一種連續低功率加熱的電磁爐控制結構及其控制方法
2023-09-23 02:52:40
專利名稱：：一種連續低功率加熱的電磁爐控制結構及其控制方法
技術領域：
：本發明涉及一種電磁爐，尤其是一種連續低功率加熱的電磁爐控制結構及其控制方法。
背景技術：
：眾所周知，電磁爐的電熱能量轉換效率相對於普通的電阻絲加熱爐而言，具有非常明顯的優勢。電磁爐的電熱能量轉換效率高達90%以上，而普通電阻絲加熱爐的效率最多可以做到60%左右，大部分的熱能輻射出去了。因此，電磁爐將作為一種環保的加熱灶具逐漸取代現有的普通電加熱灶具。但是，目前市場上的家用電磁爐受到技術原因限制，存在穩定性能不夠，容易燒毀功率管(IGBT/MOSFET)等問題，從而限制了其在市場上的推廣速度。市場上現有的電磁爐控制結構的主要缺點如下一、自由振蕩電路頻率穩定性對系統穩定性影響大(1)、出於成本考慮，該振蕩電路基本上是由電阻、電容、及運算放大器組成。其中，電阻、電容的時漂、溫漂參數很難做到較小的水平，同時，電阻、電容元件的精度提高，導致成本劇烈上升。(2)、批量生產過程中，因為調校該電路的頻率帶來額外的成本。(3)、長期使用過程中，溫度、溼度的變化將導致以電磁爐能量轉換線盤為主的電磁諧振迴路電路諧振頻率變化，情況嚴重時，自由振蕩電路同電磁諧振迴路電路頻率同步偏差過大，導致功率器件提前或過遲導通而過流/過熱燒毀。二、單片機(MCU)控制能力偏弱-(1)、現有控制結構中，單片機普遍主要作為PWM的佔空比調節用，無法控制IGBT/MOSFET的起始觸發點。這一起始觸發點基本上由同步硬體檢測電路決定。(2)、由於觸發脈衝寬度(功率輸出要求)不一樣，為了保證觸發點檢測電路可靠的檢測出同步觸發脈衝，必須考慮不同功率輸出時及負載時的情況，而MCU無法控制處理該點的時刻，從而導致IGBT/MOSFET不可避免地會出現高電壓(50V-100V)短路導通的情況，降低電磁爐的能量轉換效率，情況嚴重時，甚至會導致IGBT燒毀。
發明內容本發明的研製目的在於克服上述現有產品所存在的缺陷，而提供一種連續低功率加熱的電磁爐控制結構及其控制方法。本發明技術方案的設計要點在於採用單片機靈活控制IGBT/MOSFET在電磁諧振迴路的每個振蕩周期的導通時刻和導通時間，達到穩定控制電磁爐連續低功率加熱的目的。本發明的一種連續低功率加熱的電磁爐控制結構，包括同步硬體檢測電路、單片機、電磁諧振迴路，所述的電磁諧振迴路由電磁爐能量轉換線盤和諧振電容及相應的開關元件IGBT/MOSFET及驅動電路組成，其特徵在於所述的同步硬體檢測電路與單片機連接，由同步硬體檢測電路輸出同步脈衝信號給單片機；單片機與IGBT/MOSFET驅動電路連接，由單片機輸出開關控制信號給IGBT/MOSFET驅動電路，控制IGBT/MOSFET在每個振蕩周期內的導通或者關閉。所述的單片機具有電磁爐輸出功率控制計算程序，單片機接收到同步脈衝信號後，經過計算確定延遲觸發IGBT/MOSFET導通時刻，該程序設計根據電磁爐性能要求選擇考慮下列要素(1)當前消耗電流值；(2)當前供電電壓值；(3)IGBT/MOSFET峰值電壓值功率器件溫度及變化曲線特性。