CN101169259A - 一种连续低功率加热的电磁炉控制结构及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种连续低功率加热的电磁炉控制结构及其控制方法，包括同步硬件检测电路、单片机、电磁谐振回路，所述的电磁谐振回路由电磁炉能量转换线盘和谐振电容及相应的开关元件IGBT/MOSFET及驱动电路组成，其特征在于：所述的同步硬件检测电路与单片机连接，由同步硬件检测电路输出同步脉冲信号给单片机；单片机与IGBT/MOSFET驱动电路连接，由单片机输出开关控制信号给IGBT/MOSFET驱动电路，控制IGBT/MOSFET在每个振荡周期内的导通或者关闭。其有益效果在于：降低了电磁谐振回路电路的稳定性要求，进一步提高电热转换效率，提高IGBT/MOSFET及整机寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种电磁炉，尤其是一种连续低功率加热的电磁炉控制结构及其控制方法。
背景技术
众所周知，电磁炉的电热能量转换效率相对于普通的电阻丝加热炉而言，具有非常明显的优势。电磁炉的电热能量转换效率高达90％以上，而普通电阻丝加热炉的效率最多可以做到60％左右，大部分的热能辐射出去了。因此，电磁炉将作为一种环保的加热灶具逐渐取代现有的普通电加热灶具。但是，目前市场上的家用电磁炉受到技术原因限制，存在稳定性能不够，容易烧毁功率管(IGBT/MOSFET)等问题，从而限制了其在市场上的推广速度。
市场上现有的电磁炉控制结构的主要缺点如下：
一、自由振荡电路频率稳定性对系统稳定性影响大：
(1)、出于成本考虑，该振荡电路基本上是由电阻、电容、及运算放大器组成。其中，电阻、电容的时漂、温漂参数很难做到较小的水平，同时，电阻、电容元件的精度提高，导致成本剧烈上升。
(2)、批量生产过程中，因为调校该电路的频率带来额外的成本。
(3)、长期使用过程中，温度、湿度的变化将导致以电磁炉能量转换线盘为主的电磁谐振回路电路谐振频率变化，情况严重时，自由振荡电路同电磁谐振回路电路频率同步偏差过大，导致功率器件提前或过迟导通而过流/过热烧毁。
二、单片机(MCU)控制能力偏弱：
(1)、现有控制结构中，单片机普遍主要作为PWM的占空比调节用，无法控制IGBT/MOSFET的起始触发点。这一起始触发点基本上由同步硬件检测电路决定。
(2)、由于触发脉冲宽度(功率输出要求)不一样，为了保证触发点检测电路可靠的检测出同步触发脉冲，必须考虑不同功率输出时及负载时的情况，而MCU无法控制处理该点的时刻，从而导致IGBT/MOSFET不可避免地会出现高电压(50V-100V)短路导通的情况，降低电磁炉的能量转换效率，情况严重时，甚至会导致IGBT烧毁。
发明内容
本发明的研制目的在于克服上述现有产品所存在的缺陷，而提供一种连续低功率加热的电磁炉控制结构及其控制方法。本发明技术方案的设计要点在于采用单片机灵活控制IGBT/MOSFET在电磁谐振回路的每个振荡周期的导通时刻和导通时间，达到稳定控制电磁炉连续低功率加热的目的。
本发明的一种连续低功率加热的电磁炉控制结构，包括同步硬件检测电路、单片机、电磁谐振回路，所述的电磁谐振回路由电磁炉能量转换线盘和谐振电容及相应的开关元件IGBT/MOSFET及驱动电路组成，其特征在于：所述的同步硬件检测电路与单片机连接，由同步硬件检测电路输出同步脉冲信号给单片机；单片机与IGBT/MOSFET驱动电路连接，由单片机输出开关控制信号给IGBT/MOSFET驱动电路，控制IGBT/MOSFET在每个振荡周期内的导通或者关闭。
所述的单片机具有电磁炉输出功率控制计算程序，单片机接收到同步脉冲信号后，经过计算确定延迟触发IGBT/MOSFET导通时刻，该程序设计根据电磁炉性能要求选择考虑下列要素：
