和驱动单元相连，控制单元用于根据过零检测信号获取过零区间，并在过零区间内以从小到大的方式增加输出至驱动单元的控制信号的脉冲宽度，以使驱动单元驱动功率开关管在过零区间内逐渐完成启动，能够使得功率开关管在启动时减小冲击电流，并且噪音小，保证电磁加热系统的安全可靠运行。本发明还公开了一种电磁加热系统和一种电磁加热系统中功率开关管的启动方法。

Description

电磁加热系统及其功率开关管的启动装置和启动方法
技术领域
本发明涉及生活电器技术领域，特别涉及一种电磁加热系统中功率开关管的启动装置、一种电磁加热系统以及一种电磁加热系统中功率开关管的启动方法。
背景技术
在电磁加热谐振系统中，功率开关管例如IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管)是最关键的器件，其可靠性关系到整个产品的运行稳定。IGBT一般采用大电流、高电压运作机制，故障率也是居高不下。
通常IGBT的启动过程非常关键，启动不顺利则会损伤IGBT，日积月累就会造成损坏。因为IGBT在启动瞬间其冲击电流非常大，不仅会产生损伤，还会产生噪音，所以电磁加热产品在启动瞬间通常噪音会比较大，若是频繁启动，影响将更加严重。
因此，需要对电磁加热系统中IGBT的启动方式进行改进。
发明内容
本发明旨在至少从一定程度上解决上述技术中的技术问题之一。为此，本发明的第一个目的在于提出一种电磁加热系统中功率开关管的启动装置，能够使得功率开关管在启动时减小冲击电流，并且噪音小，保证电磁加热系统的安全可靠运行。
本发明的第二个目的在于提出一种电磁加热系统中功率开关管的启动方法。本发明的第三个目的在于提出一种电磁加热系统。
为达到上述目的，本发明一方面实施例提出的一种电磁加热系统中功率开关管的启动装置，包括：过零检测单元，所述过零检测单元用于检测输入的交流电的过零点以生成过零检测信号；驱动单元，所述驱动单元与所述功率开关管的控制极相连以驱动所述功率开关管开通或关断；控制单元，所述控制单元分别与所述过零检测单元和所述驱动单元相连，所述控制单元用于根据所述过零检测信号获取过零区间，并在所述过零区间内以从小到大的方式增加输出至所述驱动单元的控制信号的脉冲宽度，以使所述驱动单元驱动所述功率开关管在所述过零区间内逐渐完成启动。
根据本发明实施例的电磁加热系统中功率开关管的启动装置，通过过零检测单元检测输入的交流电的过零点来生成过零检测信号，控制单元根据过零检测信号获取过零区间，并在过零区间内以从小到大的方式逐步增加输出至驱动单元的控制信号的脉冲宽度，使得驱动单元驱动功率开关管在过零区间内逐渐完成启动，从而使得功率开关管在过零区间内慢慢开启，进而可以减小功率开关管启动时的冲击电流，降低启动时产生的噪音，保证电磁加热系统安全可靠运行，并且还能够满足通过频繁启动来产生低功率的电磁加热产品的需求。
根据本发明的一个实施例，所述过零检测单元用于对通过整流桥全波整流后的交流电进行过零检测，其中，所述过零检测单元在检测到所述整流后的交流电的电压小于预设的参考电压时生成下降沿信号，并在检测到所述整流后的交流电的电压大于预设的参考电压时生成上升沿信号，连续的下降沿信号与上升沿信号之间的区域为所述过零区间。
根据本发明的一个实施例，在所述过零区间内所述控制单元输出至所述驱动单元的控制信号的初始脉冲宽度为0.1us～4us，在所述过零区间内所述控制单元输出至所述驱动单元的控制信号的最大脉冲宽度为5us～10us。
具体地，在所述过零区间内所述控制单元输出至所述驱动单元的控制信号的初始脉冲宽度为1us，在所述过零区间内所述控制单元输出至所述驱动单元的控制信号的最大脉冲宽度为5us。
根据本发明的一个实施例，所述功率开关管为IGBT。
为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种电磁加热系统中功率开关管的启动方法，其中，所述功率开关管在驱动单元的驱动下开通或关断，所述方法包括以下步骤：检测输入的交流电的过零点以生成过零检测信号；根据所述过零检测信号获取过零区间，并在所述过零区间内以从小到大的方式增加输出至所述驱动单元的控制信号的脉冲宽度，以使所述驱动单元驱动所述功率开关管在所述过零区间内逐渐完成启动。
