CN204887510U - 一种电磁线盘的加热控制电路及包含该电路的电磁炉 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种工作可靠、抗干扰能力强的电磁线盘的加热控制电路及包含该电路的电磁炉，所述加热控制电路包括驱动模块、半桥谐振模块、主控MCU，主控MCU输出PWM信号驱动驱动模块工作，驱动模块的输出端连接半桥谐振模块，其特征在于：所述加热控制电路还包括连接半桥谐振电路的电流相位采集单元，主控MCU连接电流相位采集单元获取半桥谐振电路的电流相位，主控MCU内设有信号捕捉比较定时器，信号捕捉比较定时器比较电流相位和PWM信号的相位差，主控MCU依据相位差调整PWM信号的频率。本电路通过采用高集成度的设计方案，通过实时调整电路的工作状态，提高了系统的可靠性和抗干扰能力。

Description

一种电磁线盘的加热控制电路及包含该电路的电磁炉

技术领域

本实用新型涉及小家电，特别是一种工作可靠、抗干扰能力强的电磁线盘的加热控制电路及包含该电路的电磁炉。

背景技术

目前家电领域的电磁加热装置主要以单管或者全桥方式，但是，这两种工作方式存在不可靠性，尤其是在中国的需要掂锅这种烹饪习惯的影响下，由于锅具与电磁线盘之间距离发生间歇性的变化，导致电路工作时，需要经常的调整功率，从而带来调整过程中可能因为驱动控制信号的相位错误使得IGBT在电流过零点之后误开通，导致IGBT过热烧坏。

针对该问题，目前市场上的主流方案是通过高频互感器产生电流相位初始信号，经过比较器后形成电流相位信号，此电流相位信号与驱动的PWM信号输入给相位比较器进行比较，得出一个电平信号，当电流相位滞后PWM信号时相位比较器输出高电平，反之输出低电平，系统检测这个电平信号来判断谐振状态，通过控制PWM频率使系统工作在感性状态。这种方式产生的相位比较信号只能说明电流相位是滞后还是超前于PWM相位，并不知道滞后或超前了多少，且在一定的功率档位时系统频繁的处于容性和感性状态来回切换的状态，给IGBT带来发热冲击，降低可靠性。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是现有的电磁炉控制电路功能简单，可靠性不高的问题，目的是提供一种工作可靠、抗干扰能力强的电磁线盘的加热控制电路。

为了达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种电磁线盘的加热控制电路，包括驱动模块、半桥谐振模块、主控MCU，主控MCU输出PWM信号驱动驱动模块工作，驱动模块的输出端连接半桥谐振模块中的上桥与下桥，所述加热控制电路还包括连接半桥谐振电路的电流相位采集单元，主控MCU连接电流相位采集单元获取半桥谐振电路的电流相位，主控MCU内设有信号捕捉比较定时器，信号捕捉比较定时器比较电流相位和PWM信号的相位差，主控MCU依据相位差调整PWM信号的频率。

进一步的，所述相位差包括电流相位超前PWM信号相位时的容性区域以及电流相位滞后PWM信号相位时的感性区域，相位差位于容性区域内，主控MCU增加PWM信号的频率。

进一步的，所述容性区域的范围为-180°≤△Ψ<5°。

进一步的，所述的电流相位采集单元包括高频脉冲电流传感器或高频互感器。

进一步的，所述的电流相位采集单元与主控MCU之间设有限流电阻。

进一步的，所述主控MCU输出驱动半桥谐振模块的上桥和下桥轮流工作的互补带死区的两个PWM信号。

进一步的，主控MCU内设有连接信号捕捉比较定时器与PWM信号输出口的信号线。

进一步的，所述主控MCU设有信号捕捉比较定时器的输入端口，该输入端口连接PWM信号输出口。

此外，本实用新型还提供了一种包括上述电磁线盘的加热控制电路的电磁炉。

采用上述技术方案的有益效果是：通过采用高集成度的设计方案，减少了外围器件的数量，具体是通过MCU内部ADC、DAC、比较器、定时器、等模块对电流信号进行预校准、整形、捕捉比较，精准的跟踪电流相位与电压相位的差值，当锅具负载发生变化时，通过调节驱动频率来确保电流相位滞后于电压相位一定的角度，使系统始终工作在弱感性状态，提高系统的可靠性和能效。

