1 電磁爐加熱原理
電磁爐是一種利用電磁感應原理將電能轉換為熱能的廚房電器。在電磁爐內部，由整流電路將 50/60Hz 的交流電壓變成直流電壓，再經過控制電路將直流電壓轉換成頻率為 20-40KHz 的高頻電壓，高速變化的電流流過線圈會產生高速變化的磁場，當磁場內的磁力線通過金屬器皿 ( 導磁又導電材料 ) 底部金屬體內產生無數的小渦流，使器皿本身自行高速發熱，然後再加熱器皿內的東西。
電磁爐面板有LED發光二極管顯示模式、 LED 數碼顯示模式、 LCD 液晶顯示模式、 VFD 瑩光顯示模式、 TFT 真彩顯示模式機種。操作功能有加熱火力調節、自動恆溫設定、定時關機、預約開 / 關機、預置操作模式、自動泡茶、自動煮飯、自動煲粥、自動煲湯及煎、炸、烤、火鍋等料理功能機種。額定加熱功率有 500W~3400W 的不同機種 , 功率調節範圍為額定功率的 90%, 並且在全電壓範圍內功率自動恆定。 200~240V 機種電壓使用範圍為 160~260V, 100~120V 機種電壓使用範圍為 90~135V 。全系列機種均適用於 50 、 60Hz 的電壓頻率。使用環境溫度為 -23 ℃ ~45 ℃。電控功能有鍋具超溫保護、鍋具乾燒保護、鍋具傳感器開 / 短路保護、 2 小時不按鍵 ( 忘鉀機 ) 保護、 IGBT 溫度限制、 IGBT 溫度過高保護、低溫環境工作模式、 IGBT 測溫傳感器開 / 短路保護、高低電壓保護、浪湧電壓保護、 VCE 抑制、 VCE 過高保護、過零檢測、小物檢測、鍋具材質檢測。
2 電磁爐工作原理分析
2.1 特殊零件簡介
2.1.1 LM339 集成電路
2.1.1 LM339 集成電路
LM339 內置四個翻轉電壓為 6mV 的電壓比較器 , 當電壓比較器輸入端電壓正向時 (+ 輸入端電壓高於 - 入輸端電壓 ), 置於 LM339 內部控制輸出端的三極管截止 , 此時輸出端相當於開路 ; 當電壓比較器輸入端電壓反向時 (- 輸入端電壓高於 + 輸入端電壓 ), 置於 LM339 內部控制輸出端的三極管導通 , 將比較器外部接入輸出端的電壓拉低 , 此時輸出端為 0V 。
2.1.2 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等電壓激勵場控型器件優點於一體的高壓、高速大功率器件。 目前有用不同材料及工藝製作的 IGBT, 但它們均可被看作是一個MOSFET輸入跟隨一個雙極型晶體管放大的複合結構。 IGBT有三個電極(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) 及發射極E(也稱源極) 。 從IGBT的下述特點中可看出, 它克服了功率MOSFET的一個致命缺陷, 就是於高壓大電流工作時, 導通電阻大, 器件發熱嚴重, 輸出效率下降。 IGBT的特點: 1.電流密度大, 是MOSFET的數十倍。 2.輸入阻抗高, 柵驅動功率極小, 驅動電路簡單。3.低導通電阻。在給定芯片尺寸和BVceo下, 其導通電阻Rce(on) 不大於MOSFET的Rds(on) 的10%。 4.擊穿電壓高, 安全工作區大, 在瞬態功率較高時不會受損壞。 5.開關速度快, 關斷時間短,耐壓1kV~1.8kV的約1.2us、600V級的約0.2us, 約為GTR的10%,接近於功率MOSFET, 開關頻率直達100KHz, 開關損耗僅為GTR的30%。 IGBT將場控型器件的優點與GTR的大電流低導通電阻特性集於一體, 是極佳的高速高壓半導體功率器件。
