電磁灶（電磁爐）是一種利用電磁感應(yīng)原理將電能轉(zhuǎn)換為熱能的廚房電器。在電磁灶內(nèi)部，由整流電路將 50/60Hz 的交流電壓變成直流電壓，再經(jīng)過控制電路將直流電壓轉(zhuǎn)換成頻率為 20-40KHz 的高頻電壓，高速變化的電流流過線圈會產(chǎn)生高速變化的磁場，當(dāng)磁場內(nèi)的磁力線通過金屬器皿 ( 導(dǎo)磁又導(dǎo)電材料 ) 底部金屬體內(nèi)產(chǎn)生無數(shù)的小渦流，使器皿本身自行高速發(fā)熱，然后再加熱器皿內(nèi)的東西。本文以正夫人47系列電磁爐為例來詳細(xì)闡述其每個(gè)工作模塊的詳細(xì)原理與分析。

1.2 IGBT

絕緣雙柵極晶體管 (Iusulated Gate Bipolar Transistor)簡稱IGBT,是一種集BJT的大電流密度和MOSFET等電壓激勵(lì)場控型器件優(yōu)點(diǎn)于一體的高壓、高速大功率器件。 目前有用不同材料及工藝制作的 IGBT, 但它們均可被看作是一個(gè)MOSFET輸入跟隨一個(gè)雙極型晶體管放大的復(fù)合結(jié)構(gòu)。 IGBT有三個(gè)電極(見上圖), 分別稱為柵極G(也叫控制極或門極) 、集電極C(亦稱漏極) 及發(fā)射極E(也稱源極) 。 從IGBT的下述特點(diǎn)中可看出, 它克服了功率MOSFET的一個(gè)致命缺陷, 就是于高壓大電流工作時(shí), 導(dǎo)通電阻大, 器件發(fā)熱嚴(yán)重, 輸出效率下降。

IGBT的特點(diǎn):

1.電流密度大, 是MOSFET的數(shù)十倍。

2.輸入阻抗高, 柵驅(qū)動(dòng)功率極小, 驅(qū)動(dòng)電路簡單。
3.低導(dǎo)通電阻。在給定芯片尺寸和BVceo下, 其導(dǎo)通電阻Rce(on) 不大于MOSFET的Rds(on) 的10%。

4.擊穿電壓高, 安全工作區(qū)大, 在瞬態(tài)功率較高時(shí)不會受損壞。

5.開關(guān)速度快, 關(guān)斷時(shí)間短,耐壓1kV~1.8kV的約1.2us、600V級的約0.2us, 約為GTR的10%,接近于功率MOSFET, 開關(guān)頻率直達(dá)100KHz, 開關(guān)損耗僅為GTR的30%。

IGBT將場控型器件的優(yōu)點(diǎn)與GTR的大電流低導(dǎo)通電阻特性集于一體, 是極佳的高速高壓半導(dǎo)體功率器件。

目前 458 系列因應(yīng)不同機(jī)種采了不同規(guī)格的 IGBT, 它們的參數(shù)如下 :
(1) SGW25N120---- 西門子公司出品 , 耐壓 1200V, 電流容量 25 ℃ 時(shí) 46A,100 ℃ 時(shí) 25A, 內(nèi)部不帶阻尼二極管 , 所以應(yīng)用時(shí)須配套 6A/1200V 以上的快速恢復(fù)二極管 (D11) 使用 , 該 IGBT 配套 10A/1200/1500V 以上的快速恢復(fù)二極管 (D11) 后可代用 SKW25N120 。
(2) SKW25N120---- 西門子公司出品 , 耐壓 1200V, 電流容量 25 ℃ 時(shí) 46A,100 ℃ 時(shí) 25A, 內(nèi)部帶阻尼二極管 , 該 IGBT 可代用 SGW25N120, 代用時(shí)將原配套 SGW25N120 的 D11 快速恢復(fù)二極管拆除不裝。

(3) GT40Q321---- 東芝公司出品 , 耐壓 1200V, 電流容量 25 ℃ 時(shí) 42A,100 ℃ 時(shí) 23A, 內(nèi)部帶阻尼二極管 , 該 IGBT 可代用 SGW25N120 、 SKW25N120, 代用 SGW25N120 時(shí)請將原配套該 IGBT 的 D11 快速恢復(fù)二極管拆除不裝。
(4) GT40T101---- 東芝公司出品 , 耐壓 1500V, 電流容量 25 ℃ 時(shí) 80A,100 ℃ 時(shí) 40A, 內(nèi)部不帶阻尼二極管 , 所以應(yīng)用時(shí)須配套 15A/1500V 以上的快速恢復(fù)二極管 (D11) 使用 , 該 IGBT 配套 6A/1200V 以上的快速恢復(fù)二極管 (D11) 后可代用 SGW25N120 、 SKW25N120 、 GT40Q321, 配套 15A/1500V 以上的快速恢復(fù)二極管 (D11) 后可代用 GT40T301 。
(5) GT40T301---- 東芝公司出品 , 耐壓 1500V, 電流容量 25 ℃ 時(shí) 80A,100 ℃ 時(shí) 40A, 內(nèi)部帶阻尼二極管 , 該 IGBT 可代用 SGW25N120 、 SKW25N120 、 GT40Q321 、 GT40T101, 代用 SGW25N120 和 GT40T101 時(shí)請將原配套該 IGBT 的 D11 快速恢復(fù)二極管拆除不裝。
(6) GT60M303 ---- 東芝公司出品 , 耐壓 900V, 電流容量 25 ℃ 時(shí) 120A,100 ℃ 時(shí) 60A, 內(nèi)部帶阻尼二極管。
(7) GT40Q323---- 東芝公司出品 , 耐壓 1200V, 電流容量 25 ℃ 時(shí) 40A,100 ℃ 時(shí) 20A, 內(nèi)部帶阻尼二極管 , 該 IGBT 可代用 SGW25N120 、 SKW25N120, 代用 SGW25N120 時(shí)請將原配套該 IGBT 的 D11 快速恢復(fù)二極管拆除不裝。