(1)当前消耗电流值；
(2)当前供电电压值；
(3)IGBT/MOSFET峰值电压值功率器件温度及变化曲线特性。
本发明的一种连续低功率加热的电磁炉的控制方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
(1)同步硬件检测电路检测到电磁炉能量转换线盘连接开关元件IGBT/MOSFET端的电压VOB跌落到某个设定值后，产生同步脉冲信号给单片机；
(2)单片机接收到同步脉冲信号后，计算延迟导通IGBT/MOSFET的时刻；
(3)延迟时间够时，单片机直接输出开关控制信号到IGBT/MOSFET驱动电路，导通IGBT/MOSFET；
(4)IGBT/MOSFET导通时间足够时，单片机关闭IGBT/MOSFET导通控制信号输出，关闭IGBT/MOSFET；
(5)返回步骤(1)，等待同步硬件检测电路给出新的信号。
现有电磁炉控制结构与本发明电磁炉控制结构方案对比表：
| 现有电磁炉控制结构 | 本发明控制结构 | |
| 同步检测电路 | IGBT/MOSFET源极电压与线盘前端220VAC整流后的直流电压比较，输出低开启振荡电路或复位PWM发生器。 | IGBT/MOSFET源极电压与线盘前端220VAC整流后的直流电压比较，输出同步信号到单片机。 |
| IGBT导通控制 | 由振荡PWM发生电路直接控制，同时加输出硬件保护。 | 单片机直接控制IGBT/MOSFET在每个电磁谐振周期的导通和关闭时刻，同时加输出硬件保护。 |
| 电磁炉输出功率控制IGBT/MOSFET导通时间控制 | 单片机输出-PWM波型，经整流后，形成稳定直流电压，决定振荡PWM电路的占空比，即IGBT/MOSFET的导通时间。从而决定输出功率。 | 单片机直接控制IGBT在每个电磁谐振周期的导通时间，控制输出功率。 |
本发明的有益效果在于：
1、充分利用MCU强大的功能
(1)MCU工作频率的稳定性保证触发脉冲宽度的高精度。
(2)IGBT/MOSFET导通触发点的时刻控制由MCU完成，既精确又稳定，又灵活，非常到位。
2、电磁谐振回路电路的稳定性要求降低
现在市场流行电磁炉方案中，要求电磁谐振回路的谐振频率同自由振荡PWM发生电路的频率有一定的同步匹配关系。因此要求电磁谐振回路电路的构成元器件参数要稳定一致。但在新型电磁炉控制原理方案中，电磁谐振回路的频率变化可以非常容易，适时地被MCU适应。即使在使用过程中有参数变化(①线盘间隙②阻容参数③IGBT/MOSFET老化等)MCU也可以适应这些变化。
3、IGBT/MOSFET故障几率大为减少
IGBT/MOSFET发热主要是因为IGBT/MOSFET并不是在源极电压为0或较低时导通，只是在低于一定电压后就发出允许IGBT再次导通信号。但是不同的功率输出时，电磁炉能量转换线盘与谐振电容产生的谐振波形是不一样的，小功率时谐振波形容易上翘，而大功率波形下降到最低点比较迟，并且大批量生产时存在器件参数的离散原因，影响信号的同步稳定性和一致性。现在的流行方案，控制IGBT导通完全由硬件电路控制，不可能根据不同功率的振荡波形灵活的改变控制导通点。容易出现IGBT/MOSFET大电流导通而烧毁的情况。本发明电磁炉控制结构中，由于MCU可以灵活调整IGBT/MOSFET触发时刻，所以可以非常容易的避免/杜绝IGBT/MOSFET在高电压的情况下短路导通。大大减少IGBG/MOSFET故障几率。
4、进一步提高电热转换效率
IGBT/MPSFET本身的开关损耗是很小的，但是其在高压情况下短路导通的损耗是一种不小的能量损失。由于新方案可以避免高电压导通，可以减低这种损耗，进一步提高电热转换效率。
