CN206196077U - 开关驱动电路、控制电路和电磁炉 - Google Patents

开关驱动电路、控制电路和电磁炉 Download PDF

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Abstract

本实用新型涉及电路技术领域，公开了一种开关驱动电路、控制电路和电磁炉，该开关驱动电路的载体为PCB电路板，该开关用于控制电磁加热线圈的通断，该开关驱动电路用于接收控制信号，并根据该控制信号输入一驱动电压至所述开关，从而控制所述开关的导通或关断，该开关驱动电路包含阻性元件，位于所述开关驱动电路内和/或该所述开关驱动电路的驱动电压输出端，用于延长所述开关驱动电路自接收到所述控制信号至控制所述开关动作所需的时间，降低开关的导通或关断速度，降低电磁加热电路的地线信号的抖动，降低对电网及电网中其他电路的干扰，改善电路的电磁兼容性。

Description

开关驱动电路、控制电路和电磁炉
技术领域
本实用新型涉及电路技术领域，具体地，涉及一种开关驱动电路、控制电路和电磁炉。
背景技术
电器设备通过电源线连接至电网，电器设备自身产生的干扰信号可以通过电源线传到电网上，对网上其他设备构成危害。为此，制定了家电EMC(Electro Magneticcompatibility电磁兼容性)测试法规规定了传导测试频率范围，以保障电器设备接入电网不会对电网造成信号污染。EMC包括两个方面的要求：其一是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值；其二是指器具对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度，即电磁敏感性。
一方面，为了通过家电EMC测试，家电产商需要为家电产品增设EMC滤波电路。现有技术中一般是通过在电源端增设多级低通滤波电路，并且该多级低通滤波电路多采用基于共模电感的二阶滤波的方式，使得家电产品的能够通过EMC测试；但是，单纯采用多级低通滤波电路以提升家电的EMC余量，会导致生产成本增大，同时也增大了家电产品中电路设计的复杂程度。
另一方面，随着2016年新家电EMC测试法规的修订，将传导测试的频率范围由150kHz～30MHz变更为9KHz～30MHz。显然，针对旧家电EMC测试法规要求所设计的EMC滤波电路相对于家电产品的滤波效果已经无法满足EMC测试法规的要求。
由此可知，一款设计简单、成本低廉且提升电路EMC余量的电路设计方案是目前业界的热门研究方向。
需要说明的是，以上技术问题是本发明人在实践本实用新型的过程中所发现的。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种开关驱动电路、控制电路和电磁炉，该开关驱动电路，用以根据控制信号驱动开关的导通或关断，通过延长该开关驱动电路自接收到该控制信号到控制开关导通或关断的时间，达到降低开关的导通或关断速度的目的，降低电磁加热电路的地线信号的抖动，降低对电网及电网中其他电路的干扰，改善电路的电磁兼容性EMC。
为了实现上述目的，本实用新型提供一种开关驱动电路，该开关驱动电路的载体为PCB电路板，该开关连接电源和电磁加热线圈的电路中，该开关用于控制电磁加热线圈的通断，该开关驱动电路用于接收控制信号，并根据该控制信号输入一驱动电压至所述开关，从而控制所述开关的导通或关断，该开关驱动电路包含：阻性元件，位于所述开关驱动电路内和/或该所述开关驱动电路的驱动电压输出端，用于延长所述开关驱动电路自接收到所述控制信号至控制所述开关动作所需的时间。
