家用电磁炉电路的Pspice仿真和能量转换

家用电磁炉电路的Pspice仿真和能量转换 

家用电磁炉电路的Pspice仿真和能量转换

家用电磁炉一般采用单管IGBT并联谐振电路，由于电路简单，成本低，现在的电磁炉采用的都是这种电路拓扑。笔者没有考证这个电路拓扑的历史，但是在我的印象中，电磁炉起码也有20年的历史，而且现在每年的产量起码在千万台，这种拓扑应该是成熟的，其控制策略也应该是成熟的——有众多的芯片产家为其配套。在互联网上搜了搜，也没有人用Pspice对其电路拓扑进行仿真分析，反正吃饱了，闲着也是闲着，试着用Pspice对家用电磁炉所用的单管IGBT并联谐振电路进行简化建模，作主谐振电路的技术仿真。

据资料介绍，电磁炉的电磁线圈有157uH左右，也有的是105uH；电容一般是0.15uF或是0.2uF，电阻为0.6欧姆，运行频率为20KHz左右。这里用105uH的电感，0.2uF的电容，按20KHz频率运行。

拓扑为

L=105uH，C=0.2uF，R=0.6Ω，U_s=20V，

PW=12.5us，PER=50us

下图为电感电流曲线：

下图绿线为电源电压，红线为IGBT的C极电压曲线。

下图蓝色为电感电流，绿色为电源电压，红色为IGBT-C 极电压。

下图为电容电流曲线。

下图为IGBT的电流曲线。

各点状态参数表

下面摘录《电磁炉维修技术 张新德主编》p31，[问答30]

电磁炉的LC振荡模快事电磁炉的核心电路，其工作原理就是LC并联谐振的原理，通过电感线圈与振荡电容不停地进行充电和放电，产生振荡波形。LC振荡电路的工作过程是：当IGBT的C极电压为0V时，IGBT管导通（监控电路检测到C极电压为0V时，即开启IGBT），此时的电感线圈开始储存能量，当IGBT由导通转向截止时，此时由于电感线圈的作用，电流还会沿着先前的方向流动，由于IGBT关断，电感只能对电容C充电，从而引起C极上的电压不断升高，直到充电电流变小降至0时，C极电压达到了最高。此时，电容C开始通过线圈放电，C极电压降低，当C极电压降到0V时，监控电路动作，IGBT再次开启，如此循环。

单管并联谐振电路是硬开通、硬关断。电容的开通浪涌电流为40A，IGBT的开通浪涌电流为100A，因此供电电源必须为恒流源，即是大电感作扼流圈的直流电源。

关断应该是电感电流达到预定值时，监控电路给出信号令IGBT关断。IGBT关断后，LRC进入自由振荡状态，此时电感电流2.2A并未达到峰值，电容放电，电感继续流过正方向电流，经过约1.8us，电感电流达到峰值2.8A，电容放电完毕；电容放电完毕，电感电流大小、方向不变继续正向流动向电容反方向充电；到21.4us时，电感储能释放完毕，电容反向充电到52V；电感储能释放完毕后，电容反方向向电感放电；到28.5us时，电容放电完毕，电感电流达到反方向的峰值2.2A；然后电感释放储能，继续流过反方向的电感电流，向电容的正方向充电；到35.7us时，电感储能释放完毕，电容正向充电到49V；，电感储能释放完毕后，电容正方向向电感放电；到43us时，电容放电完毕，电感电流达到正方向的峰值2.1A；电容放电完毕，电感电流大小、方向不变继续正向流动向电容反方向充电；到50us时，电感电流降低到0.1A，电容反方向充电到47V。

如果就在50us时重新令IGBT导通，此时，正向电感电流降低到0.1A，所储正向电磁能量很小，重新注入的正能量和它不发生冲突，剩余能量的影响较小；但此时电容储存有反方向的电场能，当IGBT重新导通时，IGBT相当于短路，电容电压（2.35倍电源电压）和电源电压叠加释放，第一，浪涌电压很大，对IGBT的冲击很大；第二，这部分能量是白白浪费。

如果按照电磁炉的控制策略，当C极电压降到0V时，监控电路动作，IGBT再次开启，如此循环。从波形图可以看出，C极电压有两个过0点，一个是30.5us时，此时电感电流为反方向的2A；第二个是41us时，此时的电感电流为正方向的2A。从控制上说，第一点较好控制。但在这点控制IGBT重新导通后，输入的正能量会和电感里面的剩余能量发生冲突，互相抵消；电容反方向充有的电场能量会短路释放。

如果在第二点控制，比较麻烦，但此时电感里的剩余能量是正能量，能量会叠加——即电流会叠加，这点对硬关断控制影响不大；只是此时电容反方向充有的电场能量会短路释放。

从波形图可见，IGBT重新导通的最佳点在35.7us时刻，此时电感的反方向电流刚好到0，而电容正方向充电到49V。若此时令IGBT导通，电感受电源激励通过电流，同时电容向电感的正方向放电，电感的电流和IGBT的电流并不相同，以IGBT电流为基准控制，可保持运行频率稳定，但电感电流超出设定值。

如此看来，这种 “并联谐振电路”，不管采用何种控制方法，尽管可以顺利工作，但内部的能量转换都存在问题。电是看不见、摸得到的东东，电路的运行规律都是靠推断，感谢Pspice让我们可以看到电路的运行规律，也看到了电路能量转换存在的问题。前段时间写了篇《论可控硅并联谐振变流器的能量转换》，文中指出了该类型电路中存在能量转换的问题，当时还说单管并联谐振电路的能量转换好，不料也是凭感觉想当然。通过以上的仿真，说明 “并联谐振”电路拓扑是有问题的，尽管这种拓扑在变频电源行业有很长时间、很大规模的应用。

欲看图，请下载题头的word文件。