5、提高IGBT/MOSFET及整机寿命
由于避免了IGBT/MOSFET高电压短路导通状况的出现，IGBT/MOSFET的寿命可以得到处长，整机寿命也会相应延长。
6、取消了现有电磁路的自由振荡器、锯齿波发生器、PWM发生器，节省元器件成本，提高系统稳定性，减少生产中的调试开销。
附图说明
图1是本发明基本工作原理示意图
图2是本发明输出连续功率为2000W控制波形时序示意图
图3是本发明输出连续功率为1000W控制波形时序示意图
图4是本发明输出连续功率为100W控制波形时序示意图
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进一步说明，本发明技术方案的设计要点在于采用单片机灵活控制IGBT/MOSFET在电磁谐振回路的每个振荡周期的导通时刻和导通时间，达到稳定控制电磁炉连续低功率加热的目的。
本发明的一种连续低功率加热的电磁炉控制结构，包括同步硬件检测电路1、单片机2、电磁谐振回路，所述的电磁谐振回路由电磁炉能量转换线盘5和谐振电容4及相应的开关元件IGBT/MOSFET驱动电路3组成，其特征在于：所述的同步硬件检测电路1与单片机2连接，由同步硬件检测电路1输出同步脉冲信号给单片机2；单片机2与IGBT/MOSFET驱动电路3连接，由单片机2输出开关控制信号给IGBT/MOSFET驱动电路3，控制IGBT/MOSFET在每个振荡周期内的导通或者关闭。
所述的单片机2具有电磁炉输出功率控制计算程序，单片机2接收到同步脉冲信号后，经过计算确定延迟触发IGBT/MOSFET导通时刻，该程序设计根据电磁炉性能要求选择考虑下列要素：
(1)当前消耗电流值；
(2)当前供电电压值；
(3)IGBT/MOSFET峰值电压值功率器件温度及变化曲线特性。
本发明的一种连续低功率加热的电磁炉的控制方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
(1)同步硬件检测电路1检测到电磁炉能量转换线盘5连接开关元件IGBT/MOSFET端的电压VOB跌落到某个设定值后，产生同步脉冲信号给单片机2；
(2)单片机2接收到同步脉冲信号后，计算延迟导通IGBT/MOSFET的时刻；
(3)延迟时间够时，单片机2直接输出开关控制信号到IGBT/MOSFET驱动电路3，导通IGBT/MOSFET；
(4)IGBT/MOSFET导通时间足够时，单片机2关闭IGBT/MOSFET导通控制信号输出，关闭IGBT/MOSFET；
(5)返回步骤一，等待同步硬件检测电路1给出新的信号。
以下就本发明电磁路的输出功率取任意值，将本发明的控制方法描述如下：
1、假设电磁谐振回路电路每个振荡周期的IGBT/MOSFET的导通时间为20微秒，其导致的电磁炉输出热功率在此振荡周期内的平均值为2000W。在长时间(相对于锅具的热惯性时间而言)内，电磁炉实现了连续输出2000W的热功率。如附图2所示的输出功率为连续2000W控制波形时序示意图，图中：VOA的值在短时间内(小于100微秒)视为恒定值；VOB的值在约为0V到1000V之间变化，同VOA的瞬时值有关，同IGBT/MOSFET导通时间有关；IGBT/MOSFET导通时间和实际输出功率同电磁炉能量转换线盘和振荡电容，以及电路的其它参数，电磁炉结构有关；该图给出值仅为示意举例，IGBT/MOSFET在开关控制信号为高电平是导通，低电平关闭。
2、如果希望输出热功率的平均值为1000W左右，可以设置电磁谐振回路电路每个振荡周期的IGBT/MOSFET的导通时间为10微秒。在长时间(相对于锅具的热惯性时间而言)内，电磁炉实现了连续输出1000W的热功率。如图3所示输出功率为连续1000W控制波形时序示意图。此时，IGBT/MOSFET不会由于导通时间的缩短而过分发热。