本發明的一種連續低功率加熱的電磁爐的控制方法，其特徵在於該方法包括以下步驟(1)同步硬體檢測電路檢測到電磁爐能量轉換線盤連接開關元件IGBT/MOSFET端的電壓VOB跌落到某個設定值後，產生同步脈衝信號給單片機；(2)單片機接收到同步脈衝信號後，計算延遲導通IGBT/MOSFET的時刻；(3)延遲時間夠時，單片機直接輸出開關控制信號到IGBT/MOSFET驅動電路，導通IGBT/MOSFET;(4)IGBT/MOSFET導通時間足夠時，單片機關閉IGBT/MOSFET導通控制信號輸出，關閉IGBT/MOSFET;(5)返回步驟(1)，等待同步硬體檢測電路給出新的信號。現有電磁爐控制結構與本發明電磁爐控制結構方案對比表-tableseeoriginaldocumentpage5本發明的有益效果在於1、充分利用MCU強大的功能(1)MCU工作頻率的穩定性保證觸發脈衝寬度的高精度。(2)IGBT/MOSFET導通觸發點的時刻控制由MCU完成，既精確又穩定，又靈活，非常到位。2、電磁諧振迴路電路的穩定性要求降低現在市場流行電磁爐方案中，要求電磁諧振迴路的諧振頻率同自由振蕩PWM發生電路的頻率有一定的同步匹配關係。因此要求電磁諧振迴路電路的構成元器件參數要穩定一致。但在新型電磁爐控制原理方案中，電磁諧振迴路的頻率變化可以非常容易，適時地被MCU適應。即使在使用過程中有參數變化(①線盤間隙②阻容參數G)IGBT/MOSFET老化等)MCU也可以適應這些變化。3、IGBT/MOSFET故障機率大為減少IGBT/MOSFET發熱主要是因為IGBT/MOSFET並不是在源極電壓為0或較低時導通，只是在低於一定電壓後就發出允許IGBT再次導通信號。但是不同的功率輸出時，電磁爐能量轉換線盤與諧振電容產生的諧振波形是不一樣的，小功率時諧振波形容易上翹，而大功率波形下降到最低點比較遲，並且大批量生產時存在器件參數的離散原因，影響信號的同步穩定性和一致性。現在的流行方案，控制IGBT導通完全由硬體電路控制，不可能根據不同功率的振蕩波形靈活的改變控制導通點。容易出現IGBT/MOSFET大電流導通而燒毀的情況。本發明電磁爐控制結構中，由於MCU可以靈活調整IGBT/MOSFET觸發時刻，所以可以非常容易的避免/杜絕IGBT/MOSFET在高電壓的情況下短路導通。大大減少IGBG/MOSFET故障機率。4、進一步提高電熱轉換效率IGBT/MPSFET本身的開關損耗是很小的，但是其在高壓情況下短路導通的損耗是一種不小的能量損失。由於新方案可以避免高電壓導通，可以減低這種損耗，進一步提高電熱轉換效率。5、提高IGBT/MOSFET及整機壽命由於避免了IGBT/MOSFET高電壓短路導通狀況的出現，IGBT/MOSFET的壽命可以得到處長，整機壽命也會相應延長。6、取消了現有電磁路的自由振蕩器、鋸齒波發生器、PWM發生器，節省元器件成本，提高系統穩定性，減少生產中的調試開銷。圖1是本發明基本工作原理示意圖圖2是本發明輸出連續功率為2000W控制波形時序示意圖圖3是本發明輸出連續功率為1000W控制波形時序示意圖圖4是本發明輸出連續功率為100W控制波形時序示意圖認錢誠下面結合附圖對本發明的具體實施方式進一步說明，本發明技術方案的設計要點在於釆用單片機靈活控制IGBT/MOSFET在電磁諧振迴路的每個振蕩周期的導通時刻和導通時間，達到穩定控制電磁爐連續低功率加熱的目的。本發明的一種連續低功率加熱的電磁爐控制結構，包括同步硬體檢測電路1、單片機2、電磁諧振迴路，所述的電磁諧振迴路由電磁爐能量轉換線盤5和諧振電容4及相應的開關元件IGBT/MOSFET驅動電路3組成，其特徵在於所述的同步硬體檢測電路1與單片機2連接，由同步硬體檢測電路1輸出同步脈衝信號給單片機2;單片機2與IGBT/MOSFET驅動電路3連接，由單片機2輸出開關控制信號給IGBT/MOSFET驅動電路3，控制IGBT/MOSFET在每個振蕩周期內的導通或者關閉。