目前不同規格的 IGBT, 它們的參數如下：
(1) SGW25N120---- 西門子公司出品 , 耐壓 1200V, 電流容量 25 ℃ 時 46A,100 ℃ 時 25A, 內部不帶阻尼二極管 , 所以應用時須配套 6A/1200V 以上的快速恢復二極管 (D11) 使用 , 該 IGBT 配套 10A/1200/1500V 以上的快速恢復二極管 (D11) 後可代用 SKW25N120 。
(2) SKW25N120---- 西門子公司出品 , 耐壓 1200V, 電流容量 25 ℃ 時 46A,100 ℃ 時 25A, 內部帶阻尼二極管 , 該 IGBT 可代用 SGW25N120, 代用時將原配套 SGW25N120 的 D11 快速恢復二極管拆除不裝。
(3) GT40Q321---- 東芝公司出品 , 耐壓 1200V, 電流容量 25 ℃ 時 42A,100 ℃ 時 23A, 內部帶阻尼二極管 , 該 IGBT 可代用 SGW25N120 、 SKW25N120, 代用 SGW25N120 時請將原配套該 IGBT 的 D11 快速恢復二極管拆除不裝。
(4) GT40T101---- 東芝公司出品 , 耐壓 1500V, 電流容量 25 ℃ 時 80A,100 ℃ 時 40A, 內部不帶阻尼二極管 , 所以應用時須配套 15A/1500V 以上的快速恢復二極管 (D11) 使用 , 該 IGBT 配套 6A/1200V 以上的快速恢復二極管 (D11) 後可代用 SGW25N120 、 SKW25N120 、 GT40Q321, 配套 15A/1500V 以上的快速恢復二極管 (D11) 後可代用 GT40T301 。
(5) GT40T301---- 東芝公司出品 , 耐壓 1500V, 電流容量 25 ℃ 時 80A,100 ℃ 時 40A, 內部帶阻尼二極管 , 該 IGBT 可代用 SGW25N120 、 SKW25N120 、 GT40Q321 、 GT40T101, 代用 SGW25N120 和 GT40T101 時請將原配套該 IGBT 的 D11 快速恢復二極管拆除不裝。
(6) GT60M303 ---- 東芝公司出品 , 耐壓 900V, 電流容量 25 ℃ 時 120A,100 ℃ 時 60A, 內部帶阻尼二極管。
(7) GT40Q323---- 東芝公司出品 , 耐壓 1200V, 電流容量 25 ℃ 時 40A,100 ℃ 時 20A, 內部帶阻尼二極管 , 該 IGBT 可代用 SGW25N120 、 SKW25N120, 代用 SGW25N120 時請將原配套該 IGBT 的 D11 快速恢復二極管拆除不裝。
(8) FGA25N120---- 美國仙童公司出品 , 耐壓 1200V, 電流容量 25 ℃ 時 42A,100 ℃ 時 23A, 內部帶阻尼二極管 , 該 IGBT 可代用 SGW25N120 、 SKW25N120, 代用 SGW25N120 時請將原配套該 IGBT 的 D11 快速恢復二極管拆除不裝。
2.2 電路方框圖
2.3 主迴路原理分析