3、如果希望输出功率的平均值为100W左右，为了避免IGBT/MOSFET由于导通时间过短而过分发热，采取用10微秒的IGBT/MOSFET导通时间连续让电磁谐振回路工作10毫秒(约300个振荡周期)，然后停止90毫秒。如此循环反复。则在长时间(相对于锅具的热惯性时间而言)内，电磁炉实现了连续输出100W的热功率。如附图4所示的连续输出功率为100W的控制波形时序示意图，图中：VOA的值在短时间内(小于100微秒)视为恒定值；VOB的值在约为0V到1000V之间变化，同VOA的瞬时值有关，同IGBT/MOSFET导通时间有关；在100毫秒内(此时间远小于锅具的热惯性时间)，输出到锅具的平均功率为大约100W；IGBT/MOSFET导通时间和实际输出功率同电磁炉能量转换线盘和振荡电容，以及电路的其它参数，电磁炉结构有关；该图给出值仅为示意举例，IGBT/MOSFET在开关控制信号为高电平是导通，低电平关闭。
4、参照上述方法，本发明电磁炉可以实现连续热功率输出值小于10W的性能效果。
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，依据本发明的技术实质所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
名词解释：
本说明书涉及的下列名词按照如下解释来理解。
1、电磁谐振回路：在电磁加热电路中实现电磁转换的主要电路，由电磁炉能量转换线盘和谐振电容及相应的开关元件IGBT/MOSFET等组成。
2、谐振频率：指电磁谐振回路的自由振荡频率
3、振荡周期：指电磁谐振回路振荡时的周期，主要包括几个部分：谐振频率对应的时间的1/2和开关元件导通给谐振回路补充能量的时间。
4、电磁炉能量转换线盘：也称发热线盘。
Claims (3)
1.一种连续低功率加热的电磁炉控制结构，包括同步硬件检测电路、单片机、电磁谐振回路，所述的电磁谐振回路由电磁炉能量转换线盘和谐振电容及相应的开关元件IGBT/MOSFET驱动电路组成，其特征在于：所述的同步硬件检测电路与单片机连接，由同步硬件检测电路输出同步脉冲信号给单片机；单片机与IGBT/MOSFET驱动电路连接，由单片机输出开关控制信号给IGBT/MOSFET驱动电路，控制IGBT/MOSFET在每个振荡周期内的导通或者关闭。
2.根据权利要求1所述的一种连续低功率加热的电磁炉控制结构，其特征在于：所述的单片机具有电磁炉输出功率控制计算程序，单片机接收到同步脉冲信号后，经过计算确定延迟触发IGBT/MOSFET导通时刻，该程序设计根据电磁炉性能要求选择考虑下列要素：
(1)当前消耗电流值；
(2)当前供电电压值；
(3)IGBT/MOSFET峰值电压值功率器件温度及变化曲线特性。
3.一种连续低功率加热的电磁炉的控制方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
(1)同步硬件检测电路检测到电磁炉能量转换线盘连接开关元件IGBT/MOSFET端的电压VOB跌落到某个设定值后，产生同步脉冲信号给单片机；
(2)单片机接收到同步脉冲信号后，计算延迟导通IGBT/MOSFET的时刻；
(3)延迟时间够时，单片机直接输出开关控制信号到IGBT/MOSFET驱动电路，导通IGBT/MOSFET；
(4)IGBT/MOSFET导通时间足够时，单片机关闭IGBT/MOSFET导通控制信号输出，关闭IGBT/MOSFET；
(5)返回步骤(1)，等待同步硬件检测电路给出新的信号。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20080430 |