所述的單片機2具有電磁爐輸出功率控制計算程序，單片機2接收到同步脈衝信號後，經過計算確定延遲觸發IGBT/MOSFET導通時刻，該程序設計根據電磁爐性能要求選擇考慮下列要素-(1)當前消耗電流值；(2)當前供電電壓值；(3)IGBT/MOSFET峰值電壓值功率器件溫度及變化曲線特性。本發明的一種連續低功率加熱的電磁爐的控制方法，其特徵在於該方法包括以下步驟(1)同步硬體檢測電路1檢測到電磁爐能量轉換線盤5連接開關元件IGBT/MOSFET端的電壓VOB跌落到某個設定值後，產生同步脈衝信號給單片機2;(2)單片機2接收到同步脈衝信號後，計算延遲導通IGBT/MOSFET的時刻；(3)延遲時間夠時，單片機2直接輸出開關控制信號到IGBT/MOSFET驅動電路3，導通IGBT/MOSFET;(4)IGBT/MOSFET導通時間足夠時，單片機2關閉IGBT/MOSFET導通控制信號輸出，關閉IGBT/MOSFET;(5)返回步驟一，等待同步硬體檢測電路l給出新的信號。以下就本發明電磁路的輸出功率取任意值，將本發明的控制方法描述如下1、假設電磁諧振迴路電路每個振蕩周期的IGBT/MOSFET的導通時間為20微秒，其導致的電磁爐輸出熱功率在此振蕩周期內的平均值為2000W。在長時間(相對於鍋具的熱慣性時間而言)內，電磁爐實現了連續輸出2000W的熱功率。如附圖2所示的輸出功率為連續2000W控制波形時序示意圖，圖中VOA的值在短時間內(小於100微秒)視為恆定值；VOB的值在約為OV到1000V之間變化，同VOA的瞬時值有關，同IGBT/MOSFET導通時間有關；IGBT/MOSFET導通時間和實際輸出功率同電磁爐能量轉換線盤和振蕩電容，以及電路的其它參數，電磁爐結構有關；該圖給出值僅為示意舉例，IGBT/MOSFET在開關控制信號為高電平是導通，低電平關閉。2、如果希望輸出熱功率的平均值為1000W左右，可以設置電磁諧振迴路電路每個振蕩周期的IGBT/MOSFET的導通時間為10微秒。在長時間(相對於鍋具的熱慣性時間而言)內，電磁爐實現了連續輸出1000W的熱功率。如圖3所示輸出功率為連續1000W控制波形時序示意圖。此時，IGBT/MOSFET不會由於導通時間的縮短而過分發熱。3、如果希望輸出功率的平均值為100W左右，為了避免IGBT/MOSFET由於導通時間過短而過分發熱，採取用10微秒的IGBT/MOSFET導通時間連續讓電磁諧振迴路工作10毫秒(約300個振蕩周期)，然後停止90毫秒。如此循環反覆。則在長時間(相對於鍋具的熱慣性時間而言)內，電磁爐實現了連續輸出100W的熱功率。如附圖4所示的連續輸出功率為100W的控制波形時序示意圖，圖中VOA的值在短時間內(小於100微秒)視為恆定值；VOB的值在約為0V到1000V之間變化，同VOA的瞬時值有關，同IGBT/MOSFET導通時間有關；在100毫秒內(此時間遠小於鍋具的熱慣性時間)，輸出到鍋具的平均功率為大約100W;IGBT/MOSFET導通時間和實際輸出功率同電磁爐能量轉換線盤和振蕩電容，以及電路的其它參數，電磁爐結構有關；該圖給出值僅為示意舉例，IGBT/MOSFET在開關控制信號為高電平是導通，低電平關閉。