時間 t1~t2 時當開關脈衝加至 IGBTQ1 的 G 極時 , IGBTQ1 飽和導通 , 電流 i1 從電源流過 L1, 由於線圈感抗不允許電流突變 . 所以在 t1~t2 時間 i1 隨線性上升 , 在 t2 時脈衝結束 , IGBTQ1 截止 , 同樣由於感抗作用 ,i1 不能立即突變 0, 於是向 C3 充電 , 產生充電電流 i2, 在 t3 時間 ,C3 電荷充滿 , 電流變 0, 這時 L1 的磁場能量全部轉為 C3 的電場能量 , 在電容兩端出現左負右正 , 幅度達到峰值電壓 , 在 IGBTQ1 的 CE 極間出現的電壓實際為逆程脈衝峰壓 + 電源電壓 , 在 t3~t4 時間 ,C3 通過 L1 放電完畢 ,i3 達到最大值 , 電容兩端電壓消失 , 這時電容中的電能又全部轉化為 L1 中的磁能 , 因感抗作用 ,i3 不能立即突變 0, 於是 L1 兩端電動勢反向 , 即 L1 兩端電位左正右負 , 由於 IGBT 內部阻尼管的存在 ,C3 不能繼續反向充電 , 而是經過 C2 、 IGBT 阻尼管迴流 , 形成電流 i4, 在 t4 時間 , 第二個脈衝開始到來 , 但這時 IGBTQ1 的 UE 為正 ,UC 為負 , 處於反偏狀態 , 所以 IGBTQ1 不能導通 , 待 i4 減小到 0,L1 中的磁能放完 , 即到 t5 時 IGBTQ1 才開始第二次導通 , 產生 i5 以後又重複 i1~i4 過程 , 因此在 L1 上就產生了和開關脈衝 f(20KHz~30KHz) 相同的交流電流。 t4~t5 的 i4 是 IGBT 內部阻尼管的導通電流 , 在高頻電流一個電流週期裡 ,t2~t3 的 i2 是線盤磁能對電容 C3 的充電電流 ,t3~t4 的 i3 是逆程脈衝峰壓通過 L1 放電的電流 ,t4~t5 的 i4 是 L1 兩端電動勢反向時 , 因的存在令 C3 不能繼續反向充電 , 而經過 C2 、 IGBT 阻尼管迴流所形成的阻尼電流 ,IGBTQ1 的導通電流實際上是 i1 。IGBTQ1 的 VCE 電壓變化 : 在靜態時 ,UC 為輸入電源經過整流後的直流電源 ,t1~t2,IGBTQ1 飽和導通 ,UC 接近地電位 ,t4~t5, IGBT 阻尼管導通 ,UC 為負壓 ( 電壓為阻尼二極管的順向壓降 ),t2~t4, 也就是 LC 自由振盪的半個週期 ,UC 上出現峰值電壓 , 在 t3 時 UC 達到最大值。
以上分析證實兩個問題 : 一是在高頻電流的一個週期裡 , 只有 i1 是電源供給 L 的能量 , 所以 i1 的大小就決定加熱功率的大小 , 同時脈衝寬度越大 ,t1~t2 的時間就越長 ,i1 就越大 , 反之亦然 , 所以要調節加熱功率 , 只需要調節脈衝的寬度 ; 二是 LC 自由振盪的半週期時間是出現峰值電壓的時間 , 亦是 IGBTQ1 的截止時間 , 也是開關脈衝沒有到達的時間 , 這個時間關係是不能錯位的 , 如峰值脈衝還沒有消失 , 而開關脈衝己提前到來 , 就會出現很大的導通電流使 IGBTQ1 燒壞 , 因此必須使開關脈衝的前沿與峰值脈衝後沿相同步。
2.4 振盪電路
(1) 當 PWM 點有 Vi 輸入時、 V7 OFF 時 (V7=0V), V5 等於 D6 的順向壓降 , 而當 V5 OFF 轉態為 ON,V6 亦上升至 Vi, 而 V5 則由 R20 向 C16 充電。 (2) 當 V5>V6 時 ,V7 轉態為 OFF,V6 亦降至 D6 的順向壓降 , 而 V5 則由 C16 、 D6 放電。 (3) V5 放電至小於 V6 時 , 又重複 (1) 形成振盪。 “ G 點輸入的電壓越高 , V7 處於 ON 的時間越長 , 電磁爐的加熱功率越大 , 反之越小”。 