电磁炉主谐振电路研究与功率控制

引言

由电力电子电路组成的电磁炉（Inductioncooker）是一种利用电磁感应加?原理，对锅体进行涡流加热的新型灶具。由于具有热效率高、使用方便、无烟熏、无煤气污染、安全卫生等优点，非常适合现代家庭使用。电磁炉的主电路是一个AC/DC/AC变换器，由桥式整流器和电压谐振变换器构成，本文分析了电磁炉主谐振电路的拓扑结构和工作过程。

图1

当电磁炉负载（锅具）的大小和材质发生变化时，负载的等效电感会发生变化，这将造成电磁炉主电路谐振频率变化，这样电磁炉的输出功率会不稳定，常会使功率管IGBT过压损坏。针对这种情况，本文提出了一种双闭环控制结构和模糊控制方法，使负载变化时保持电磁炉的输出功率稳定。实际运行结果证明了该设计的有效性和可靠性。

1 电磁炉主电路拓扑结构与工作过程

1．1 电磁炉主电路拓扑结构

电磁炉的主电路如图1所示，市电经桥式整流器变换为直流电，再经电压谐振变换器变换成频率为20～30kHz的交流电。电压谐振变换器是低开关损耗的零电压型（ZVS）变换器，功率开关管的开关动作由单片机控制，并通过驱动电路完成。

电磁炉的加热线圈盘与负载锅具可以看作是一个空心变压器，次级负载具有等效的电感和电阻，将次级的负载电阻和电感折合到初级，可以得到图2所示的等效电路。其中R＊是次级电阻反射到初级的等效负载电阻；L＊是次级电感反射到初级并与初级电感L相叠加后的等效电感。

1．2 电磁炉主电路的工作过程

电磁炉主电路的工作过程可以分成3个阶段，各阶段的等效电路如图3所?。研究一个工作周期的情况，定义主开关开通的时刻为t0。时序波形如图4所示。

按主开关零电压开通的特点，t0时刻，主开关上的电压uce=0，则Cr上的电压uc=uce－Udc=－Udc。如图3（a）所示，主开关开通后，电源电压Udc加在R＊及L＊支路和Cr两端。由于Cr上的电压已经是－Udc，故Cr中的电流为0。电流仅从R＊及L＊支路流过。流过IGBT的电流is与流过L＊的电流iL相等。由图3（a）得式（1）。

可见，iL按照指数规律单调增加。流过R＊形成了功率输出，流过L＊而储存了能量。到达t1时刻，IGBT关断，iL达到最大值Im。这时，仍有uc=－Udc，uce=0。iL换向开始流入Cr，但Cr两端的电压不能突变，因此，IGBT为零电压关断。

1.2.2 [t1，t2]谐振阶段

IGBT关断之后，L＊和Cr相互交换能量而发生谐振，同时在R＊上消耗能量，形成功率输出。等效电路如图3（b）及图3（c）所示，我们也将其分为两个阶段来讨论。波形如图4中的iL和uc。

由图3(b)、图3(c)的等效电路可得到式（3）方程组。

L＊(di/dt)＋iLR＊＋uc=0