优选地，该开关驱动电路包含：第一晶体管，该第一晶体管的栅极接收所述控制信号，集电极接电压源，发射极接地；以及第二晶体管及第三晶体管，该第二晶体管的集电极接电压源，发射极与所述第三晶体管的发射极相连，所述第三晶体管集电极接地，该第二晶体管及第三晶体管的栅极均连接至所述第一晶体管的集电极，其中所述驱动电压输出端位于所述第二晶体管的发射极与所述第三晶体管的发射极的连接点处。
优选地，所述阻性元件包含以下一者或多者：第一阻性元件，串联在所述驱动电压输出端与所述开关之间；第二阻性元件，串联在所述电压源与所述第二晶体管的集电极之间；以及第三阻性元件，串联在所述驱动电压输出端与所述第三晶体管的发射极之间。
优选地，所述阻性元件为电阻。
优选地，所述第一阻性元件的阻值为10欧姆-100欧姆。
优选地，所述第二阻性元件的阻值为10欧姆-100欧姆。
优选地，所述第三阻性元件的阻值为30欧姆-100欧姆。
优选地，所述开关为IGBT管、三极管或场效应管中的一种。
本实用新型还提供一种电磁加热家电控制电路，包括如上所述的驱动电路。
本实用新型还提供一种包含如上所述驱动电路的电磁炉。
优选地，所述开关为IGBT管，所述IGBT管发射极和集电极连接在电磁炉线圈和电源的回路中。
通过上述技术方案，开关用于控制电磁加热线圈的通断，开关驱动电路用于接收控制信号，并根据该控制信号输入驱动电压到所述开关，从而控制该开关的导通或关断，该开关驱动电路包含阻性元件，用于延长开关驱动电路自接收到所述控制信号到控制开关导通或关断所需的时间，以减小开关开通或关断的动作时间，降低电磁加热电路的地线信号的抖动，降低对电网及电网中其他电路的干扰，改善电路的电磁兼容性EMC。
本实用新型的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本实用新型实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本实用新型实施例，但并不构成对本实用新型实施例的限制。在附图中：
图1是本实用新型一实施例的电磁加热系统的结构示意图；
图2是本实用新型另一实施例的电磁加热系统的结构示意图；
图3A-3C是在开关驱动电路不同位置设置阻性元件的电路连接图；
图4A是本实用新型一种实施方式的开关驱动电路连接图；
图4B-4E是对在图4A中不同位置设置阻性元件的开关驱动电路连接图；
图5是本实用新型另一种实施方式的开关驱动电路连接图；
图6是本实用新型一种实施方式的电磁加热家电控制电路连接图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限制本实用新型。
本技术领域技术人员可以理解，本实用新型的说明书中使用的措辞“包括”是指存在上述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。
参见图1示出的是本实用新型一实施例的电磁加热系统的结构示意图，该电磁加热系统10包含线圈盘101、控制电路102和电源电路103，该线圈盘101包含内圈端子1011和外圈端子1012，电源电路103包含滤波器1031；其中外圈端子1011连接至滤波器1031，线圈盘的外圈端子1012连接至控制电路103。由于线圈盘在工作时，外圈端子的输出端子的输出电压高于内圈端子，例如：当将该电磁加热系统20接入市电网路时，在线圈盘201的内圈端子2011的输出电压为310V，以及线圈盘201的外圈端子2012的输出电压为1000V，而将本技术方案通过限定将线圈盘的高压输出端子连接至滤波器，相比于将滤波器连接至内圈端子，能够更加充分利用滤波器的滤波性能，大大减少线圈盘直接耦合到电源线上的干扰信号，提升电路的EMC余量；利用本实施例中限定线圈盘的端子接法以解决提升EMC余量的技术问题是目前业界没有公开的，而是本实用新型的发明人在实践本实用新型的过程中所发现的。
