CN109769317B - 一种加热控制电路和具有其的电磁加热装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种加热控制电路和具有其的电磁加热装置，加热控制电路包括：谐振加热模块；整流滤波模块，对交流电源进行整流滤波处理；过零检测模块，用于检测交流电源的过零点并输出过零信号；功率开关管，用于控制所述谐振加热模块进行谐振工作；功率开关管驱动电路；主控模块，与所述过零检测模块、功率开关管驱动电路相连；主控模块向所述功率开关管驱动电路发送驱动信号，以驱动功率开关管的开通和关断；驱动变压电路，与所述过零检测模块连接，由过零检测模块输出的过零信号导通，以使得功率开关管的开通为降压开通。本发明使功率开关管的开通电流减小，降低硬开通带来的损害。
Description
技术领域
本发明属于电磁加热技术领域，具体涉及一种加热控制电路和具有该加热控制电路的电磁加热装置。
背景技术
目前，电磁炉大多都是采用单IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管，功率开关管)的电磁谐振电路进行工作，并且通常采用并联谐振方式。目前行业内存在如下问题：当电磁炉工作时，IGBT开通瞬间会产生瞬态电流，在某些极端条件，该瞬态电流会很大，超出IGBT的承受能力，导致IGBT损坏；IGBT开通有噪音，导致IGBT发热严重，需要加强对IGBT散热(如增大散热片、增加风机转速等)以实现IGBT的温升要求；由于滤波电容存在，IGBT开通时存在硬开通现象，容易导致IGBT烧毁。
现有技术中，有小功率连续加热的方案，主要是通过改变IGBT驱动电压的方案。典型的方案是，过零检测模块检测到过零信号送入主控芯片，主控芯片对目标功率进行判断，当目标功率小于预设功率(即工作在小功率状态)时，主控芯片控制驱动变压电路工作，此时每个周期进入三个阶段：放电阶段、加热阶段、停止阶段，主控芯片在放电阶段时通过控制驱动变压电路把IGBT的电压变为第一驱动电压，并在IGBT的集电极电压振荡到最小时控制IGBT在第二驱动电压的驱动下进行工作，使得IGBT变压启动，从而降低IGBT损坏的风险，减少开通噪音。
然而这种方法有弊端，一是避免不了大功率时也会出现IGBT的脉冲电流过大，开通损耗较大的情况；二是由主控芯片控制驱动电压软件资源有较高的需求，占用软件资源较多；三是通过软件方式实现电平转换可靠性低。
因此，可靠性强、性能稳定，与占用资源少是一对矛盾，如何在保障电路可靠性、降低IGBT损坏风险的情况下，减少占用软件或硬件资源，降低成本，实现IGBT的简单可靠的小功率驱动，是非常重要的。
发明内容
为解决现在技术存在的上述问题，本发明提供了一种结构简单、使用方便的加热控制电路。
本发明采用的技术方案是：
一种加热控制电路，用于电磁加热装置的加热控制，包括：
谐振加热模块；
整流滤波模块，所述整流滤波模块对交流电源进行整流滤波处理；
过零检测模块，用于检测交流电源的过零点并输出过零信号；
功率开关管，用于控制所述谐振加热模块进行谐振工作；
功率开关管驱动电路；
主控模块，与所述过零检测模块、功率开关管驱动电路相连；主控模块向所述功率开关管驱动电路发送驱动信号，以驱动功率开关管的开通和关断；
驱动变压电路，与所述过零检测模块连接，由过零检测模块输出的过零信号导通，以使得功率开关管的开通为降压开通。采用过零检测信号生成硬件信号，降压开通，实现小功率加热，与软件控制2个驱动电压的方式相比，占用更少的软件资源，减少IO口，方案简单且节省成本，减弱开机噪音，使用过程中可靠。
具体地，所述功率开关管降压开通的电压为第一驱动电压，所述驱动变压电路关断时功率开关管开通的电压为第二驱动电压，第二驱动电压大于第一驱动电压。第一驱动电压小于第二驱动电压，降压驱动时减少对功率开关管的开机噪音和过流损耗。
进一步，在第一驱动电压下，所述功率开关管工作在放大区；在第二驱动电压下，所述功率开关管工作在饱和区。在放电阶段，通过IGBT的驱动变压电路使IGBT的驱动电压变小到第一驱动电压，使IGBT工作在放大阶段而不是饱和阶段，当IGBT集电极电压振荡到最小时，进入加热阶段，此时IGBT的驱动变压电路使IGBT的驱动电压变大到第二驱动电压，这时IGBT工作在饱和阶段。
