CN203327278U

CN203327278U - 一种电磁炉功率开关管igbt的限压限流保护电路

Info

Publication number: CN203327278U
Application number: CN2013202794976U
Authority: CN
Inventors: 胡星; 胡剑
Original assignee: QIANXI NAN ORIGINAL ELECTRONICS TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: QIANXI NAN ORIGINAL ELECTRONICS TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2013-05-21
Filing date: 2013-05-21
Publication date: 2013-12-04
Anticipated expiration: 2023-05-21

Abstract

本实用新型公开了一种电磁炉功率开关管IGBT的限压限流保护电路，它由第一比较器U6C、第二比较器U6D、开关管电压保护的参考电压产生支路、开关管电压保护点取样支路、滤波器、电流保护分压支路以及功率开关管同步驱动模块组成。本实用新型的有益效果是：对功率开关管工作时的电压和电流进行实时的限制和保护，达到了快速实时保护的目的，让该设计方案下的功率开关管在工作时的每一个周期都能享受到过压和过流保护，实现了功率开关管在闭环控制环境中自动调节在安全状态下工作，进而提升了以普通的功率开关管如IGBT、MOSFET等为核心制作产品的性价比和稳定性，特别适用于制作克服恶劣电网环境能力强的电磁加热系统。

Description

一种电磁炉功率开关管IGBT的限压限流保护电路

技术领域

本实用新型涉及一种电磁炉功率开关管IGBT的限压限流保护电路，属于功率开关管控制技术领域。

背景技术

电磁炉是一种干净环保、节能高效、安全方便、无明火加热的一种厨具，电磁炉采用电磁感应加热，具体是将市电整流成的直流，如图2中的线圈盘L4的电感作用下通过IGBT高频斩波，从而让线盘产生高频变化的磁通穿个锅底，于是让锅底产生涡流来达到加热的目的。然而市面上的电磁炉，普遍让开关管工作在恒定时间开启的状态下，这在电压和功率较高时尤其电网异常时可能出现谐振电压超过IGBT的极限电压，最大电流超过IGBT的极限电流，从而造成IGBT的损坏，为了解决上述问题，市面上的一些知名厂家采用较高电压的IGBT，比如1350V的IGBT（典型型号H20R1353），对于电流，他们是通个软件采样计算后在通个调控起时间，这种方法让电磁炉的自身调节能力较差，一般靠给IGBT留出较大的余量来换取安全性，这个较大的余量是让生产商选用更高档次的IGBT（像刚才提到的H20R1353），然而这种方案曾在一定的弊端，电压方面，他们虽然选择IGBT的电压比普通的高（比如1350V的那种比普通1200V的高150V），但毕竟是有限制的，而且也没高到谐振远远超不过的那种地步；电流方面，虽然他们的电流采用软件计算后在去控制开启时间，这使得响应速度得不到及时响应，所以这种蛮干的方案制作出来的机子抗恶劣环境的能力并不高，而且高档次的IGBT除了货源来源难度提高之外，还隐藏着成本增加、维修后性能可能大幅度下降等缺点。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种电磁炉功率开关管IGBT的限压限流保护电路，能让功率开关管的工作电压和电流在开关管的每一个工作周期都能得到及时有效的限制和保护，达到实时保护的目的，实现闭环控制。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：一种电磁炉功率开关管IGBT的限压限流保护电路，它由第一比较器U6C、第二比较器U6D、开关管电压保护的参考电压产生支路、开关管电压保护点取样支路、滤波器、电流保护分压支路以及功率开关管同步驱动模块组成，其中，开关管电压保护的参考电压产生支路经分压电阻R91和分压电阻R94分压后接到第一比较器U6C的同相输入端，开关管电压保护点取样支路经分压电阻R92与分压电阻R93分压取样功率开关管的C极电压后接第一比较器U6C的反相输入端，电流保护分压支路由分压电阻R98、分压电阻R99和分压电阻R100以及参考电压组成，第一比较器U6C的输出端接到分压电阻R98与分压电阻R99的联接分压点，第二比较器U6D的反相输入端联接到分压电阻R99与分压电阻R100的联接分压点，功率开关管的E极经采样电阻将电流取样后联接到第二比较器U6D的同相输入端，第二比较器U6D的输出端联接到功率开关管同步驱动模块。