更具体地，参见图2示出的是电磁加热系统在一种具体实施例下的结构示意图，如图2所示，该电磁加热系统20包含有线圈盘201、直流电源电路203和控制电路202，在直流电源电路203中包含整流桥2032和滤波器2031，滤波器2031的输出端连接至线圈盘201的外圈端子2012,滤波器2031的输入端连接至整流桥2032，能够实现在直流电源203侧通过充分设置在线圈盘201的高压输出端子侧的滤波器，充分利用滤波器的滤波性能以改善电路的电磁滤波性能；控制电路202中包含连接至线圈盘201的内段端子的开关2021和与开关2021连接的开关驱动电路2022，其中开关驱动电路2022用于接收控制信号，并根据该控制信号输入一驱动电压至开关2021，从而控制该开关2021的导通或关断；由此实现基于控制电路202完成对线圈盘201的控制工作。
在本实用新型中，在未作相反说明的情况下，当下文中提及时，术语“开关”指的是可以通过电信号实现通断控制或者根据元器件自身的特性实现通断控制的开关，例如MOSFET、三极管或IGBT，或带有反并联续流二极管的IGBT；当下文中提及时，术语“阻尼元件”指任意通过对电流的流动起阻碍作用以降低电荷聚集速度、延长开关的控制端/栅极达到设定电压的装置，例如可以为电阻等。
这里需要特别说明的是，本实用新型的开关除可用于控制电磁加热线圈的通断，还可用于控制其他元器件或电路的通断。
对于接入电网的电路，在开关导通/关断的瞬间会对电网的其他负载的电流造成干扰。电磁加热家电通常采用控制开关导通/关断将直流电逆变为高频电流，将该高频电流通入电磁加热线圈的方式加热，开关的频繁通断使电网产生明显抖动，本实用新型继续公开的开关驱动电路可以进一步地改善电路电磁兼容性EMC，以减小电路对电网的干扰。
图3A-3C是本实用新型不同实施方式的开关驱动电路的连接图。如图3A-3C所示的本实用新型三种实施方式的开关驱动电路，该开关驱动电路的载体为PCB电路板，所述开关K用于控制电磁加热线圈的通断，该开关驱动电路用于接收控制信号，并根据该控制信号输入一驱动电压Ud至所述开关K，从而控制所述开关K的导通或关断，该开关驱动电路包含：阻性元件，位于所述开关驱动电路内和/或该所述开关驱动电路的驱动电压输出端，用于延长所述开关驱动电路自接收到所述控制信号至控制所述开关动作所需的时间。由此，本实用新型所提供的电磁加热系统创造性地将阻性元件应用在与开关驱动电路中，能够实现在一定程度上改善电路电磁兼容性，并结合本实用新型实施例上文所述的在线圈盘高压端一侧的滤波器，实现在线圈盘的两侧同时改善电路电磁兼容性，有效改善本实用新型实施例所提供的电磁兼容系统的电磁兼容性，并且本实用新型实施例中的EMC改善方案的实施也不需要投入较多的附加成本，有助于本实用新型技术方案的推广。
上述方案中，开关用于控制电磁加热线圈或其他元件与控制电源VCC连接，开关驱动电路接收控制信号PPG，并根据控制信号PPG将驱动电压VCC输入到开关K，以使开关K导通，实现控制电磁加热线圈或其他元件接入电源；开关驱动电路或根据控制信号PPG将驱动电压从开关K断开，以使开关K关断，实现控制电磁加热线圈或其他元件从电源断开。
为延迟开关的导通或关断，在所述开关驱动电路内或在所述驱动电路的驱动电压输出端Ud设置阻性元件，以对电流产生阻碍作用，使从开关驱动电路接收所述控制信号PPG到控制开关K导通/关断的时间延长，降低开关K的动作速度，减小对电网中其他电路/电器的干扰，改善电路的电磁兼容性。
图3A为在开关驱动电路的驱动电压输出端Ud设置阻性元件的电路连接图，图3B为在开关驱动电路内设置阻性元件的电路连接图，图3C为在开关驱动电路的驱动电压输出端Ud设置和开关驱动电路内设置阻性元件的电路连接图。
如图3A-3C所示，阻尼元件的设置，旨在减小驱动电路的电流，降低电路中电荷的聚集速度，使达到开关导通的电压的时间延长；以及在开关关断的瞬间，降低电路放电的速度，延长开关的关断时间。