具体地，所述过零检测模块对交流电源进行整流后检测过零点得到过零信号。处理整流后的直流信号的过零点得到过零信号更为可靠且低成本。
具体地，所述驱动变压电路包括第一三级管、第一稳压管，所述第一三级管的集电极接第一稳压管、发射极接地。第一三级管起到开关作用，第一稳压管稳定电压使信号稳定，接地保证电位。
具体地，所述功率开关管驱动电路具有电源模块。电源模块为第二驱动电压的电压源。
具体地，所述功率开关管驱动电路在功率开关管的门极和发射极之间并接有第二稳压管。第二稳压管稳定接入功率开关管门极的电压，使其过压时稳定在某一值。
进一步，所述驱动信号处于低电平时，所述电源模块导通。低电平导通的逆向开关方式为优化方案，是更为稳定的一种实施方式。
具体地，所述驱动信号的输出端连接第二三级管的基极，所述第二三极管的基极和发射极之间并接有第三稳压管，且第二三级管的发射极接地。第二三级管、第三稳压管起到开关和对驱动信号过压保护的作用。
此外，提出一种电磁加热装置，其包括上述的电磁加热装置的加热控制电路。该种电磁加热装置包含以上加热控制电路，实现该加热控制电路所具备的功能。
本发明的有益效果是：本发明的一种加热控制电路，在电磁加热装置加热时以变压驱动的方式实现功率开关管启动开通，使得功率开关管的开通电流减小，可以降低功率开关管硬开通带来的损害；占用软件资源较少，带有多路保护，电控结构稳定可靠。具体如下：
1、以变压驱动的方式实现IGBT启动开通，使得IGBT的开通电流减小，可以降低IGBT硬开通带来的损害；
2、可降低开通噪音，避免IGBT发热严重，提高了电磁加热装置的运行可靠性；
3、不需要主控芯片的软件资源，过零信号为硬件信号，节约控制芯片的IO口，降低成本，并提高可靠性；
4、通过硬件电路改变IGBT驱动电压，可靠性高。
附图说明
图1是本发明实施例的主控模块的控制流程框图。
图2是本发明实施例的整体控制流程原理示意图。
图3是本发明实施例的包含过零检测模块、功率开关管、功率开关管驱动电路、驱动变压电路和主控模块的电路图。
图4是本发明实施例在过零信号为低电平情况下的IGBT驱动波形、IGBT的C极电压和C极电流的波形对比图。
图5是本发明实施例在过零信号为高电平情况下的PPG输出、IGBT驱动波形、IGBT的C极电压和C极电流的波形对比图。
图6是本发明实施例的IGBT驱动波形柱状图。
图中：100-功率开关管，200-过零检测模块，300-功率开关管驱动电路，31-第二三极管，32-第三稳压管，33-电容组，34-第二稳压管，400-驱动变压电路，41-第一三极管，42-第一稳压管，500-主控模块，60-谐振加热模块，70-整流滤波模块。
具体实施方式
下面结合具体实施例来对本发明进行进一步说明，但并不将本发明局限于这些具体实施方式。本领域技术人员应该认识到，本发明涵盖了权利要求书范围内所可能包括的所有备选方案、改进方案和等效方案。
实施例一
参照图1～6，一种加热控制电路，用于电磁加热装置的加热控制，包括：谐振加热模块60、整流滤波模块70、过零检测模块200、功率开关管100、功率开关管驱动电路300、驱动变压电路400和主控模块500。
所述整流滤波模块70对交流电源进行整流滤波处理后，供给所述谐振加热模块60进行工作；所述过零检测模块200用于检测交流电源的过零点，截取过零点的电信号，并输出电平信号形式的过零信号。
所述功率开关管100用于控制所述谐振加热模块60进行谐振工作，功率开关管100优选为IGBT。
所述主控模块500与所述过零检测模块200、功率开关管驱动电路300相连；主控模块500向所述功率开关管驱动电路300发送驱动信号，该驱动信号优选为PPG信号，具有周期性交替出现的高电平和低电平，以驱动功率开关管100的开通和关断。
所述驱动变压电路400与所述过零检测模块200连接，由过零检测模块200输出的过零信号导通，以使得功率开关管100的开通为降压开通。
所述功率开关管100降压开通的电压为第一驱动电压，所述驱动变压电路400关断时功率开关管100开通的电压为第二驱动电压，第二驱动电压大于第一驱动电压。
也即，在驱动变压电路400开通时，功率开关管100开通的电压为第一驱动电压；
在驱动变压电路400关断时，功率开关管100在驱动信号下开通的电压为第二驱动电压。