附图说明

下面结合附图对本实用新型作进一步的说明：

图1为本实用新型的电路结构框图；

图2为实施例一的电路结构示意图；

图3为实施例一的系统设置程序流程示意图；

图4为实施例一的波形示意图；

图5是实施例一的软件中断程序流程图；

图6为实施例二的电路结构示意图；

图7为实施例三的电路结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型的技术方案作进一步的解释说明：

实施例一：

如图1所示，一种电磁线盘的加热控制电路，包括电源模块，半桥谐振模块，驱动模块，以及相位采集处理模块，所述电源模块与半桥谐振模块连接，负责将交流市整流成直流电为半桥谐振电路模块提供工作电源，所述相位采集处理模块与半桥谐振模块连接，采集处理半桥谐振模块产生的信号，并产生第一PWM信号向驱动模块发送，所述驱动模块的信号输入端与相位采集处理模块连接，信号输出端与半桥谐振模块连接，通过所述第一PWM信号驱动半桥谐振电路模块中的上桥与下桥进行工作，此外，所述的相位采集处理模块中还设有滤波电路，所述半桥谐振模块经滤波电路后与主控MCU连接。所述加热控制电路的工作状态包括电流相位超前PWM信号相位时的容性区域与电流相位滞后PWM信号相位时的感性区域，当所述相位差位于容性区域内，所述主控MCU增加PWM信号的频率，维持电路处于感性工作状态。

在本实施例中，所述加热控制电路中主控MCU调整的相位差△Ψ范围为-180°≤△Ψ<5°。需要说明的是：所述“-180°”指的是电流相位滞后PWM信号相位负180度，也可以理解为电流相位超前PWM信号正180度，所述相位差△Ψ为0时，其实质与滞后或者超前180度的整数倍相同，此时半桥谐振模块正好处于谐振状态，此时为容性区域与感性区域的临界状态，前述内容均为本领域内技术人员所公知。此外，当系统处于容性区域与感性区域的临界状态或者该临界状态附近的感性不稳定区域，系统可能会受外部干扰而容易进入容性区域，因此，在排除谐振状态的同时，还需要排除一定范围的感性不稳定区域。在本实施例中，当相位差范围处于0°<△Ψ<5°时设置为不稳定区域，具体的，当电流相位滞后PWM信号相位小于800nS时，每周期增加1Hz，当电流相位滞后PWM信号相位小于500nS时，每周期增加2Hz，当电流相位超前PWM信号相位时，每周期增加20Hz。

所述的相位采集模块设有电流信号获取单元，所述电流信号获取单元为高频脉冲电流传感器，该电流传感器设置在线盘XP与IGBT公共端之间进行线盘电流检测，所述的相位采集处理模块设有主控MCU，所述主控MCU内设有CPU、ADC、DAC、PWM、比较器、定时器T1与寄存器。具体的，所述的MCU优选采用STM32F3系列芯片。所述主控MCU采集比较高频脉冲电流传感器的输出信号与所述第一PWM信号，调整输出第二PWM信号，所述驱动模块相应调整驱动信号，保持整个电路在工作在弱感性状态。需要说明的是，所述MCU控制产生的是一对互补带死区的PWM，所述PWM信号轮流驱动半桥谐振电路中的上桥与下桥工作，所述PWM驱动型号波形如图4中所示的信号X1、X2，引脚2输出X2信号，引脚1输出X1信号，驱动模块将所述的互补带死区的PWM转化为高压PWM开关信号，对谐振模块的IGBT进行轮流开关，通过设置互补带死区的一对PWM信号，防止两个IGBT同时工作导致电路故障。所述主控MCU设有信号捕捉比较定时器的输入端口，该输入端口连接PWM信号输出口，从主控MCU的外部获得PWM的输出电压相位，当然，也可以是所述主控MCU内设有连接信号捕捉比较定时器与PWM信号输出口的信号线，在主控MCU内部直接获得PWM的输出电压相位。优选的，采用从主控MCU的引脚3串联一个电阻后从引脚4引入与所述捕捉比较定时器连接来获得PWM输出电压相位。

具体的，如图2所示，所述半桥谐振电路模块包括两个IGBT、加热线圈XP、谐振电容和滤波电容，整个半桥谐振电路的工作原理是通过IGBT1和IGBT2的轮流开关，使线盘产生交变电流对第一电容C1、第四电容C4进行充放电，线盘中的交变电流使线盘上方形成一个交变的主磁场，处于交变磁场中的铁磁负载因产生锅流而发热，此外，所述的电流传感器K1引脚5为输出引脚，当引脚1、2之间的电流为0时，引脚5上输出一个偏置电压，该偏置电压值介于0V与VCC值之间,在本实施例中，该偏置电压设为VCC/2。