图3A为本实用新型一种实施方式的开关驱动电路连接图。如图5所示的本实用新型一种实施方式的开关驱动电路，包括：第一晶体管T1，该第一晶体管T1的栅极接收所述控制信号PPG，集电极接电压源(+18V)，发射极接地；以及第二晶体管T2及第三晶体管T3，该第二晶体管T2的集电极接电压源(+18V)，发射极与所述第三晶体管T3的发射极相连，所述第三晶体管T2集电极接地，该第二晶体管T2及第三晶体管T3的栅极均连接至所述第一晶体管T1的集电极，其中所述驱动电压即电压源(+18V)输出端Ud位于所述第二晶体管T2的发射极与所述第三晶体管T3的发射极的连接点处。
上述方案中，由第一晶体管T1的栅极接收控制信号PPG，其发射极接地，集电极接电压源，电压源作为驱动电压，电压源例如可为18V的电源，第一晶体管T1栅极所接控制信号PPG例如可为高电平为5V、低电平为0V的方波；在控制信号PPG为低电平即0V时，第一晶体管T1关断时，第二晶体管T2导通，驱动电压(+18V)经第二晶体管T2输入到开关K，使开关导通；在控制信号PPG为高电平时，第一晶体管T1导通，第二晶体管T2栅极被拉至近地电压，第二晶体管T2关断，第三晶体管T3瞬时导通，开关经第三晶体管T3放电，放电结束后，开关K关断，第三晶体管T3关断。
图4B-4D是对在图4A的实施例的基础上设置阻性元件的电路连接图。如图4B所示的一种实施方式的开关驱动电路，包括第一阻性元件R1，串联在所述驱动电压输出端与所述开关K之间。即在第二晶体管T2和第三晶体管T3的发射极共接处和开关之间设置阻性元件R1，在控制信号PPG为低电平，第一晶体管T1关断而第二晶体管T2导通时，驱动电压经第二晶体管T2和第一阻性元件R1接入开关，驱动电压经第二晶体管T2到开关的电流减小，电荷积聚得到开关K导通所需电压的时间延长，从而延长开关K导通的时间；在控制信号PPG为高电平时，第一晶体管T1导通而第二晶体管T2关断时，第三晶体管T3瞬时导通，开关K经第一阻性元件R1和第三晶体管T3向地放电，因设置第一阻性元件R1，放电电流减小，放电速度减慢，从而延长放电结束的时间，使开关关断的时间延长。
上述实施例中，第一阻性元件R1设置为同时连接第二晶体管T2所在的导通支路和第三晶体管T3所在的关断支路，在导通支路和关断支路分别工作时，均接入两者，实现开关的导通和关断均被延迟，降低开关的导通和关断速度。
如图4C所示的一种实施方式的开关驱动电路，包括第二阻性元件R2，串联在所述电压源与所述第二晶体管T2的集电极之间。本实施例的开关驱动电路在导通支路上设置第二阻性元件，连接在第二晶体管T2的集电极和驱动电压之间，则在控制信号PPG为低电平，第一晶体管T1关断而第二晶体管T2导通时，驱动电压经第二阻性元件R2和第二晶体管T2接入开关，驱动电压经第二晶体管T2到开关的电流减小，电荷积聚达到开关导通所需电压的时间延长，从而延长开关K导通的时间。
如图4D所示的一种实施方式的开关驱动电路，包括第三阻性元件R3，串联在所述驱动电压输出端与所述第三晶体管T3的发射极之间。该实施例的开关驱动电路在关断支路设置阻性元件R3，在控制信号为高电平时，第一晶体管T1导通而第二晶体管T2关断时，第三晶体管T3瞬时导通，开关经第三阻性元件R3和第三晶体管T3向地放电，因设置第三阻性元件R3R3，放电电流减小，放电速度减慢，从而延长放电结束的时间，使开关关断的时间延长。
图4B-4D的针对阻性元件不同设置位置的实施例，三种阻性元件可单独设置，也可根据设计需要进行组合设置，例如同时设置第一阻性元件R1和第二阻性元件R2、同时设置第一阻性元件R1和第三阻性元件R3、同时设置第二阻性元件R2和第三阻性元件R3，或同时设置第一阻性元件R1、第二阻性元件R2和第三阻性元件R3。