具体地，所述驱动信号的输出端串联一个电阻R10后连接第二三级管31的基极，所述第二三极管31的发射极和R10并联有第三稳压管32，且第二三级管31的发射极接地，第三稳压管32的稳压电压为5V；所述驱动信号的输出端之后、第三稳压管32与R10的并接点之前，并接电阻R11的一端；所述功率开关管驱动电路300具有电源模块，电源模块的电压为18V，电阻R11的另一端连接电源模块；电源模块还连接有一对电容组33和一个电阻R9的一端，所述电容组33包括并联的电容C300和电容C301，其中电容C300为极性电容，其正极连接电源模块，其负极接地；
所述功率开关管驱动电路300还具有三级管Q2和三级管Q3，其中第二三极管31和三极管Q3是NPN三极管，三极管Q2为PNP三极管；所述第二三极管31的集电极连接三级管Q2的基极，三极管Q2的发射极连接三极管Q3的发射极，所述电阻R9的另一端连接三极管Q2的基极和三极管Q3的基极；而三极管Q3的集电极连接一对并联的电阻R7、R8的一端，R7、R8的另一端连接电源模块；三极管Q2的集电极连接一对并联的电阻R3、R4的一端，R3、R4的另一端接地；三极管Q2的发射极和三极管Q3的发射极之间，还串联电阻R2的一端，电阻R2的另一端连接功率开关管100的门极。
所述功率开关管驱动电路300在功率开关管100的门极和发射极之间并接有第二稳压管34和电阻R1，第二稳压管34的稳压电压为18V，功率开关管100的发射极接地。
具体地，所述驱动变压电路400在过零信号的输出端串联一个电阻R6后连接第一三级管41的基极，所述第一三极管41的基极和发射极之间并联有电阻R5，所述第一三极管41的发射极接地；所述第一三极管41的集电极连接第一稳压管42的一端，第一稳压管42的另一端连接功率开关管100的门极。
作为一种实施方式，在第一驱动电压下，所述功率开关管100工作在放大区；在第二驱动电压下，所述功率开关管100工作在饱和区。
作为一种实施方式，所述驱动信号处于低电平时，所述电源模块导通；低电平导通的方式与本方案的电路相对应，根据实际情况还可以选择高电平导通的方式。
作为一种实施方式，所述过零检测模块200对交流电源进行整流后得到直流信号，一般采用两只二极管进行全波整流，然后检测直流信号的过零点得到过零信号。
电路工作原理：主控模块500控制发送驱动信号给功率开关管驱动电路300，该驱动信号的周期在0.05ms左右，本实施例中的功率开关管驱动电路300，在驱动信号高电平情况下，18V的电源模块断开，功率开关管驱动电路300断开，不起作用，在驱动信号低电平的情况下导通，18V电源模块导通，并最终由电阻R2输入电压到IGBT。同时，过零检测模块200持续检测整流滤波模块70处理得到的整流直流信号，并输出过零信号到驱动变压电路400，过零信号的周期大约在2～3ms，也即是说在一个过零信号的高电平或低电平持续时间内，将历经多个驱动信号；在过零信号高电平情况下，驱动变压电路400导通，经第一稳压管41稳压，使功率开关管输入9V驱动电压，此时IGBT的工作状况由驱动变压电路和功率开关管驱动电路共同决定；在过零信号处于低电平的情况下，驱动变压电路400关断，IGBT的工作状况仅由功率开关管驱动电路300的工作情况确定。
在过零信号处于高电平，驱动变压电路400导通的情况下，如PPG信号(驱动信号)为高电平，则功率开关管驱动电路300关断，18V的电源模块断开，体系处于断开状态，过零信号不起作用，IGBT的驱动波形处于低电平；如PPG信号为低电平，则功率开关管驱动电路300导通，18V电源模块导通，过零信号起作用，IGBT驱动波形处于高电平，IGBT在第一驱动电压9V下工作。
在过零信号处于低电平，驱动变压电路400断开的情况下，功率开关管驱动电路300单独起作用，PPG信号为高电平，则18V电源模块断开，IGBT驱动波形处于低电平；PPG信号为低电平，则18V电源模块导通，IGBT驱动波形处于高电平，IGBT在第二驱动电压18V下工作。
此外，基于以上电路和控制方法，开发出一种电磁加热装置，其包括上述的电磁加热装置的加热控制电路，该种电磁加热装置包含以上加热控制电路，实现该加热控制电路所具备的功能，具体可以为电磁炉，或者基于电磁加热家用电器，如电磁饭煲、电磁压力煲等。