所述的开关管电压保护的参考电压产生支路由参考电压源、并联接在参考电压源上的分压电阻R91和分压电阻R94组成，其中，分压电阻R91与第一比较器U6C的同相输入端相连，分压电阻R94接地。

所述的开关管电压保护点取样支路由并联接在功率开关管的C极上的分压电阻R92和分压电阻R93组成，其中分压电阻R92与第一比较器U6C的反相输入端相连，分压电阻R93接地。

所述的分压电阻R98的一端接稳压后的参考电压，另一端接分压电阻R99，电阻R100和电容C47并联接在分压电阻R99上，另一端接地，电阻R100与电容C47构成参考电压滞后延迟电路。

所述的滤波器为低通滤波器，由电容C49和电阻R103组成。

所述的功率开关管同步驱动模块包括功率开关管信号比较电路、快充电保护电路、PWM滤波器、RC定时电路以及第三比较器U6B，其中，功率开关管信号比较电路一端与功率开关管的两个同步信号相连，一端与RC定时电路相连，RC定时电路由电阻R96和电容C48组成，快充电保护支路由上拉电阻R102、二极管D19、电阻R89、电阻R95、电阻R97、电阻R101、三级管Q16和三级管Q17组成，其中，上拉电阻R102和二极管D19串联后接在RC定时电路的电容C48上，二极管D19的阴极接C48和第三比较器U6B的反相输入端，第二比较器U6D的输出端联接到电阻R97和二极管D19的阳极节点上，第三比较器U6B的同相输入端与PWM滤波器相连，第三比较器U6B的输出端与功率开关管的扩流驱动电路相连。

本实用新型的有益效果在于：对功率开关管工作时的电压和电流进行实时的限制和保护，达到了快速实时保护的目的，让该设计方案下的功率开关管在工作时的每一个周期都能享受到过压和过流保护，实现了功率开关管在闭环控制环境中自动调节在安全状态下工作，进而提升了以普通的功率开关管如IGBT、MOSFET等为核心制作产品的性价比和稳定性，特别适用于制作克服恶劣电网环境能力强的电磁加热系统。

附图说明

图1为本实用新型的支路图；

图2为现有电磁炉功率开关管的支路连接图；

图3为市电整流后的波形图。

具体实施方式

下面结合附图进一步描述本实用新型的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。

如图1，一种电磁炉功率开关管IGBT的限压限流保护电路，它由第一比较器U6C、第二比较器U6D、开关管电压保护的参考电压产生支路、开关管电压保护点取样支路、滤波器、电流保护分压支路以及功率开关管同步驱动模块组成，其中，开关管电压保护的参考电压产生支路经分压电阻R91和分压电阻R94分压后接到第一比较器U6C的同相输入端，开关管电压保护点取样支路经分压电阻R92与分压电阻R93分压取样功率开关管的C极电压后接第一比较器U6C的反相输入端，电流保护分压支路由分压电阻R98、分压电阻R99和分压电阻R100以及参考电压组成，第一比较器U6C的输出端接到分压电阻R98与分压电阻R99的联接分压点，第二比较器U6D的反相输入端联接到分压电阻R99与分压电阻R100的联接分压点，功率开关管的E极经采样电阻将电流取样后联接到第二比较器U6D的同相输入端，第二比较器U6D的输出端联接到功率开关管同步驱动模块。