图4E是本实用新型一种实施方式的开关驱动电路连接图，该实施例的开关驱动电路，同时设置第一阻性元件R1、第二阻性元件R2和第三阻性元件R3。该实施例的开关驱动电路，在控制信号为低电平，第一晶体管T1关断而第二晶体管T2导通时，驱动电压经第二阻性元件R2、第二晶体管T2和第一阻性元件R1接入开关，驱动电压经第二晶体管T2到开关的电流减小，电荷积聚得到开关导通所需电压的时间延长，从而延长开关K导通的时间；在控制信号为高电平时，第一晶体管T1导通而第二晶体管T2关断时，第三晶体管T3瞬时导通，开关K经第一阻性元件R1、第三阻性元件R3和第三晶体管T3向地放电，因设置第一阻性元件R1和第三阻性元件R3，放电电流减小，放电速度减慢，从而延长放电结束的时间，使开关关断的时间延长。
根据本实用新型一种实施方式，所述阻性元件为电阻。
根据本实用新型一种实施方式，所述开关可以为IGBT管、三极管或场效应管中的一种。
图4B-4E所示的实施例中，开关驱动电路驱动的开关采用IGBT。驱动电压输出端Ud输入到控制IGBT的栅极，以控制IGBT的导通或关断，上述方案中，设置R1、R2、R3以优化电路，改善电路的电磁兼容性。R3用于调节IGBT的关断速度，阻值越大，IGBT的关断速度越慢，改善EMC的效果越好。当R3小于30欧姆，对于EMC的改善效果不明显；大于100欧姆，IGBT的关断损耗会非常大，容易造成IGBT温度过高，所以，R3阻值选择范围30欧姆-100欧姆。
R2用于调节IGBT的导通速度，阻值越大，IGBT的导通速度越慢，EMC效果越好。当R2小于10欧姆，对于EMC的改善效果不明显；大于100欧姆，IGBT的关断损耗会非常大，容易造成IGBT温度过高，所以，R2阻值选择范围10欧姆～100欧姆。
R1用于调节IGBT的导通和关断速度，R1会同时调节导通和关断速度，阻值越大，IGBT的导通和关断速度越慢，EMC效果越好。当R1小于10欧姆，对于EMC的改善效果不明显；大于100欧姆，IGBT的导通和关断损耗会非常大，容易造成IGBT温度过高，所以，R1阻值选择范围10欧姆～100欧姆。
在实际调试时，R1、R2、R3根据测试结果在上述选值范围内时为最优值，兼顾对EMC的改善效果并不会对电路中开关IGBT温升造成较大的影响。
图5是本实用新型另一种实施方式的开关驱动电路连接图。如图5所示的一种实施方式的开关驱动电路，其中，开关K为带有反并联续流二极管VD的IGBT管。
根据本实用新型一种实施方式，还包括限流电阻R4、R5和R6，R4连接+18V电压源和第一晶体管T1的集电极，用以在第一晶体管T1导通时对第一晶体管T1所在的导通支路限流，对其进行过流保护，R5连接控制信号PPG和第一晶体管T1的栅极，对输入控制信号电流进行限制，R6一端连接开关的栅极，另一端和IGBT开关的发射极共接后接地。
图6是本实用新型一种实施方式的电磁加热家电控制电路，包含如上一种实施方式的开关驱动电路，开关为IGBT管，IGBT管的集电极连接至线圈盘的内圈端子，发射机连接至电源电路。单相交流电源经过整流后输出直流电(V+，V-)，经过π型滤波电路滤除谐波后，经开关IGBT输入到电磁线圈。通过控制信号经开关驱动电路控制开关IGBT的导通或关断，将直流电(V+，V-)逆变为高频电流，如20kHz以上的高频电流，通入电磁线圈将电信号转变成交变的电磁信号，被加热体上在交变的电磁信号中产生涡流及磁滞运动，因而产生热量。
上述实施方式中，将π型滤波电路与通过阻性元件延迟开关IGBT导通/关断的时间相结合的方式，能满足EMC要求且大大优化成本。
根据本实用新型一种实施方式，电磁加热家电为电磁炉。例如可以为其他电磁加热家电，如电饭煲、电压力锅或电水壶等。