加热控制原理：
在每个控制周期，控制电磁加热装置依次进入放电阶段、加热阶段。其中，在放电阶段，通过驱动变压电路400使IGBT的驱动电压变小到第一驱动电压，使IGBT工作在放大区；IGBT的集电极电压振荡到最小时，进入加热阶段，功率开关管驱动电路300使IGBT的驱动电压变大到第二驱动电压，这时IGBT工作在饱和区，正常工作。到下个工作周期时，又是先进入放电阶段、加热阶段，如此反复。具体如下：
过零检测模块200在交流电源的过零点前对过零信号进行处理(如延时放大等)，从而控制驱动变压电路400以使IGBT在第一驱动电压的驱动下进行工作，并在IGBT的集电极电压振荡到最小时驱动变压电路400停止工作，以使IGBT在第二驱动电压的驱动下进行工作，第二驱动电压大于第一驱动电压。从而在电磁加热装置加热时以变压驱动的方式实现IGBT启动开通，使得IGBT的开通电流减小，可以降低IGBT硬开通带来的损害，同时还可降低开通噪音，避免IGBT发热严重，提高了电磁加热装置的运行可靠性，并能拓宽电磁加热装置的加热功率范围。
图6为IGBT的驱动展开波形，所述功率开关管100的一个工作周期包括接续的第一时间t1和第二时间t2，t1即为放电阶段，t2为加热阶段，t1要明显短于t2，因为过零信号即为在整流直流信号的过零点附近截取一段所得。作为优选，在t1，所述第一驱动电压的幅值不变，第一驱动电压的脉冲宽度递增或等宽；在t2，所述第二驱动电压的幅值不变，第二驱动电压的脉冲宽度递增或等宽。在主控模块500给功率开关管驱动电路300发送驱动信号时，先要参考主控模块500接收到的过零信号，避免驱动变压电路400和功率开关管驱动电路300工作时不匹配，确保每个周期都是先进入放电阶段再进入加热阶段。t1即过零信号处于高电平的时间段，t2即过零信号处于低电平的时间段。
该方案的驱动变压电路只依靠过零检测模块发送硬件信号，无论机器处在什么状态，过零检测模块都在控制着驱动变压电路，这样可以提高可靠性，并且节约控制芯片的IO口，降低成本。
应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种加热控制电路，用于电磁加热装置的加热控制，其特征在于，包括：
谐振加热模块；
整流滤波模块，所述整流滤波模块对交流电源进行整流滤波处理；
过零检测模块，用于检测交流电源的过零点并输出过零信号；
功率开关管，用于控制所述谐振加热模块进行谐振工作；
功率开关管驱动电路；
主控模块，与所述过零检测模块、功率开关管驱动电路相连；主控模块向所述功率开关管驱动电路发送驱动信号，以驱动功率开关管的开通和关断；
驱动变压电路，与所述过零检测模块连接，由过零检测模块输出的过零信号导通，以使得功率开关管的开通为降压开通。
2.根据权利要求1所述的一种加热控制电路，其特征在于：所述功率开关管降压开通的电压为第一驱动电压，所述驱动变压电路关断时功率开关管开通的电压为第二驱动电压，第二驱动电压大于第一驱动电压。
3.根据权利要求2所述的一种加热控制电路，其特征在于：在第一驱动电压下，所述功率开关管工作在放大区；在第二驱动电压下，所述功率开关管工作在饱和区。
4.根据权利要求1所述的一种加热控制电路，其特征在于：所述过零检测模块对交流电源进行整流后检测过零点得到过零信号。
5.根据权利要求1所述的一种加热控制电路，其特征在于：所述驱动变压电路包括第一三级管、第一稳压管，所述第一三级管的集电极接第一稳压管、发射极接地。
6.根据权利要求1所述的一种加热控制电路，其特征在于：所述功率开关管驱动电路具有电源模块。
7.根据权利要求1所述的一种加热控制电路，其特征在于：所述功率开关管驱动电路在功率开关管的门极和发射极之间并接有第二稳压管。
8.根据权利要求6所述的一种加热控制电路，其特征在于：所述驱动信号处于低电平时，所述电源模块导通。
9.根据权利要求1所述的一种加热控制电路，其特征在于：所述驱动信号的输出端连接第二三级管的基极，所述第二三极管的基极和发射极之间并接有第三稳压管，且第二三级管的发射极接地。
10.一种电磁加热装置，其特征在于，包括根据权利要求1～9任一项所述的一种加热控制电路。
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