根据本发明实施例的电磁加热系统中功率开关管的启动方法，通过检测输入的交流电的过零点来生成过零检测信号，然后根据过零检测信号获取过零区间，并在过零区间内以从小到大的方式逐步增加输出至驱动单元的控制信号的脉冲宽度，使得驱动单元驱动功率开关管在过零区间内逐渐完成启动，从而使得功率开关管在过零区间内慢慢开启，进而可以减小功率开关管启动时的冲击电流，降低启动时产生的噪音，保证电磁加热系统安全可靠运行，并且还能够满足通过频繁启动来产生低功率的电磁加热产品的需求。
根据本发明的一个实施例，根据所述过零检测信号获取过零区间，包括：对通过整流桥全波整流后的交流电进行过零检测；在检测到所述整流后的交流电的电压小于预设的参考电压时生成下降沿信号，并在检测到所述整流后的交流电的电压大于预设的参考电压时生成上升沿信号，其中，连续的下降沿信号与上升沿信号之间的区域为所述过零区间。
根据本发明的一个实施例，在所述过零区间内输出至所述驱动单元的控制信号的初始脉冲宽度为0.1us～4us，在所述过零区间内输出至所述驱动单元的控制信号的最大脉冲宽度为5us～10us。
具体地，在所述过零区间内输出至所述驱动单元的控制信号的初始脉冲宽度为1us，在所述过零区间内输出至所述驱动单元的控制信号的最大脉冲宽度为5us。
此外，本发明实施例还提出了一种电磁加热系统，其包括上述的电磁加热系统中功率开关管的启动装置。
本发明实施例的电磁加热系统，通过上述功率开关管的启动装置，能够使得功率开关管在过零区间内慢慢开启，从而可以减小功率开关管启动时的冲击电流，降低启动时产生的噪音，确保安全可靠运行，并且还能够满足通过频繁启动来产生低功率的电磁加热产品的需求。
附图说明
图1为根据本发明一个实施例的电磁加热系统中功率开关管的启动装置的方框示意图；
图2为根据本发明一个实施例的IGBT启动时的工作波形示意图；以及
图3为根据本发明实施例的电磁加热系统中功率开关管的启动方法的流程图。
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。
下面参照附图来描述根据本发明实施例提出的电磁加热系统中功率开关管的启动装置、具有该启动装置的电磁加热系统以及电磁加热系统中功率开关管的启动方法。
图1为根据本发明一个实施例的电磁加热系统中功率开关管的启动装置的方框示意图。如图1所示，该电磁加热系统中功率开关管的启动装置包括：过零检测单元10、驱动单元20和控制单元30。
其中，过零检测单元10用于检测输入的交流电的过零点以生成过零检测信号，驱动单元20与功率开关管40的控制极相连以驱动功率开关管40开通或关断，控制单元30分别与过零检测单元10和驱动单元20相连，控制单元30用于根据过零检测信号获取过零区间，并在过零区间内以从小到大的方式增加输出至驱动单元20的控制信号的脉冲宽度，以使驱动单元20驱动功率开关管40在过零区间内逐渐完成启动。
具体地，在本发明的一个实施例中，如图1所示，功率开关管40可以是IGBT，IGBT的G极与驱动单元20相连，IGBT的E极接地，IGBT的C极连接到谐振电容C1和线圈盘L1，谐振电容C1和线圈盘L1并联连接以构成谐振单元50，谐振单元50的一端连接滤波单元60，谐振单元50的另一端与IGBT的C极相连，滤波单元60包括滤波电感L2和滤波电容C2，滤波单元60对经过整流桥整流后的交流电进行滤波处理以输出高压直流电。
需要说明的是，由于输入的交流电例如市电其波形是正弦波，正弦波在经过零点时，其电压为零伏，若是开关能在零点附近动作，对于器件来说损伤是最小的。因此，在本发明的实施例中，在IGBT启动时，先寻找市电输入的零点，并在零点附近将控制信号的脉冲宽度由小到大慢慢增加，以使IGBT在过零区间内慢慢完成开启，从而使得IGBT工作在最优的状态，并且不产生噪音，提高电磁加热产品的舒适性。
根据本发明的一个实施例，结合图1和图2所示，过零检测单元10用于对通过整流桥全波整流后的交流电进行过零检测，其中，过零检测单元10在检测到整流后的交流电的电压小于预设的参考电压VREF时生成下降沿信号，并在检测到整流后的交流电的电压大于预设的参考电压VREF时生成上升沿信号，连续的下降沿信号与上升沿信号之间的区域为过零区间。
具体地，如图2所示，VG为IGBT的G极波形信号，VZ为市电整流滤波后的信号，V+为市电整流后的信号，VREF为预设的参考电压，当V+小于VREF时，过零检测单元10产生下降沿信号，当V+大于VREF时，过零检测单元10产生上升沿信号，两个信号的区域作为市电过零点识别区即过零区间，且过零区间对应IGBT的启动区间。