(8) FGA25N120---- 美國仙童公司出品 , 耐壓 1200V, 電流容量 25 ℃ 時(shí) 42A,100 ℃ 時(shí) 23A, 內(nèi)部帶阻尼二極管 , 該 IGBT 可代用 SGW25N120 、 SKW25N120, 代用 SGW25N120 時(shí)請將原配套該 IGBT 的 D11 快速恢復(fù)二極管拆除不裝。

2.11 VCE 檢測電路

將 IGBT(Q1) 集電極上的脈沖電壓通過 R1+R17 、 R28 分壓 R29 限流后，送至 LM339 6 腳 , 在 6 腳上獲得其取樣電壓 , 此反影了 IGBT 的 VCE 電壓變化的信息送入 LM339, LM339 根據(jù)監(jiān)測該電壓的變化 , 自動(dòng)作出電壓比較而決定是否工作。
(1) 配合 VAC 檢測電路、電流檢測電路反饋的信息 , 判別是否己放入適合的鍋具 , 作出相應(yīng)的動(dòng)作指令 ( 見加熱開關(guān)控制及試探過程一節(jié) ) 。
(2) 根據(jù) VCE 取樣電壓值 , 自動(dòng)調(diào)整 PWM 脈寬 , 抑制 VCE 脈沖幅度不高于 1050V( 此值適用于耐壓 1200V 的 IGBT, 耐壓 1500V 的 IGBT 抑制值為 1300V) 。
(3) 當(dāng)測得其它原因?qū)е?VCE 脈沖高于 1150V 時(shí) (( 此值適用于耐壓 1200V 的 IGBT, 耐壓 1500V 的 IGBT 此值為 1400V), LM339 立即停止工作 ( 見故障代碼表 ) 。

2.12 浪涌電壓監(jiān)測電路

當(dāng)正弦波電源電壓處于上下半周時(shí) , 由 D17 、 D18 和整流橋 DB 內(nèi)部交流兩輸入端對地的兩個(gè)二極管組成的橋式整流電路產(chǎn)生的脈動(dòng)直流電壓，當(dāng)電源突然有浪涌電壓輸入時(shí) , 此電壓通過 R41 、 C34 耦合 , 再經(jīng)過 R42 分壓， R44 限流 C35 濾波后的電壓，控制 Q5 的基極，基極為 高電平時(shí) , 電壓 Q5 基極 ,Q5 飽和導(dǎo)通 ,CPU 17 的電平通過 Q5 至地 ,PWM 停止輸出，本機(jī)停止工作 ; 當(dāng) 浪涌脈沖過后 , Q5 的基極為 低電平 ,Q5 截止 , CPU 17 的電平通過 Q5 至地 , CPU 再重新發(fā)出加熱指令。

2.13 過零檢測

2.15 IGBT 溫度監(jiān)測電路

IGBT 產(chǎn)生的溫度透過散熱片傳至緊貼其上的負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻 TH, 該電阻阻值的變化間接反影了 IGBT 的溫度變化 ( 溫度 / 阻值祥見熱敏電阻溫度分度表 ), 熱敏電阻與 R8 分壓點(diǎn)的電壓變化其實(shí)反影了熱敏電阻阻值的變化 , 即 IGBT 的溫度變化 , CPU 通過監(jiān)測該電壓的變化 , 作出相應(yīng)的動(dòng)作指令 :
(1) IGBT 結(jié)溫高于 90 ℃ 時(shí) , 調(diào)整 PWM 的輸出 , 令 IGBT 結(jié)溫 ≤ 90 ℃ 。 當(dāng) IGBT 結(jié)溫由于某原因 ( 例如散熱系統(tǒng)故障 ) 而高于 95 ℃ 時(shí) , 加熱立即停止 , 并報(bào)知信息 。
(2) 當(dāng)熱敏電阻 TH 開路或短路時(shí) , 發(fā)出不啟動(dòng)指令 , 并報(bào)知相關(guān)的信息 。
(3) 關(guān)機(jī)時(shí)如 IGBT 溫度 >50 ℃ ,CPU 發(fā)出風(fēng)扇繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)指令 , 直至溫度 < 50 ℃ ( 繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)超過 30 秒鐘如 溫度仍 >50 ℃ , 風(fēng)扇停轉(zhuǎn) ; 風(fēng)扇延時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)期間 , 按 1 次關(guān)機(jī)鍵 , 可關(guān)閉風(fēng)扇 ) 。
(4) 電磁爐剛啟動(dòng)時(shí) , 當(dāng)測得環(huán)境溫度 <0 ℃ ,CPU 調(diào)用低溫監(jiān)測模式加熱 1 分鐘 ,30 秒鐘后再轉(zhuǎn)用正常監(jiān)測模式 , 防止電路零件因低溫偏離標(biāo)準(zhǔn)值造成電路參數(shù)改變而損壞 電磁爐。

2.19 報(bào)警電路

電磁爐發(fā)出報(bào)知響聲時(shí) ,CPU1 腳輸出幅度為 5V 、頻率 4KHz 的脈沖信號電壓至蜂鳴器 BZ1, 令 BZ1 發(fā)出報(bào)知響聲。