所述的滤波器为低通滤波器，由电容C49和电阻R103组成，这样可以增加支路的稳定性。

功率开关管以常用的电磁炉IGBT为例，图1中的同步信号A和同步信号B分别是从图2中的同步A与同步B经过合适的电阻分压而得到，在电磁炉关闭时，同步信号B的电压比同步信号A的电压要高，电磁炉同步信号会控制IGBT的电压震荡过零时开启，从而降低IGBT损耗。在不考虑保护支路时，开启时间是主要由PWM滤波器和RC回路时间常数来确定，其中PWM滤波器是单片机读起实际功率在通个对比用户设置来自动调整。在这个支路中，IGBT的C极电压就是图2中的同步B电压，调整R91和R94,R92和R93的分压，可将IGBT的C级电压控制在设计者理想的电压上，比如1000V，其方法是调整R92和R93，R91和R94，使得同步B的电压为1000V时U6C两端的电压相等，由上面的分析我们知道，同步B的电压受到通过IGBT的电流的限制，和市电电压的限制，归根到底主要是受控于开启时间和当时的市电电压，而市电整流后波形如图3，它是由0V不断增大，又减小，再增大这样循环的，所以同步B的电压（也就IGBT的C极电压，下面简称IGBT的电压）也是由小到大在持续增加的，当IGBT的电压超过1000V时，U6C就会将输出端通过内部接地，使得U6D的反响输入端电压迅速下降，C47通过R99放电，于是降低了电流的保护最大值，使得通过IGBT的电流还在较小的状态下让U6D输出开路，从而让R102对C48快速充电而关断IGBT，迫使谐振后的IGBT的电压不超过1000V，反之，当IGBT电压不会超过1000V时，U6C输出相当于开路，让电流的保护点自然提升到设计者设定的允许IGBT通过的最大电流状态，IGBT的E极所接的采样电阻如图1的R104(约为10豪欧)，其引出点网络标号为gl_AD,从上面的公式可知，当IGBT开启时，该引出点的电压是线性增长，电压大小是通过IGBTE极的电流与采样电阻10豪欧的乘积，针对20A的IGBT，通常其允许通过的脉冲极限电流是其允许工作电流的3倍，也就是60A，取20%的余量，也就是可将保护设置为48A左右，通过欧姆定律不难算出，在48A通过IGBT时，采样电阻两端的电压是48（安）*0.01（欧姆）=480毫伏，而这电压直接输入了U6D的同相输入端，所以当支路将U6D的反相输入端设置为480毫伏时，如果通过IGBT的电流超过48A，U6D就会输出开路，而上拉电阻R102就会通过D19对电容C48充电，由于R102非常小，所以很快就会让同步支路去关断IGBT，其关断时间相对与IGBT的工作时间而言是极短的，几乎可认为是瞬态的就关断了IGBT。而本支路图示上的参数对应的设置点是400毫伏，也就是保护电流设置在了40A，所以该支路将IGBT脉冲电流限制在40A，实际上上述的电压稍微大于1000V，而最大电流稍微大于40A，因为支路做出保护时毕竟需要一个较短的时间，其次C47是用来适当保持U6D反相输入端电压的。

现有的电磁炉功率部分如图2，市电经过全波整流后通个一个400uH左右的扼流圈和一个5uF的电容器平滑滤波，事实上，这个滤波器在电磁炉这么大的功率下是不能将整流后的脉冲直流平滑成恒定直流的，也就是当电磁炉带功率工作时，5uF与扼流圈接点处的电压不是恒定直流，其波形依然是非常接近整流桥刚出来那一点的脉冲直流波形如图3，根据di/dt*L=U这一公式，由于电压U不是恒定的，其频率是100Hz，而电磁炉的工作频率是20kHZ以上，这一频率比100Hz高出很多，而恒定时间开启方案的开通时间一般都小于30us，在这样短的时间，可将U的值看成恒定的值以便于分析，一旦U恒定了，这时di/dt*L=U这算式就可与变形为i=U/L*t，其中t为开启时间，i是开启t时间后电流的峰值，所以当开启时间一定，电压U变化时，其电流的峰值的变化是与电压U一致的，因此可以看出，在恒定时间开启IGBT的工作方案中，电压峰值时IGBT的电流最大，并且，在开启时间t调定时，最大电流就只由U来决定，这使得IGBT的安全受电网的威胁较大，这种靠软件计算电流有效值大小再调整开启时间的方案比开环控制没好多少，随之而来的是谐振状态时的最高电压也是在市电整流后的波峰处出现，而且谐振电压和线盘的电流成正比关系，理论基础是1/2*L*i² =1/2*C*U²,其中L为线盘工作时的综合电感量，C是谐振电容的容量，而开关管承受的最大电压是U（开关管）=U（市电整流后的当前值）+U（当前谐振最大电压值），因此在这种靠软件的跟踪响应较慢（至少以市电的半周期为计时单位，而在市电的半周期时间里，对于20KHz的电磁炉而言，IGBT已经工作了200个周期，更何况软件读有效电流需要数个甚至数十个市电周期来取平均值，这是个很大的数据，响应不够及时）的方案中，在市电整流后出现波峰的时候，尤其是电压较高的时候，无论从电压角度还是从电流角度，都对IGBT的安全造成威胁，这种慢响应的结果是导致电磁炉克服恶劣环境的能力和稳定性都较差。