所述半桥谐振模块的工作过程是：

1)IGBT2开通，线盘对电容C1、C4放电，电流传感器K1电流从引脚1流向引脚2，电流逐渐增大。电流传感器K1引脚5的输出电压随着引脚1、2之间电流的增大而线性增加。

2)IGBT2关闭，线盘中的电流随着平衡电容C2、C5之间电压的升高而逐渐减小，电流传感器K1引脚5的输出电压也逐渐降低。

3)插入死区。

4)IGBT1开通，线盘对C1、C4充电，电流传感器K1电流从引脚2流向引脚1，电流逐渐增大，电流传感器K1引脚5的输出电压随着引脚2、1之间电流的增大而线性减小。

5)IGBT1关闭，线盘中的电流随着平衡电容C2、C5之间电压的降低而逐渐减小，电流传感器K1引脚5的输出电压也逐渐升高。

6)插入死区。

7)重复上述1-6的工作过程。

结合图2、3、4所示，所述相位采集处理模块中的电流传感器K1输出引脚5串联第五电阻R5后和主控MCU的引脚1相连，并与ADC同时连接第一比较器A1的正向输入端，第一DAC1连接第一比较器A1的反向输入端，电流传感器K1的输出信号W1经过比较器后输出信号W2，所述定时器T1捕捉比较第二比较器的输出端信号W2与PWM的输出电压信号X1，并将结果信号Y1传递给CPU，所述CPU相应的调整输出驱动PWM信号频率。

所述相位采集处理模块工作过程是：

1)系统上电后，初始偏置为VCC/2的电流传感器K1输出信号经过引脚1的ADC模块，将实际的偏置电压值采集好后保存在主控MCU的通用寄存器中。

2)主控MCU的第一DAC1模块根据ADC模块采集到的电流传感器K1输出初始电压值V0，并在此值的基础上减去一参考电压值后的值V1作为第一DAC1模块的值，用于比较器A1的反向输入端做为电流相位整形的比较电压。具体的，本实施例中，所述参考电压值范围为0mV～200mV，当系统正常工作用于做电流相位检测时，此V1值为V0；当系统处于检锅工作流程时，此V1值为(V0-200mV)。

3)主控MCU中的PWM模块首先从引脚3、2发出互补带死区的驱动PWM信号驱动谐振模块2进行工作，同时两路PWM中的低端驱动引脚4通过引脚3输出端串联第六电阻R6后输入给集成MCU中的定时捕捉引脚。

4)当主控MCU的引脚3输出高电平时，若谐振电路工作在感性状态，引脚1的电平从小于(VCC/2-V0)向上增加，延时一段时间达到(VCC/2-V0)，此时比较器输出从低变成高，并将此信号通过外部引脚或芯片内部输出给捕捉比较定时器，此信号称之为电流相位。这个延时就是本案中所述的电流相位与驱动PWM的相位差。

5)捕捉比较定时器逐周期的对引脚4的反馈信号和电流相位的相位差值信号Y1，确定谐振模块的工作状态。当系统检测到电流相位滞后于主控MCU引脚3的电压相位，系统处于感性工作状态，系统可以可靠的进行工作。当检测到电流相位超前于主控MCU引脚3的电压相位，系统处于容性工作状态，IGBT1、IGBT2开关损耗急剧增大，温升迅速上升，短时间内IGBT就会因为过热而烧毁，系统完全失效。当检测到电流相位滞后主控MCUU引脚3的电压相位时间小于一设定值时，主控MCU的CPU模块会增加PWM信号的频率，直到电流相位滞后主控MCU引脚3的电压相位时间大于设定的值。具体的，该设定值的取值范围为0.2～2μS。

通过上述相位采集处理模块的工作方式，确保系统永远不会进入到容性工作状态。

如图2所示，所述的相位采集处理模块中还设有滤波电路，所述半桥谐振模块经滤波电路后与主控MCU连接，所述滤波电路用于辨识电源模块中的输出电源不稳定区段，在该区段内相位控制电路不执行相位比较。这是由于在实际工作过程中，电源模块中的电容值较小，整流后的电压并非一稳定的电压，该电压存在波谷和波峰，当系统工作点在波谷时，线圈电流值非常小，可能达到几十毫安，导致传感器的输出信号也很小，再由于比较器的偏置电压的作用，使波谷处的相位信号失真。因此，为避免使系统产生误操作，引入由D1，R10，R11，C10组成的一个滤波电路，并将此信号输入第二比较器A2比较器的同向端，反向端由第二DAC2产生一个固定的电平与同向端的信号进行比较，产生一个电平信号用于标识失真区域，系统在此标识的失真区域将由软判定不执行相位比较操作。

