关于印度锅具(J4)对家用电磁灶的影响分析
作者： 麦杰英
摘要:
近年来，感应加热技术在各行各业的应用越来越广泛。在家庭里，用到感应加热技术的产品有家用电磁炉、IH电饭煲、电磁茶炉、即热式热水器等。在工业领域，感应加热技术广泛应用于熔炼钢铁，金属工件表面淬火、退火等。不同的金属负载拥有不同的特性，金属材质的差异对于感应加热设备是否能安全可靠的使用占了很大的因素。本文以家用电磁炉为例，分析不同的负载材质对电磁灶所产生的不同影响。
关键词：感应加热技术 金属负载特性 电磁灶
前言：
近一两年来，多个从事家用电磁炉生产/销售的客户提供反馈信息，销往印度地区的家用电磁炉，使用几个月后出现整机质量异常的比例大大高于其他销售地区。质量异常的整机出现的问题主要集中在高温保护、(保险管/整流桥/IGBT/滤波电容/谐振电容)烧毁等方面.综合多个客户提供的分析结果来看,主要问题出在配套使用的锅具上.印度地区主要使用J4锅具,而其他地区主要使用430/304锅具.
本司5μF滤波电容器和0.3μF谐振电容器，供给多家客户使用，也收集到在印度地区销售的整机上失效比例大大高于总体失效比例。鉴于此，本司也自行分析了电容的失效原因，配合客户做一系列的改善措施。经过对多家客户的多次配合整改，基本可以落实关于薄膜电容器在印度地区使用方面需要注意的问题，具体情况如下：
一：薄膜电容器发热原因分析
理想的薄膜电容器，是一个纯容性的电子元件，只要给电容器充电后，电能可以一直储存在电容器中，永久保存。但实际上，由于结构、材质及生产工艺等因数的影响，薄膜电容器会存在一定的杂散电感（ESL）、等效串联电阻（ESR）、并联电阻等,这些都会让薄膜电容器自身内部产生热损耗。薄膜电容器的热损耗计算公式是 P(发热)=2*Pi*F*C*U*U*tgθ由此公式可以知道，薄膜电容器的发热跟通过电容器的频率F，电容器两端的工作电压U，电容器自身的电容量C，电容器的损耗角正切值成正比。这几个参数越大，电容器自身发热越厉害。
对于滤波电容器来说，影响其发热的最主要因数是纹波电压和纹波电流。纹波电压一般只有30-50Vpp，而高次纹波从100HZ以上到1MHZ范围内都存在，波形复杂，频率丰富，目前来说还没有可靠的计算公式及测量方法来检测纹波电流。
二：印度J4锅具在家用电磁灶中使用时对整机的电性能参数影响：
某公司某款销往印度地区的2000W机型，同一个电磁炉，换上不同的锅具430、304、J4 ，测量到的0.33μF谐振电容器实际工作的电压波形数据如下：
从以上数据可看到，同一台机子，使用J4锅具时，谐振电容器的Qn（无功功率）最大，比其他两款锅具增加了接近30%。Qn是谐振电容器工作时需要承载的无功功率。
三：印度J4锅具对家用电磁炉的影响
由实测数据可知，当使用印度J4锅具时，家用电磁炉的实际工作谐振频率会升高，谐振频率升高后，会对机子内部相关电子元件产生一定的影响，例如PCB铜箔、整流桥、扼流圈、滤波电容器、谐振电容器、IGBT、线圈盘等的温升增加，严重时还会出现炸机的情况发生。
对于谐振电容器来说，谐振频率增加，那么电容器需要承受的无功功率会增加，造成谐振电容器自身发热增加，体现在谐振电容器温升升高。对于滤波电容器来说，谐振频率增加，那么IGBT由于高速开关而产生的纹波电压会增加，高次纹波的次数增加，流过滤波电容器的纹波电流增加，最终体现在滤波电容器温升升高。
四：对于销往印度地区的家用电磁炉建议
A 对整流桥、滤波电容、谐振电容、线圈盘、IGBT、散热器、风扇、PCB铜箔等关键元件及材质进行电性能余量的提升。例如提高电流值，改善散热条件等。
B 整机的芯片控制方案调整，通过限制功率来压制关键元件温升的异常。例如当检测到锅具是J4等材质时，软件上设置功率及温升保护。
五：滤波电容器、谐振电容器改善方向
销往印度地区的家用电磁灶，配合J4锅具使用，如果在软件控制方面不作改变，那么只能降低滤波电容器和谐振电容器自身发热量，以此降低电容器的温升。
对于滤波电容器，有以下几种可改善的方向：
A 增加滤波电容器的容量。（由5μF增加到6μF、 7μF、 8μF等）
B 由于第四代小体积电容器的体积比较小，在恶劣的电参数及环境下使用，电容器的喷金端面承载能力显得略为不足，因此建议改为第三代大体积电容器。
C 最理想的效果就是采用第三代大体积结构，保持滤波电容器的容量不变，缩短电容器的脚距(由P=30.5MM改为P=26.5MM)这样可以缩短薄膜的宽度，增加卷绕的圈数，增加喷金端面的面积，以此来降低滤波电容器的自身发热量。
对于谐振电容器，有以下几种可改善的方向：
A由于第四代小体积电容器的体积比较小，在恶劣的电参数及环境下使用，电容器的喷金端面承载能力显得略为不足，因此建议改为第三代大体积电容器。
B最理想的效果就是采用第三代大体积结构，保持滤波电容器的容量不变，缩短电容器的脚距(由P=30.5MM改为P=26.5MM)这样可以缩短薄膜的宽度，增加卷绕的圈数，增加喷金端面的面积，以此来降低谐振电容器的自身发热量。
C 可考虑适当增加谐振电容器的电容量及适当的调整一下线盘参数，降低LC谐振频率，让相关的电子元件温升都整体下降，最终保证可靠的使用。
通过和多家客户一起进行薄膜电容器方案的改善和测试评估，以上方案都可以解决滤波电容器和谐振电容器在印度地区的家用电磁炉整机中使用时出现温升过高而烧毁的问题。由于每个公司的家用电磁炉方案及结构配合等都有所差异，所以最终需要实际装机测评才能最终落实。