Claims

1.一种电磁炉功率开关管IGBT的限压限流保护电路，其特征在于：它由第一比较器U6C、第二比较器U6D、开关管电压保护的参考电压产生支路、开关管电压保护点取样支路、滤波器、电流保护分压支路以及功率开关管同步驱动模块组成，其中，开关管电压保护的参考电压产生支路经分压电阻R91和分压电阻R94分压后接到第一比较器U6C的同相输入端，开关管电压保护点取样支路经分压电阻R92与分压电阻R93分压取样功率开关管的C极电压后接第一比较器U6C的反相输入端，电流保护分压支路由分压电阻R98、分压电阻R99和分压电阻R100以及参考电压组成，第一比较器U6C的输出端接到分压电阻R98与分压电阻R99的联接分压点，第二比较器U6D的反相输入端联接到分压电阻R99与分压电阻R100的联接分压点，功率开关管的E极经采样电阻将电流取样后联接到第二比较器U6D的同相输入端，第二比较器U6D的输出端联接到功率开关管同步驱动模块。

2.根据权利要求1所述的电磁炉功率开关管IGBT的限压限流保护电路，其特征在于：所述的开关管电压保护的参考电压产生支路由参考电压源、并联接在参考电压源上的分压电阻R91和分压电阻R94组成，其中，分压电阻R91与第一比较器U6C的同相输入端相连，分压电阻R94接地。

3.根据权利要求1所述的电磁炉功率开关管IGBT的限压限流保护电路，其特征在于：所述的开关管电压保护点取样支路由并联接在功率开关管的C极上的分压电阻R92和分压电阻R93组成，其中分压电阻R92与第一比较器U6C的反相输入端相连，分压电阻R93接地。

4.根据权利要求1所述的电磁炉功率开关管IGBT的限压限流保护电路，其特征在于：所述的分压电阻R98的一端接稳压后的参考电压，另一端接分压电阻R99，电阻R100和电容C47并联接在分压电阻R99上，另一端接地，电阻R100与电容C47构成参考电压滞后延迟电路。

5.根据权利要求1所述的电磁炉功率开关管IGBT的限压限流保护电路，其特征在于：所述的滤波器为低通滤波器，由电容C49和电阻R103组成。

6.根据权利要求1所述的电磁炉功率开关管IGBT的限压限流保护电路，其特征在于：所述的功率开关管同步驱动模块包括功率开关管信号比较电路、快充电保护电路、PWM滤波器、RC定时电路以及第三比较器U6B，其中，功率开关管信号比较电路一端与功率开关管的两个同步信号相连，一端与RC定时电路相连，RC定时电路由电阻R96和电容C48组成，快充电保护支路由上拉电阻R102、二极管D19、电阻R89、电阻R95、电阻R97、电阻R101、三级管Q16和三级管Q17组成，其中，上拉电阻R102和二极管D19串联后接在RC定时电路的电容C48上，二极管D19的阴极接C48和第三比较器U6B的反相输入端，第二比较器U6D的输出端联接到电阻R97和二极管D19的阳极节点上，第三比较器U6B的同相输入端与PWM滤波器相连，第三比较器U6B的输出端与功率开关管的扩流驱动电路相连。