4、參照上述方法，本發明電磁爐可以實現連續熱功率輸出值小於10W的性能效果。以上所述僅是本發明的較佳實施例而已，並非對本發明作任何形式上的限制。任何熟悉本專業的技術人員，在不脫離本發明技術方案的範圍內，依據本發明的技術實質所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬於本發明技術方案的範圍內。名詞解釋本說明書涉及的下列名詞按照如下解釋來理解。1、電磁諧振迴路在電磁加熱電路中實現電磁轉換的主要電路，由電磁爐能量轉換線盤和諧振電容及相應的開關元件IGBT/MOSFET等組成。2、諧振頻率指電磁諧振迴路的自由振蕩頻率3、振蕩周期指電磁諧振迴路振蕩時的周期，主要包括幾個部分諧振頻率對應的時間的1/2和開關元件導通給諧振迴路補充能量的時間。4、電磁爐能量轉換線盤也稱發熱線盤。權利要求1、一種連續低功率加熱的電磁爐控制結構，包括同步硬體檢測電路、單片機、電磁諧振迴路，所述的電磁諧振迴路由電磁爐能量轉換線盤和諧振電容及相應的開關元件IGBT/MOSFET驅動電路組成，其特徵在於所述的同步硬體檢測電路與單片機連接，由同步硬體檢測電路輸出同步脈衝信號給單片機；單片機與IGBT/MOSFET驅動電路連接，由單片機輸出開關控制信號給IGBT/MOSFET驅動電路，控制IGBT/MOSFET在每個振蕩周期內的導通或者關閉。2、根據權利要求l所述的一種連續低功率加熱的電磁爐控制結構，其特徵在於所述的單片機具有電磁爐輸出功率控制計算程序，單片機接收到同步脈衝信號後，經過計算確定延遲觸發IGBT/MOSFET導通時刻，該程序設計根據電磁爐性能要求選擇考慮下列要素-(1)當前消耗電流值；(2)當前供電電壓值；(3)IGBT/MOSFET峰值電壓值功率器件溫度及變化曲線特性。3、一種連續低功率加熱的電磁爐的控制方法，其特徵在於該方法包括以下步驟(1)同步硬體檢測電路檢測到電磁爐能量轉換線盤連接開關元件IGBT/MOSFET端的電壓VOB跌落到某個設定值後，產生同步脈衝信號給單片機；(2)單片機接收到同步脈衝信號後，計算延遲導通IGBT/MOSFET的時刻；(3)延遲時間夠時，單片機直接輸出開關控制信號到IGBT/MOSFET驅動電路，導通IGBT/MOSFET;(4)IGBT/MOSFET導通時間足夠時，單片機關閉IGBT/MOSFET導通控制信號輸出，關閉IGBT/MOSFET;(5)返回步驟(1)，等待同步硬體檢測電路給出新的信號。全文摘要本發明公開了一種連續低功率加熱的電磁爐控制結構及其控制方法，包括同步硬體檢測電路、單片機、電磁諧振迴路，所述的電磁諧振迴路由電磁爐能量轉換線盤和諧振電容及相應的開關元件IGBT/MOSFET及驅動電路組成，其特徵在於所述的同步硬體檢測電路與單片機連接，由同步硬體檢測電路輸出同步脈衝信號給單片機；單片機與IGBT/MOSFET驅動電路連接，由單片機輸出開關控制信號給IGBT/MOSFET驅動電路，控制IGBT/MOSFET在每個振蕩周期內的導通或者關閉。其有益效果在於降低了電磁諧振迴路電路的穩定性要求，進一步提高電熱轉換效率，提高IGBT/MOSFET及整機壽命。文檔編號F24C7/02GK101169259SQ20061006333公開日2008年4月30日申請日期2006年10月27日優先權日2006年10月27日發明者黃海寧申請人:黃海寧