电磁感应加热新型谐振系统研究

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【摘要】LC并联谐振回路是目前电磁炉（电磁感应加热）单管方案常用的电路，也是电磁炉的核心电路，此电路是否可以进行优化改良，达到降低IGBT电压呢。本文是从变化谐振电路中谐振电容的位置入手，通过电路分析，仿真，实际测试验证等方式，确认通过改动谐振电容的位置，以及变化谐振电容的等效电容等产生新型谐振系统，新电路系统可有效降低IGBT（绝缘栅双极型晶体管，下同）电压25～150V。

【关键词】电磁感应加热；电磁炉；LC并联谐振回路；IGBT电压；IGBT电流

1.引言

我们熟悉的电磁炉又名电磁灶，是现代厨房革命的产物，它无需明火或传导式加热而让热直接在锅底产生，因此热效率得到了极大的提高。是一种高效节能橱具，完全区别于传统所有的有火或无火传导加热厨具。电磁炉是利用电磁感应加热原理制成的电气烹饪器具。由高频感应加热线圈（即励磁线圈）、高频电力转换装置、控制器及铁磁材料锅底炊具等部分组成。使用时，加热线圈中通入交变电流，线圈周围便产生一交变磁场，交变磁场的磁力线大部分通过金属锅体，在锅底中产生大量涡流，从而产生烹饪所需的热。在加热过程中没有明火，因此安全、卫生。

在电磁炉电控系统中，目前最常用的方案是采用单管方案，即1个IGBT器件控制LC并联谐振回路，这也是电磁炉的核心电路。见图1。

此方案电路结构简单，控制也比较成熟。但其缺点是要求IGBT要承受相当高的耐压，如果输入220V，在功率2000W时，IGBT工作电压最大可达1050V-1150V，如此高的电压，对IGBT采购造成非常大的困扰，而且，超高电压对IGBT自身的可靠性也是不利的。针对此问题，本文从变更电路结构的方式，探求降低IGBT电压的方案。

2.电路分析

按照电路理论，不难知道。在谐振电路中，IGBT关断(假设关断瞬间为t1)后，图1中L，Cr，，R发生并联谐振，期间IGBT所承受电压遵循下式：

Uce=Udc+Ucr

(1)

=Udc+　 (2)

其中：Im为IGBT关断瞬间的初始电流，也是IGBT的最大电流。

=R/2L为衰减系数

0=为电磁炉谐振角频率

=为衰减振荡角频率

=arctan-1为电路的初始状态和电路参数决定的初相角

因此IGBT承受电压受直流电压Udc，Im(可理解为功率)影响，同时，在振荡时，IGBT电压是叠加在Udc基础上的，如果可以在0V的基础上振荡，那么IGBT的电压就和Ucr电压相等了。于是设计电路，见图2。

将谐振电容Cr的位置改动，由并联于谐振电感，改为并联IGBT CE脚，当然其一端仍然与谐振电感的一端连接。此电路看起来是LC串接在一起，且Cr与IGBT CE端并联，那么按照电路可知，在IGBT关断后，Uce=Ucr，因此，IGBT会比原来少了Udc.再看看以下分析看是否如此。

1)在IGBT开通时刻，对谐振电感L充电。此一点与常规电路相同，差异是此时Ucr是0V而非原电路等于Udc。

2)在IGBT关断时刻，此时IGBT相当与断开，此时等效电路，见图3。

从图3可知，此时L，Cr，C1，R形成谐振回路，则此时谐振电容是C1+Cr，按照电容串联的原理可知，等效电容：

C=

(3)

因此新电容会比C，Cr都会小，实际上，由于C1一般是Cr的10倍以上，所以C比较接近于原Cr容值，会小于Cr。

假设C1=5.0UF，Cr=0.3uF，按照公式，则C=0.283UF。

按照上述公式2，则：

Uc=　 　 (4)

上述公式中，涉及C的地方需要以等效电容代替。

在Udc，Im，等数值不变的情况下，等效电容比常规方案Cr是小的，由于在分母位置，最终结果Uc是有所增加的。但是，由于C是C1与Cr的串联的等效电容。所以图4中Ucr的电压(关断时，与IGBT CE极电压相等)为：Ucr=Uc*，由于C1>>Cr，相当Uc乘接近1的系数，但是由于新电路方案不用再加上Udc电压(见图3)，实际计算会比原来方案会有所减少。从能量的原理解释是一部分能量有C1承担，所以Cr的电压(能量)会有所降低，我们可以举例做比较，如Udc=310V，Im=55A，L=80uH，C1=5.0uF，Cr=0.3uF，R=3欧，将此数据代人上述方程(4)与(2)来对比新旧方案IGBT电压的差异。

3.仿真分析

采用知名仿真软件Candence—》PSpice，对新旧电路进行仿真比较。

仿真电路如图4、图5。

仿真电路图中参数(如图6-9所示)已经进行折换。

本次仿真主要是对比新型谐振系统新拓扑结构和旧电路常规电路传统结构下IGBT电参数的差异。

那么新结构的IGBT C极电压要比原结果低（1023.5V-997.8V）25.7V。

实际依据此原理，在图1的基础上，对谐振电容进行重新分配，如图1中Cr=0.3uF，经过变形后如图10，则Cr=0.2uF，Cr1=0.2uF，则同功率此方案比原常规方案IGBT电压会下降150V，这样就可观了。

4.实际测试验证

以实际装样机测试确认，分别以原有电路，与更改谐振电路做测试比较，测试条件：2000W，更改电路前后，测试IGBT的电压。

原来电路如图11、13，新电路如图12、14。

5.小结

本文从电磁炉并联谐振电路进行改良分析，从原来单纯的并联电路结构，对谐振电容电路位置进行变化，或容值变换衍生出多重类似串联结构的电路，并对新电路进行分析，仿真，实际测试验证，确认新方式的电路结构可以降低IGBT的C极电压，实际下降幅度从25V到150V不等。因此，新型谐振系统对降低IGBT C极电压起到良好的效果，这对提升IGBT电压的余量，提高可靠性起到良好的作用。

参考文献

[1]邱关源.电路[M].高等教育出版社,2001.

[2]李翰逊.电路分析基础[M].高等教育出版社,2002.

[3]刘京南.电子电路基础[M].电子工业出版社,2003.