并且，如图2所示，V+为市电经过整流桥全波整流后的波形，频率为市电频率的两倍，经过滤波电感L2和滤波电容C2滤波后的波形为VZ，VZ在工作前由于C2的作用，一直维持在较高的直流电压，当V+小于参考电压VREF时，认为过零点到来，此时控制单元30通过调节IGBT的控制信号的脉冲宽度从小到大，使得IGBT慢慢开启，由于在过零区间内V+电压很低，所以VZ电压将被慢慢泄放掉，泄放完后IGBT正式工作。
在本发明的一个实施例中，如图2所示，当V+到达t1时刻，VG脉冲宽度先给启动的最小值，然后再慢慢递增，其中，在过零区间内控制单元30输出至驱动单元20的控制信号的初始脉冲宽度可以为0.1us～4us；当V+到达t3时刻，VG脉冲宽度达到启动的最大值，此时启动结束，后续将进入正常工作模式，其中，在过零区间内控制单元30输出至驱动单元20的控制信号的最大脉冲宽度为5us～10us。
具体地，在本发明的一个示例中，比如启动时的最小脉冲宽度设定为1us，最大脉冲宽度设定为5us，启动过程即为在t1～t3时刻，脉冲宽度从1us到5us递增，即言，在过零区间内控制单元30输出至驱动单元20的控制信号的初始脉冲宽度为1us，在过零区间内控制单元30输出至驱动单元20的控制信号的最大脉冲宽度为5us。
也就是说，在本发明的实施例中，IGBT每次启动都必须在t1～t3时间范围内完成，但可以理解的是，并非必须从t1开始，t3结束。也可以是从t1时刻开始，t2时刻结束启动，或者从t2时刻开始，t3时刻结束启动，还可以是从t1时刻至t2时刻之间的任意时刻开始，到t2时刻至t3时刻之间的任意时刻结束启动。
因此，本发明实施例的电磁加热系统中功率开关管的启动装置，能够在过零区间内即IGBT的启动过程内通过逐步增加控制信号的脉冲宽度，来实现IGBT慢慢开启，可以减小功率开关管启动时的冲击电流，降低启动时产生的噪音，适用于通过频繁开启来产生低功率的电磁加热系统，例如可应用于电磁电饭煲、电磁炉、电磁压力锅等电磁加热产品中。
根据本发明实施例的电磁加热系统中功率开关管的启动装置，通过过零检测单元检测输入的交流电的过零点来生成过零检测信号，控制单元根据过零检测信号获取过零区间，并在过零区间内以从小到大的方式逐步增加输出至驱动单元的控制信号的脉冲宽度，使得驱动单元驱动功率开关管在过零区间内逐渐完成启动，从而使得功率开关管在过零区间内慢慢开启，进而可以减小功率开关管启动时的冲击电流，降低启动时产生的噪音，保证电磁加热系统安全可靠运行，并且还能够满足通过频繁启动来产生低功率的电磁加热产品的需求。
图3为根据本发明实施例的电磁加热系统中功率开关管的启动方法的流程图。其中，功率开关管例如IGBT在驱动单元的驱动下开通或关断。如图3所示，该电磁加热系统中功率开关管的启动方法包括以下步骤：
S1，检测输入的交流电的过零点以生成过零检测信号。
S2，根据过零检测信号获取过零区间，并在过零区间内以从小到大的方式增加输出至驱动单元的控制信号的脉冲宽度，以使驱动单元驱动功率开关管在过零区间内逐渐完成启动。
需要说明的是，由于输入的交流电例如市电其波形是正弦波，正弦波在经过零点时，其电压为零伏，若是开关能在零点附近动作，对于器件来说损伤是最小的。因此，在本发明的实施例中，在IGBT启动时，先寻找市电输入的零点，并在零点附近将控制信号的脉冲宽度由小到大慢慢增加，以使IGBT在过零区间内慢慢完成开启，从而使得IGBT工作在最优的状态，并且不产生噪音，提高电磁加热产品的舒适性。
在本发明的一个实施例中，根据所述过零检测信号获取过零区间，包括：对通过整流桥全波整流后的交流电进行过零检测；在检测到所述整流后的交流电的电压小于预设的参考电压时生成下降沿信号，并在检测到所述整流后的交流电的电压大于预设的参考电压时生成上升沿信号，其中，连续的下降沿信号与上升沿信号之间的区域为所述过零区间。
具体地，如图2所示，VG为IGBT的G极波形信号，VZ为市电整流滤波后的信号，V+为市电整流后的信号，VREF为预设的参考电压，当V+小于VREF时，过零检测单元产生下降沿信号，当V+大于VREF时，过零检测单元产生上升沿信号，两个信号的区域作为市电过零点识别区即过零区间，且过零区间对应IGBT的启动区间。
在本发明的一个实施例中，在所述过零区间内输出至所述驱动单元的控制信号的初始脉冲宽度为0.1us～4us，在所述过零区间内输出至所述驱动单元的控制信号的最大脉冲宽度为5us～10us。
