電磁爐主諧振電路研究與功率控制

0 引言

由電力電子電路組成的電磁爐（Induction cooker）是一種利用電磁感應(yīng)加熱原理，對(duì)鍋體進(jìn)行渦流加熱的新型灶具。由于具有熱效率高、使用方便、無(wú)煙熏、無(wú)煤氣污染、安全衛(wèi)生等優(yōu)點(diǎn)，非常適合現(xiàn)代家庭使用。電磁爐的主電路是一個(gè)AC/DC/AC變換器，由橋式整流器和電壓諧振變換器構(gòu)成，本文分析了電磁爐主諧振電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作過(guò)程。

當(dāng)電磁爐負(fù)載（鍋具）的大小和材質(zhì)發(fā)生變化時(shí)，負(fù)載的等效電感會(huì)發(fā)生變化，這將造成電磁爐主電路諧振頻率變化，這樣電磁爐的輸出功率會(huì)不穩(wěn)定，常會(huì)使功率管IGBT過(guò)壓損壞。針對(duì)這種情況，本文提出了一種雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)和模糊控制方法，使負(fù)載變化時(shí)保持電磁爐的輸出功率穩(wěn)定。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果證明了該設(shè)計(jì)的有效性和可靠性。

1 電磁爐主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與工作過(guò)程

1．1 電磁爐主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

電磁爐的主電路如圖1所示，市電經(jīng)橋式整流器變換為直流電，再經(jīng)電壓諧振變換器變換成頻率為20～30kHz的交流電。電壓諧振變換器是低開(kāi)關(guān)損耗的零電壓型（ZVS）變換器，功率開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)動(dòng)作由單片機(jī)控制，并通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路完成。

電磁爐的加熱線圈盤(pán)與負(fù)載鍋具可以看作是一個(gè)空心變壓器，次級(jí)負(fù)載具有等效的電感和電阻，將次級(jí)的負(fù)載電阻和電感折合到初級(jí)，可以得到圖2所示的等效電路。其中R^＊是次級(jí)電阻反射到初級(jí)的等效負(fù)載電阻；L^＊是次級(jí)電感反射到初級(jí)并與初級(jí)電感L相疊加后的等效電感。

1．2 電磁爐主電路的工作過(guò)程

電磁爐主電路的工作過(guò)程可以分成3個(gè)階段，各階段的等效電路如圖3所示。研究一個(gè)工作周期的情況，定義主開(kāi)關(guān)開(kāi)通的時(shí)刻為t₀。

1.2.1 [t₀，t₁]主開(kāi)關(guān)導(dǎo)通階段

按主開(kāi)關(guān)零電壓開(kāi)通的特點(diǎn)，t₀時(shí)刻，主開(kāi)關(guān)上的電壓u_ce=0，則C_r上的電壓u_c=u_ce－U_dc=－U_dc。如圖3（a）所示，主開(kāi)關(guān)開(kāi)通后，電源電壓U_dc加在R^＊及L^＊支路和_Cr兩端。由于C_r上的電壓已經(jīng)是－U_dc，故C_r中的電流為0。電流僅從R^＊及L^＊支路流過(guò)。流過(guò)IGBT的電流i_s與流過(guò)L^＊的電流i_L相等。由圖3（a）得式（1）。

L^＊＋i_LR^＊=U_dc（1）

由初始條件i_L（t₀）=0，解得

i_L=（2）

式中：τ為時(shí)間常數(shù)。

可見(jiàn)，i_L按照指數(shù)規(guī)律單調(diào)增加。流過(guò)R^＊形成了功率輸出，流過(guò)L^＊而儲(chǔ)存了能量。到達(dá)t₁時(shí)刻，IGBT關(guān)斷，i_L達(dá)到最大值I_m。這時(shí)，仍有u₁=－U_dc，u_ce=0。i_L換向開(kāi)始流入C_r，但C_r兩端的電壓不能突變，因此，IGBT為零電壓關(guān)斷。

1.2.2 [t₁，t₂]諧振階段

IGBT關(guān)斷之后，L^＊和C_r相互交換能量而發(fā)生諧振，同時(shí)在R^＊上消耗能量，形成功率輸出。等效電路如圖3（b）及圖3（c）所示，我們也將其分為兩個(gè)階段來(lái)討論。波形如圖4中的i_L和u_c。

由圖3(b)、圖3(c)的等效電路可得到式（3）方程組。

L^＊＋i_LR^＊＋u_c=0

C_r=i_L（3）

由初始條件i_L(t₁)=I_m，u_c(t₁)=－U_dc，

解微分方程組式（3）并代入初始條件，可得下列結(jié)果：

u_c=sin〔ω(t－t₁)－φ〕（4）

φ=arctan^－1(5)

i_L=－ω₀C_rsin〔ω(t－t₁)－β－φ〕（6）

β=arctan^－1(ω/δ)（7）

IGBT上的電壓

u_ce=u_c＋U_dc=U_dc＋sin〔ω(t－t₁)－φ〕(8)

式中：δ為衰減系數(shù)；

ω₀=為電磁爐諧振頻率；

ω=為衰減振蕩角頻率；

φ是由電路的初始狀態(tài)和電路參數(shù)決定的初相角；

β是僅由電路參數(shù)決定的i_L滯后于u_c的相位角。