开关IGBT是电磁炉的核心部件，单片机等处理单元输入控制信号PPG控制IGBT的开关，使得电磁炉线圈盘跟谐振电容形成谐振，让磁能转换成电能，在锅具底部产生涡流，转换成热能，使得锅具发热。IGBT的开关频率大概在20KHz～30KHz，如此高的开关频率，会对系统产生很大的电磁干扰。为了满足EMC要求，目前的做法是增加滤波电路，吸收IGBT产生的电磁干扰。
本实施方式的电磁炉的加热控制电路采用上述任一种实施方式的开关驱动电路，控制IGBT的导通/关断，通过延迟自接收到控制信号到IGBT导通/关断的时间，降低IGBT的开关速度，降低对系统产生的电磁干扰和造成的电网抖动，改善电路的电磁兼容性。
上述方案通过在开关电路设置阻性元件，设置方式较灵活、电路结构简单，改进成本较低。
以上结合附图详细描述了本实用新型的优选实施方式，但是，本实用新型并不限于上述实施方式中的具体细节，在本实用新型的技术构思范围内，可以对本实用新型的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本实用新型的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本实用新型对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本实用新型的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本实用新型的思想，其同样应当视为本实用新型所公开的内容。

Claims (11)

1.一种开关驱动电路，该开关驱动电路的载体为PCB电路板，用于控制电磁加热线圈的通断，该开关驱动电路用于接收控制信号，并根据该控制信号输入一驱动电压至所述开关，从而控制所述开关的导通或关断，其特征在于，该开关驱动电路包含：
阻性元件，位于所述开关驱动电路内和/或该所述开关驱动电路的驱动电压输出端，用于延长所述开关驱动电路自接收到所述控制信号至控制所述开关动作所需的时间。
2.根据权利要求1所述的开关驱动电路，其特征在于，该开关驱动电路包含：
第一晶体管，该第一晶体管的栅极接收所述控制信号，集电极接电压源，发射极接地；以及
第二晶体管及第三晶体管，该第二晶体管的集电极接电压源，发射极与所述第三晶体管的发射极相连，所述第三晶体管集电极接地，该第二晶体管及第三晶体管的栅极均连接至所述第一晶体管的集电极，
其中所述驱动电压输出端位于所述第二晶体管的发射极与所述第三晶体管的发射极的连接点处。
3.根据权利要求2所述的开关驱动电路，其特征在于，所述阻性元件包含以下一者或多者：
第一阻性元件，串联在所述驱动电压输出端与所述开关之间；
第二阻性元件，串联在所述电压源与所述第二晶体管的集电极之间；以及
第三阻性元件，串联在所述驱动电压输出端与所述第三晶体管的发射极之间。
4.根据权利要求3所述的开关驱动电路，其特征在于，所述阻性元件为电阻。
5.根据权利要求4所述的开关驱动电路，其特征在于，所述第一阻性元件的阻值为10欧姆-100欧姆。
6.根据权利要求4所述的开关驱动电路，其特征在于，所述第二阻性元件的阻值为10欧姆-100欧姆。
7.根据权利要求4所述的开关驱动电路，其特征在于，所述第三阻性元件的阻值为30欧姆-100欧姆。
8.根据权利要求1所述的开关驱动电路，其特征在于，所述开关为IGBT管、三极管或场效应管中的一种。
9.一种电磁加热家电控制电路，包括权利要求1-8中任一项权利要求所述的驱动电路。
10.一种电磁炉，其特征在于，该电磁炉包含根据权利要求9所述的电磁加热家电控制电路。
11.根据权利要求10所述的电磁炉，其特征在于，所述开关为IGBT管，所述IGBT管发射极和集电极连接在电磁炉线圈和电源的回路中。
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