优选地，在所述过零区间内输出至所述驱动单元的控制信号的初始脉冲宽度可以为1us，在所述过零区间内输出至所述驱动单元的控制信号的最大脉冲宽度可以为5us。
根据本发明实施例的电磁加热系统中功率开关管的启动方法，通过检测输入的交流电的过零点来生成过零检测信号，然后根据过零检测信号获取过零区间，并在过零区间内以从小到大的方式逐步增加输出至驱动单元的控制信号的脉冲宽度，使得驱动单元驱动功率开关管在过零区间内逐渐完成启动，从而使得功率开关管在过零区间内慢慢开启，进而可以减小功率开关管启动时的冲击电流，降低启动时产生的噪音，保证电磁加热系统安全可靠运行，并且还能够满足通过频繁启动来产生低功率的电磁加热产品的需求。
此外，本发明实施例还提出了一种电磁加热系统，其包括上述的电磁加热系统中功率开关管的启动装置。
本发明实施例的电磁加热系统，通过上述功率开关管的启动装置，能够使得功率开关管在过零区间内慢慢开启，从而可以减小功率开关管启动时的冲击电流，降低启动时产生的噪音，提高了舒适性，确保安全可靠运行，并且还能够满足通过频繁启动来产生低功率的电磁加热产品的需求。
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 (8)

1.一种电磁加热系统中功率开关管的启动装置，其特征在于，包括：
过零检测单元，所述过零检测单元用于检测输入的交流电的过零点以生成过零检测信号；
驱动单元，所述驱动单元与所述功率开关管的控制极相连以驱动所述功率开关管开通或关断；
控制单元，所述控制单元分别与所述过零检测单元和所述驱动单元相连，所述控制单元用于根据所述过零检测信号获取过零区间，并在所述过零区间内以从小到大的方式增加输出至所述驱动单元的控制信号的脉冲宽度，以使所述驱动单元驱动所述功率开关管在所述过零区间内逐渐完成启动，
所述过零检测单元用于对通过整流桥全波整流后的交流电进行过零检测，其中，所述过零检测单元在检测到所述整流后的交流电的电压小于预设的参考电压时生成下降沿信号，并在检测到所述整流后的交流电的电压大于预设的参考电压时生成上升沿信号，连续的下降沿信号与上升沿信号之间的区域为所述过零区间，并在所述过零区间内以从小到大的方式逐步增加输出至所述驱动单元的控制信号的脉冲宽度。
2.根据权利要求1所述的电磁加热系统中功率开关管的启动装置，其特征在于，在所述过零区间内所述控制单元输出至所述驱动单元的控制信号的初始脉冲宽度为0.1us～4us，在所述过零区间内所述控制单元输出至所述驱动单元的控制信号的最大脉冲宽度为5us～10us。
3.根据权利要求2所述的电磁加热系统中功率开关管的启动装置，其特征在于，在所述过零区间内所述控制单元输出至所述驱动单元的控制信号的初始脉冲宽度为1us，在所述过零区间内所述控制单元输出至所述驱动单元的控制信号的最大脉冲宽度为5us。
4.根据权利要求1所述的电磁加热系统中功率开关管的启动装置，其特征在于，所述功率开关管为IGBT。
5.一种电磁加热系统，其特征在于，包括根据权利要求1-4中任一项所述的电磁加热系统中功率开关管的启动装置。
6.一种电磁加热系统中功率开关管的启动方法，其特征在于，所述功率开关管在驱动单元的驱动下开通或关断，所述方法包括以下步骤：
检测输入的交流电的过零点以生成过零检测信号；
根据所述过零检测信号获取过零区间，并在所述过零区间内以从小到大的方式增加输出至所述驱动单元的控制信号的脉冲宽度，以使所述驱动单元驱动所述功率开关管在所述过零区间内逐渐完成启动，
根据所述过零检测信号获取过零区间，包括：对通过整流桥全波整流后的交流电进行过零检测；在检测到所述整流后的交流电的电压小于预设的参考电压时生成下降沿信号，并在检测到所述整流后的交流电的电压大于预设的参考电压时生成上升沿信号，其中，连续的下降沿信号与上升沿信号之间的区域为所述过零区间。
7.根据权利要求6所述的电磁加热系统中功率开关管的启动方法，其特征在于，在所述过零区间内输出至所述驱动单元的控制信号的初始脉冲宽度为0.1us～4us，在所述过零区间内输出至所述驱动单元的控制信号的最大脉冲宽度为5us～10us。
8.根据权利要求7所述的电磁加热系统中功率开关管的启动方法，其特征在于，在所述过零区间内输出至所述驱动单元的控制信号的初始脉冲宽度为1us，在所述过零区间内输出至所述驱动单元的控制信号的最大脉冲宽度为5us。
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