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了解现代电磁炉的工作原理
 

【作者: Akshat JAIN等人】2017年10月18日 星期三

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即便已经存在一个世纪左右,电磁炉热依然不断升温。不管是印度市场还是国际市场,电磁炉的人气颇高,被认为是炊具领域最先进的技术创新之一。在亚太新兴经济体地区,电磁炉是相对较新的电炊具。随着人们对电磁炉的认识水准提高,亚太区和东欧地区的城镇化步伐提速,电磁炉市场高速增长可期。


电磁炉是一种利用电磁线圈使锅具加热的电炊具,电磁炉的优点在於炊具内部产生热量而炉具表面并不烫手。此外,电磁炉??饪速度快,能效高,无明火,更加安全。


电磁炉是如何工作的?

电磁锅是通过电磁感应在铁磁体锅具内部产生涡流,从而产生热量。电磁感应原理早在1831年就被迈克尔法拉第首次发现。电磁感应是因某一电路的电流变化而在附近闭合电路产生电流的现象。


铁磁体锅具置於电磁炉的陶瓷板或玻璃板台面上面,而台面下面是谐振线圈,如图1所示。电磁炉台面和锅具可看作是变压器,锅具相当於短接的二次侧(负载)。高频交变电流通过谐振线圈,产生振荡磁场,磁场在锅具内部感应出电流。


电磁炉只相容具有某些属性的材料制成的锅具。为了让磁场能够使锅具加热,锅具的材质必须是铁磁体,例如,不??钢或铁。



图1 : 电磁炉原理 - 电磁感应
图1 : 电磁炉原理 - 电磁感应

电磁炉的天生优势

「没锅就不用电」只有炉台上有锅时,电磁炉才会耗电。与燃气灶或普通电炉不同,电磁炉本身不产生热量。假如炉面上没有炊具时启动电磁炉或在电磁炉运行时取下锅具,谐振线圈将会认为没有负载(开路),不会有电能传输。如果没有锅具,电磁炉就会进入睡眠模式,最小待机功耗小於1W。


为什麽电磁炉使用谐振功率转换拓扑?使用哪一种谐振功率转换拓扑?


在各种电源中,半导体元器件通常用作开关元件。电磁炉系统采用绝缘栅双极电晶体(IGBT)。在功率转换部分,为取得最低的功耗相,「软开关」比「硬开关」更有效。软开关方法是在开关操作时使谐振开关上的电压或电流为零值,软开关技术又分为两类:零压开关(ZVS)和零电流开关(ZCS)。



图2 : 硬开关与软开关对比
图2 : 硬开关与软开关对比

ZVS和ZCS开关方法各有优劣点,应用也不尽相同。通过使用L-C 谐振电路产生谐振频率,可以强制开关上的电压或电流为零值,采用这种技术的功率转换器叫做「谐振转换器」拓扑。电磁炉常用两种谐振功率转换拓扑:


· 准谐振转换器


· 半桥谐振转换器


表 1 : 准谐振转换器与半桥谐振转换器对比

叁数

准谐振(QR)转换器

半桥(HB)转换器

开关电路

需要1 IGBT

需要2支IGBT

散热器和PCB尺寸

较小

较大

价格

较低

较高

开关电路稳定性

较不稳定

稳定

额定功率

< 2000W

< 5000W

IGBT额定电压范围

1200-1350V;

600-650V;

市场

家用

商用


控制演算法:

电磁炉是按照LC谐振转换器的原理工作。谐振频率不仅取决於谐振电路,还与锅具大小和材质有关。谐振转换器使系统产生振荡的谐振频率。为控制系统的功率输出(传递到锅具),采用微控制器监视输入交流电流和电压,通过调整系统开关频率来调整功率输出。


基於准谐振拓扑的电磁炉

我们开发的1.8KW准谐振电磁炉系统采用了两个意法半导体晶片:STGWT20IH125DF 1250V 20A IH沟栅场截止技术 IGBT和 STM8S003F3超值系列8位元微控制器。技术成熟水准达到生产级。系统内置全面的保护机制,以处理瞬变电压和不同的锅具。图2是系统框图,图4是实际系统。



图3 : 框图 - 准谐振电磁炉
图3 : 框图 - 准谐振电磁炉

图4 : 1800W准谐振电磁炉 生产级解决方案
图4 : 1800W准谐振电磁炉 生产级解决方案

基於半桥谐振拓扑的电磁炉

我们开发的3.5KW 半桥谐振电磁炉系统评估板采用了意法半导体的STGW40H65DFB半桥系列650V、40A高速、沟栅场截止IGBT、L6491高压高低边4 A栅极驱动器和STM32F07232位微控制器。系统内置全面的保护机制,以处理瞬变电压和不同的炊具/容器。图5是系统框图,图6是实际系统。



图5 : 框图 - 半桥振电磁炉
图5 : 框图 - 半桥振电磁炉

图6 : 3500W半桥谐振电磁炉评估板
图6 : 3500W半桥谐振电磁炉评估板
表2.准谐振和半桥谐振电磁炉系统功能比较

特性

准谐振(QR)磁炉:

半桥(HB)电磁炉

输入电压

150V至280V交流

150V至280V交流

功率档位

8个功率功率档位,最高1.8KW

8个功率功率档位,最高3.5KW

软启动

  •  
  •  

功耗 - 睡眠模式

0.5W

0.5W

IGBT额定电压范围

1250V

650V


结论

电磁炉是一项前景很好的电炊具技术,能效高於标准电炊具,对於看重厨房环保的人士来说是一项不错的选择,从成本效益和碳足迹角度看,选择电磁炉优於铺设燃气管道。


(本文作者Akshat JAIN, Ranajay MALLIK任职於意法半导体印度分公司AMG中央实验室)


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