2.5 IGBT 激勵電路 振盪電路輸出幅度約 4.1V 的脈衝信號 , 此電壓不能直接控制 IGBT 的飽和導通及截止 , 所以必須通過激勵電路將信號放大才行 , 該電路工作過程如下 : (1) V8 OFF 時 (V8=0V),V8 (2) V8 ON 時 (V8=4.1V),V8>V9,V10 為低 ,Q81 截止、 Q4 導通 ,+18V 通過 R23 、 Q4 和 Q1 的 E 極加至 IGBT 的 G 極 ,IGBT 導通。 2.6 PWM 脈寬調控電路 CPU 輸出 PWM 脈衝到由 R30 、 C27 、 R31 組成的積分電路 , PWM 脈衝寬度越寬 ,C28 的電壓越高 ,C29 的電壓也跟著升高 , 送到振盪電路 (G 點 ) 的控制電壓隨著 C29 的升高而升高 , 而 G 點輸入的電壓越高 , V7 處於 ON 的時間越長 , 電磁爐的加熱功率越大 , 反之越小。 “ CPU 通過控制 PWM 脈衝的寬與窄 , 控制送至振盪電路 G 的加熱功率控制電壓，控制了 IGBT 導通時間的長短 , 結果控制了加熱功率的大小”。 2.7 同步電路 市電經整流器整流、濾波後的 310V 直流電，由 R15+R14 、 R16 分壓產生 V3,R1+R17 、 R28 分壓產生 V4, 在高頻電流的一個週期裡 , 在 t2~t4 時間 ( 圖 1), 由於 C14 兩端電壓為上負下正 , 所以 V3 2.8 加熱開關控制 (1) 當不加熱時 ,CPU 17 腳輸出低電平 ( 同時 CPU 10 腳也停止 PWM 輸出 ), D7 導通 , 將 LM339 9 電壓拉低 , 振盪停止 , 使 IGBT 激勵電路停止輸出 ,IGBT 截止 , 則加熱停止。 開始加熱時 , CPU 17 腳輸出高電平 ,D7 截止 , 同時 CPU 10 腳開始間隔輸出 PWM 試探信號 , 同時 CPU 通過分析電流檢測電路和 VAC 檢測電路反饋的電壓信息、 VCE 檢測電路反饋的電壓波形變化情況 , 判斷是否己放入適合的鍋具 , 如果判斷己放入適合的鍋具 ,CPU10 腳轉為輸出正常的 PWM 信號 , 電磁爐進入正常加熱狀態 , 如果電流檢測電路、 VAC 及 VCE 電路反饋的信息 , 不符合條件 ,CPU 會判定為所放入的鍋具不符 (2) 或無鍋 , 則繼續輸出 PWM 試探信號 , 同時發出指示無鍋的報知信息 ( 見故障代碼表 ), 如 30 秒鐘內仍不符合條件 , 則關機。 2.9 VAC 檢測電路 AC220V 由 D17 、 D18 整流的脈動直流電壓通過 R40 限流再經過， C33 、 R39 C32 組成的π型濾波器進行濾波後的電壓，經 R38 分壓後的直流電壓，送入 CPU 6 , 根據監測該電壓的變化 ,CPU 會自動作出各種動作指令。 (1) 判別輸入的電源電壓是否在充許範圍內 , 否則停止加熱 , 並報知信息 ( 見故障代碼表 ) 。 (2) 配合電流檢測電路、 VCE 電路反饋的信息 , 判別是否己放入適合的鍋具 , 作出相應的動作指令 ( 見加熱開關控制及試探過程一節 ) 。 (3) 配合電流檢測電路反饋的信息及方波電路監測的電源頻率信息 , 調控 PWM 的脈寬 , 令輸出功率保持穩定。 “電源輸入標準 220V ± 1V 電壓 , 不接線盤 (L1) 測試 CPU 第 6 腳電壓 , 標準為 2.65V ± 0.06V ”。 2.10 電流檢測電路 電流互感器 CT1 二次測得的 AC 電壓 , 經 D1~D4 組成的橋式整流電路整流、 R12 、 R13 分壓， C11 濾波 , 所獲得的直流電壓送至 CPU 5 腳 , 該電壓越高 , 表示電源輸入的電流越大 , CPU 根據監測該電壓的變化 , 自動作出各種動作指令 : (1) 配合 VAC 檢測電路、 VCE 電路反饋的信息 , 判別是否己放入適合的鍋具 , 作出相應的動作指令 ( 見加熱開關控制及試探過程一節 ) 。 (2) 配合 VAC 檢測電路反饋的信息及方波電路監測的電源頻率信息 , 調控 PWM 的脈寬 , 令輸出功率保持穩定。 2.11 VCE 檢測電路 將 IGBT(Q1) 集電極上的脈衝電壓通過 R1+R17 、 R28 分壓 R29 限流後，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 根據監測該電壓的變化 , 自動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 , 作出相應的動作指令 ( 見加熱開關控制及試探過程一節 ) 。 (2) 根據 VCE 取樣電壓值 , 自動調整 PWM 脈寬 , 抑制 VCE 脈衝幅度不高於 1050V( 此值適用於耐壓 1200V 的 IGBT, 耐壓 1500V 的 IGBT 抑制值為 1300V) 。 (3) 當測得其它原因導至 VCE 脈衝高於 1150V 時 (( 此值適用於耐壓 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 浪湧電壓監測電路 當正弦波電源電壓處於上下半周時 , 由 D17 、 D18 和整流橋 DB 內部交流兩輸入端對地的兩個二極管組成的橋式整流電路產生的脈動直流電壓，當電源突然有浪湧電壓輸入時 , 此電壓通過 R41 、 C34 耦合 , 再經過 R42 分壓， R44 限流 C35 濾波後的電壓，控制 Q5 的基極，基極為 高電平時 , 電壓 Q5 基極 ,Q5 飽和導通 ,CPU 17 的電平通過 Q5 至地 ,PWM 停止輸出，本機停止工作 ; 當 浪湧脈衝過後 , Q5 的基極為 低電平 ,Q5 截止 , CPU 17 的電平通過 Q5 至地 , CPU 再重新發出加熱指令。 2.13 過零檢測 當正弦波電源電壓處於上下半周時 , 由 D17 、 D18 和整流橋 DB 內部交流兩輸入端對地的兩個二極管組成的橋式整流電路產生的脈動直流電壓通過 R40 限流再經過， C33 、 R39 C32 組成的π型濾波器進行濾波後的電壓，經 R38 分壓後的電壓，在 CPU 6 則形成了與電源過零點相同步的方波信號 ,CPU 通過監測該信號的變化 , 作出相應的動作指令。 2.14 鍋底溫度監測電路 加熱鍋具底部的溫度透過微晶玻璃板傳至緊貼玻璃板底的負溫度係數熱敏電阻 , 該電阻阻值的變化間接反影了加熱鍋具的溫度變化 ( 溫度 / 阻值祥見熱敏電阻溫度分度表 ), 熱敏電阻與 R4 分壓點的電壓變化其實反影了熱敏電阻阻值的變化 , 即加熱鍋具的溫度變化 , CPU 8 腳通過監測該電壓的變化 , 作出相應的動作指令 : (1) 定溫功能時 , 控制加熱指令 , 另被加熱物體溫度恆定在指定範圍內。 (2) 當鍋具溫度高於 270 ℃ 時 , 加熱立即停止 , 並報知信息 ( 見故障代碼表 ) 。 (3) 當鍋具空燒時 , 加熱立即停止 , 並報知信息 ( 見故障代碼表 ) 。 (4) 當熱敏電阻開路或短路時 , 發出不啟動指令 , 並報知相關的信息 ( 見故障代碼表 ) 。 