家用電磁爐電路的Pspice仿真和能量轉(zhuǎn)換 

家用電磁爐電路的Pspice仿真和能量轉(zhuǎn)換

家用電磁爐一般采用單管IGBT并聯(lián)諧振電路，由于電路簡單，成本低，現(xiàn)在的電磁爐采用的都是這種電路拓撲。筆者沒有考證這個電路拓撲的歷史，但是在我的印象中，電磁爐起碼也有20年的歷史，而且現(xiàn)在每年的產(chǎn)量起碼在千萬臺，這種拓撲應(yīng)該是成熟的，其控制策略也應(yīng)該是成熟的——有眾多的芯片產(chǎn)家為其配套。在互聯(lián)網(wǎng)上搜了搜，也沒有人用Pspice對其電路拓撲進行仿真分析，反正吃飽了，閑著也是閑著，試著用Pspice對家用電磁爐所用的單管IGBT并聯(lián)諧振電路進行簡化建模，作主諧振電路的技術(shù)仿真。

據(jù)資料介紹，電磁爐的電磁線圈有157uH左右，也有的是105uH；電容一般是0.15uF或是0.2uF，電阻為0.6歐姆，運行頻率為20KHz左右。這里用105uH的電感，0.2uF的電容，按20KHz頻率運行。

拓撲為

L=105uH，C=0.2uF，R=0.6Ω，U_s=20V，

PW=12.5us，PER=50us

下圖為電感電流曲線：

下圖綠線為電源電壓，紅線為IGBT的C極電壓曲線。

下圖藍色為電感電流，綠色為電源電壓，紅色為IGBT-C 極電壓。

下圖為電容電流曲線。

下圖為IGBT的電流曲線。

各點狀態(tài)參數(shù)表

下面摘錄《電磁爐維修技術(shù) 張新德主編》p31，[問答30]

電磁爐的LC振蕩?？焓码姶艩t的核心電路，其工作原理就是LC并聯(lián)諧振的原理，通過電感線圈與振蕩電容不停地進行充電和放電，產(chǎn)生振蕩波形。LC振蕩電路的工作過程是：當IGBT的C極電壓為0V時，IGBT管導通（監(jiān)控電路檢測到C極電壓為0V時，即開啟IGBT），此時的電感線圈開始儲存能量，當IGBT由導通轉(zhuǎn)向截止時，此時由于電感線圈的作用，電流還會沿著先前的方向流動，由于IGBT關(guān)斷，電感只能對電容C充電，從而引起C極上的電壓不斷升高，直到充電電流變小降至0時，C極電壓達到了最高。此時，電容C開始通過線圈放電，C極電壓降低，當C極電壓降到0V時，監(jiān)控電路動作，IGBT再次開啟，如此循環(huán)。

單管并聯(lián)諧振電路是硬開通、硬關(guān)斷。電容的開通浪涌電流為40A，IGBT的開通浪涌電流為100A，因此供電電源必須為恒流源，即是大電感作扼流圈的直流電源。

關(guān)斷應(yīng)該是電感電流達到預定值時，監(jiān)控電路給出信號令IGBT關(guān)斷。IGBT關(guān)斷后，LRC進入自由振蕩狀態(tài)，此時電感電流2.2A并未達到峰值，電容放電，電感繼續(xù)流過正方向電流，經(jīng)過約1.8us，電感電流達到峰值2.8A，電容放電完畢；電容放電完畢，電感電流大小、方向不變繼續(xù)正向流動向電容反方向充電；到21.4us時，電感儲能釋放完畢，電容反向充電到52V；電感儲能釋放完畢后，電容反方向向電感放電；到28.5us時，電容放電完畢，電感電流達到反方向的峰值2.2A；然后電感釋放儲能，繼續(xù)流過反方向的電感電流，向電容的正方向充電；到35.7us時，電感儲能釋放完畢，電容正向充電到49V；，電感儲能釋放完畢后，電容正方向向電感放電；到43us時，電容放電完畢，電感電流達到正方向的峰值2.1A；電容放電完畢，電感電流大小、方向不變繼續(xù)正向流動向電容反方向充電；到50us時，電感電流降低到0.1A，電容反方向充電到47V。

如果就在50us時重新令IGBT導通，此時，正向電感電流降低到0.1A，所儲正向電磁能量很小，重新注入的正能量和它不發(fā)生沖突，剩余能量的影響較??；但此時電容儲存有反方向的電場能，當IGBT重新導通時，IGBT相當于短路，電容電壓（2.35倍電源電壓）和電源電壓疊加釋放，第一，浪涌電壓很大，對IGBT的沖擊很大；第二，這部分能量是白白浪費。

如果按照電磁爐的控制策略，當C極電壓降到0V時，監(jiān)控電路動作，IGBT再次開啟，如此循環(huán)。從波形圖可以看出，C極電壓有兩個過0點，一個是30.5us時，此時電感電流為反方向的2A；第二個是41us時，此時的電感電流為正方向的2A。從控制上說，第一點較好控制。但在這點控制IGBT重新導通后，輸入的正能量會和電感里面的剩余能量發(fā)生沖突，互相抵消；電容反方向充有的電場能量會短路釋放。

如果在第二點控制，比較麻煩，但此時電感里的剩余能量是正能量，能量會疊加——即電流會疊加，這點對硬關(guān)斷控制影響不大；只是此時電容反方向充有的電場能量會短路釋放。

從波形圖可見，IGBT重新導通的最佳點在35.7us時刻，此時電感的反方向電流剛好到0，而電容正方向充電到49V。若此時令IGBT導通，電感受電源激勵通過電流，同時電容向電感的正方向放電，電感的電流和IGBT的電流并不相同，以IGBT電流為基準控制，可保持運行頻率穩(wěn)定，但電感電流超出設(shè)定值。

如此看來，這種 “并聯(lián)諧振電路”，不管采用何種控制方法，盡管可以順利工作，但內(nèi)部的能量轉(zhuǎn)換都存在問題。電是看不見、摸得到的東東，電路的運行規(guī)律都是靠推斷，感謝Pspice讓我們可以看到電路的運行規(guī)律，也看到了電路能量轉(zhuǎn)換存在的問題。前段時間寫了篇《論可控硅并聯(lián)諧振變流器的能量轉(zhuǎn)換》，文中指出了該類型電路中存在能量轉(zhuǎn)換的問題，當時還說單管并聯(lián)諧振電路的能量轉(zhuǎn)換好，不料也是憑感覺想當然。通過以上的仿真，說明 “并聯(lián)諧振”電路拓撲是有問題的，盡管這種拓撲在變頻電源行業(yè)有很長時間、很大規(guī)模的應(yīng)用。

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