ADI的iCoupler技術(shù)實(shí)現(xiàn)電磁爐和用戶(hù)接口的安全隔離
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時(shí)間：2013-04-07
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雖然目前電感技術(shù)得到了良好的發(fā)展和驗(yàn)證，但是在設(shè)計(jì)電磁爐應(yīng)用電路時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須掌握不同范圍的物理原理和設(shè)計(jì)技術(shù)。雖然電磁爐實(shí)現(xiàn)的原理相對(duì)簡(jiǎn)單，但是其技術(shù)卻涉及眾多不同的領(lǐng)域，包括模擬和數(shù)字信號(hào)處理、電氣保護(hù)和隔離。
例如，安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定用戶(hù)接口和電源之間的隔離，其中需要實(shí)現(xiàn)三個(gè)方面的隔離：
·控制邏輯所需的低壓電源的隔離
·絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）功率級(jí)與其控制信號(hào)之間的隔離
·用戶(hù)控制和系統(tǒng)控制器之間的隔離
一個(gè)安全的系統(tǒng)必須能夠滿(mǎn)足至少上述兩個(gè)條件。本文將討論幾種創(chuàng)新的解決方案，它們能夠?qū)崿F(xiàn)IGBT門(mén)級(jí)驅(qū)動(dòng)器與用戶(hù)接口之間的隔離。
系統(tǒng)說(shuō)明
電感元件與變壓器類(lèi)似，能夠產(chǎn)生磁場(chǎng)。在將金屬鍋置于磁場(chǎng)中時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生渦電流，電能轉(zhuǎn)換為熱能，通過(guò)金屬的熱傳導(dǎo)來(lái)加熱食物。由電學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看，電感元件驅(qū)動(dòng)有損LC諧振電路，損耗產(chǎn)生了熱量。圖1所示電感加熱系統(tǒng)框圖。
圖1 電感加熱系統(tǒng)
變壓器是主傳感器，它與電磁爐磁板串聯(lián)連接，監(jiān)測(cè)流過(guò)磁板的電流值，以便于針對(duì)用戶(hù)選擇的烹飪選項(xiàng)保持適當(dāng)?shù)碾娏髦怠Ｔ诒匾獣r(shí)降低電流，以避免出現(xiàn)過(guò)流條件，這可以防止損壞功率級(jí)，即電磁爐的磁板和IGBT。
由于磁板、鍋和變壓器的電感和電容構(gòu)成了諧振LC電路，因此某些人可能認(rèn)為設(shè)定L和C的值即能夠確定感應(yīng)頻率。但是，電感和電容值以及由此導(dǎo)致的諧振頻率取決于用戶(hù)使用的鍋的尺寸、形狀和材料。因此，通過(guò)用戶(hù)接口選擇的不同的加熱等級(jí)不能由固定頻率設(shè)定。一種更有效的方法是通過(guò)電流測(cè)量確定的功耗，以此設(shè)定加熱的等級(jí)。微控制器通過(guò)反饋回路調(diào)節(jié)電流，使其對(duì)應(yīng)于用戶(hù)選擇的加熱等級(jí)。微控制器調(diào)節(jié)脈寬調(diào)制（PWM）波形的頻率，以適應(yīng)鍋的特征。電磁爐的設(shè)計(jì)人員應(yīng)事先了解每個(gè)加熱等級(jí)所對(duì)應(yīng)的電流大小，繼而只需簡(jiǎn)單地對(duì)微控制器編程以調(diào)節(jié)PWM頻率，提供適當(dāng)?shù)碾娏鳌?
驅(qū)動(dòng)IGBT的PWM信號(hào)的典型頻率范圍約20 kHz~100 kHz。相比于MOSFET，IGBT的關(guān)斷特性較慢，其開(kāi)關(guān)頻率僅為數(shù)十千赫。微控制器提供的PWM信號(hào)的占空比是固定的（如50%），通過(guò)用戶(hù)選擇的加熱等級(jí)要求的功率來(lái)調(diào)節(jié)該P(yáng)WM信號(hào)的頻率。
由于在大電流電感電路中可能會(huì)產(chǎn)生大電壓，因此在系統(tǒng)中的關(guān)鍵位置提供電氣隔離是十分重要的。特別是電磁爐的功率級(jí)與微控制器和其它數(shù)字電路隔離。一種隔離方法是使用隔離IGBT驅(qū)動(dòng)器。與傳統(tǒng)的隔離解決方案相比，基于ADI公司創(chuàng)新的iCoupler?技術(shù)的低成本隔離門(mén)級(jí)驅(qū)動(dòng)器串聯(lián)電路具有很多優(yōu)點(diǎn)。
電流隔離是一種用于防止電流在兩個(gè)連通的電路之間直接流動(dòng)的技術(shù)。使用隔離的主要原因有兩個(gè)，第一個(gè)原因是在人員和設(shè)備暴露于大電壓或電流浪涌時(shí)，對(duì)他們進(jìn)行保護(hù)。第二個(gè)原因是在電路互連牽涉到不同的地電位時(shí)，避免地回路和破壞性的地電流。在這兩種情況中，隔離技術(shù)可以防止電流流動(dòng)，但是允許在兩個(gè)電路之間傳遞數(shù)據(jù)或功率。
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