2.15 IGBT 溫度監測電路 IGBT 產生的溫度透過散熱片傳至緊貼其上的負溫度係數熱敏電阻 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 分壓點的電壓變化其實反影了熱敏電阻阻值的變化 , 即 IGBT 的溫度變化 , CPU 通過監測該電壓的變化 , 作出相應的動作指令 : (1) IGBT 結溫高於 90 ℃ 時 , 調整 PWM 的輸出 , 令 IGBT 結溫 ≤ 90 ℃ 。 當 IGBT 結溫由於某原因 ( 例如散熱系統故障 ) 而高於 95 (2) ℃ 時 , 加熱立即停止 , 並報知信息 ( 祥見故障代碼表 ) 。 (3) 當熱敏電阻 TH 開路或短路時 , 發出不啟動指令 , 並報知相關的信息 ( 祥見故障代碼表 ) 。 (4) 關機時如 IGBT 溫度 >50 ℃ ,CPU 發出風扇繼續運轉指令 , 直至溫度 < 50 ℃ ( 繼續運轉超過 30 秒鐘如 溫度仍 >50 ℃ , 風扇停轉 ; 風扇延時運轉期間 , 按 1 次關機鍵 , 可關閉風扇 ) 。 (5) 電磁爐剛啟動時 , 當測得環境溫度 <0 ℃ ,CPU 調用低溫監測模式加熱 1 分鐘 ,30 秒鐘後再轉用正常監測模式 , 防止電路零件因低溫偏離標準值造成電路參數改變而損壞 電磁爐。 2.16 散熱系統 將 IGBT 及整流器 BG 緊貼於散熱片上 , 利用風扇運轉通過電磁爐進、出風口形成的氣流將散熱片上的熱及線盤 L1 等零件工作時產生的熱、加熱鍋具輻射進電磁爐內的熱排出電磁爐外。 CPU 15 腳發出風扇運轉指令時 , 15 腳輸出高電平 , 電壓通過 R27 送至 Q3 基極 ,Q3 飽和導通 ,VCC 電流流過風扇、 Q3 至地 , 風扇運轉 ; CPU 發出風扇停轉指令時 , 15 腳輸出低電平 ,Q3 截止 , 風扇因沒有電流流過而停轉。 2.17 主電源 AC220V 50/60Hz 電源經保險絲 FUSE, 再通過由 RZ 、 C1 、共模線圈 L1 組成的濾波電路 ( 針對 EMC 傳導問題而設置 , 祥見註解 ), 再通過電流互感器至橋式整流器 BG, 產生的脈動直流電壓通過扼流線圈提供給主 迴路使用 ;AC1 、 AC2 兩端電壓除送至輔助電源使用外 , 另外還通過印於 PCB 板上的保險線 P.F. 送至 D1 、 D2 整流得到脈動直流電壓作檢測用途。 註解 : 由於中國大陸目前並未提出電磁爐須作強制性電磁兼容 (EMC) 認證 , 基於成本原因 , 內銷產品大部分沒有將 CY1 、 CY2 裝上 ,L1 用跳線取代 , 但基本上不影響電磁爐使用性能。 
2.18 輔助電源
AC220V 50/60Hz 電壓接入變壓器初級線圈 , 次級兩繞組分別產生 2.2V 、 12V 和 18V 交流電壓。
12V 交流電壓由 D19~D22 組成的橋式整流電路整流、 C37 濾波 , 在 C37 上獲得的直流電壓 VCC 除供給散熱風扇使用外 , 還經由 V8 三端穩壓 IC 穩壓、 C38 濾波 , 產生 +5V 電壓供控制電路使用。
18V 交流電壓由 D15 組成的半波動整流電路整流、 C26 濾波後 , 再通過由 Q9 、 R33 、 DW9 、 C27 、 C28 組成的串聯型穩壓濾波電路 , 產生 +18V 電壓供 IC2 和 IGBT 激勵電路使用。
2.19 報警電路
電磁爐發出報知響聲時 ,CPU1 腳輸出幅度為 5V 、頻率 4KHz 的脈衝信號電壓至蜂鳴器 BZ1, 令 BZ1 發出報知響聲。
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