具体的，所述的滤波电路包括：第一晶体管D1、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十电容C10；所述第一晶体管D1的正极连接电流信号获取单元电压信号输出端，第一晶体管D1的负极分别串联第十电阻R10与第十一电阻R11后接地，第十电阻R10、第十一电阻R11的公共端连接主控MCU的第二比较器的正相输入端，同时，第十电阻R10并联有第十电容C10，第二DAC2连接比较器的反相输入端，并将该DAC单元的固定电平与同相输入端的信号比较后产生用于标示相位信号失真时的电平信号，在该电平信号时，相位检测电路不执行相位比较。

如图5所示，当系统进入软件中断程序后，首先执行电压波谷的判断，当系统工作点在波谷时，直接中断返回，准备下一次判断；若系统工作在正常工作状态，则分别读取捕捉的引脚4的相位值B1和比较器输出端的相位值B2并进行比较，倘若B2大于B1，且两则之间的差值小于B1的半个周期，则可知该系统处于感性工作状态，无需调整PWM，否则，该系统处于容性工作状态，调整提高PWM驱动频率后准备下一次判断。

实施例二：

如图所示，本实施例与第一实施例的区别在于所述的电流所述的电流信号获取单元为高频互感器，此时的电路结构如6所示，在相位采集处理模块的处理过程2中，当系统处于检锅工作流程时，此V1值为V0+200mV；

高频互感器相对于高频脉冲电流传感器成本更低廉，同样可以实现电流相位的检测。高频互感器可以进行非饱和输出，可做无功功率检测，结合系统的有功功率可以用于检测系统搬锅，并实现掂锅时加热功率恒定。

实施例三：

如图7所示，本实施例与第二实施例的区别在于所述的高频互感器采用差动比较方式输出，采用这种方式，电流的频率响应更快，经过比较器输出的电流相位信号能够更准确。

此外，本实用新型还提供了一种包括上述电磁线盘的加热控制电路的电磁炉，采用所述加热控制电路的电磁炉可靠性高，工作稳定。

除上述优选实施例外，本实用新型还有其他的实施方式，本领域技术人员可以根据本实用新型作出各种改变和变形，只要不脱离本实用新型的精神，均应属于本实用新型所附权利要求所定义的范围。

Claims (9)

1.一种电磁线盘的加热控制电路，包括驱动模块、半桥谐振模块、主控MCU，主控MCU输出PWM信号驱动驱动模块工作，驱动模块的输出端连接半桥谐振模块中的上桥与下桥，其特征在于：所述加热控制电路还包括连接半桥谐振电路的电流相位采集单元，主控MCU连接电流相位采集单元获取半桥谐振电路的电流相位，主控MCU内设有信号捕捉比较定时器，信号捕捉比较定时器比较电流相位和PWM信号的相位差，主控MCU依据相位差调整PWM信号的频率。

2.根据权利要求1所述的一种电磁线盘的加热控制电路，其特征在于相位差包括电流相位超前PWM信号相位时的容性区域以及电流相位滞后PWM信号相位时的感性区域，相位差位于容性区域内，主控MCU增加PWM信号的频率。

3.根据权利要求2所述的一种电磁线盘的加热控制电路，其特征在于所述容性区域的范围为-180°≤△Ψ<5°。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的一种电磁线盘的加热控制电路，其特征在于所述的电流相位采集单元包括高频脉冲电流传感器或高频互感器。

5.根据权利要求4所述的一种电磁线盘的加热控制电路，其特征在于所述的电流相位采集单元与主控MCU之间设有限流电阻。

6.根据权利要求1至3任意一项所述的一种电磁线盘的加热控制电路，其特征在于所述主控MCU输出驱动半桥谐振模块的上桥和下桥轮流工作的互补带死区的两个PWM信号。

7.根据权利要求1至3任意一项所述的一种电磁线盘的加热控制电路，其特征在于主控MCU内设有连接信号捕捉比较定时器与PWM信号输出口的信号线。

8.根据权利要求1至3任意一项所述的一种电磁线盘的加热控制电路，其特征在于主控MCU设有信号捕捉比较定时器的输入端口，该输入端口连接PWM信号输出口。

9.一种电磁炉，其特征在于包括权利要求1-8中任意一项所述的电磁线盘的加热控制电路。