物聯網條件下電磁爐的驅動模式構想

摘要：本文介紹一種電磁爐功率管IGBT的零壓同步驅動新模式，即利用單片機的中斷功能，當單片機檢測到IGBT集電極電壓為零時立即產生中斷，迅速發出驅動脈沖，實現零壓同步驅動的目的，以利于物聯網的實時監控。

關鍵詞：物聯網 零壓同步驅動 振蕩回路 中斷新模式

物聯網即萬物聯網，所有家電產品今后必然與互聯網連接，以實現物聯網。

電磁爐功率管IGBT必須采取零壓同步驅動方式，即當IGBT的集電極電壓為零時，才從柵極施加同步驅動脈沖的方式，如圖1所示。

一、常規電磁爐振蕩回路原理（東芝技術零壓同步驅動模式）

圖2為常規電磁爐振蕩回路原理框圖。由圖中看出，振蕩回路主要由集電極電壓過零檢測電路、振蕩電路、驅動電路、大功率開關管IGBT以及加熱線圈的LC諧振回路構成。

1.LC諧振回路

電磁爐的加熱線圈LC諧振回路基本上決定了電磁爐的工作頻率，電磁爐功率（火力）增大時，即同步驅動脈沖變寬時，工作頻率稍微變低些。一般而言，國產電磁爐工作頻率約為28～30kHz左右。

圖1中t1～t4為電磁爐的一個工作周期。LC諧振回路一般連接成LC并聯諧振，如圖3所示。下面以一個周期為例，分析電磁爐的諧振工作過程。

電磁爐插上插頭通電，在開始工作前，橋式整流濾波后輸出約310V的直流電壓；開始工作后，輸出脈動的直流電壓U。可以認為LC諧振回路的供電即是脈動的直流電壓U，其脈動頻率為市電頻率的兩倍，即100Hz。

電磁爐正式工作前要點火，點火是靠一個驅動脈沖完成的（同時完成檢鍋功能）。因此，IGBT獲得的第一個驅動脈沖是點火脈沖，此后的驅動脈沖是諧振回路產生的一連串的同步驅動脈沖。

在t1時刻，驅動脈沖結束，加熱線圈L中的電流達到最大值Imax，諧振電容C的電壓為-U。在t2時刻，加熱線圈L中的電流達到最小值Imin，諧振電容C的電壓為ucm，IGBT功率管Q的集電極電壓達最大值uh=ucm+u。在t3時刻，由于阻尼二極管D的鉗位作用，使IGBT功率管Q的集電極電壓最小，約-3～-6V。[t1，t3]諧振階段的等效電路如圖3所示。R消耗的功率為電磁爐的輸出功率。

（a）[t1，t2]諧振階段 （b）[t2，t3]諧振階段

圖3 [t1，t3]諧振階段等效電路

[t3，t4]階段為IGBT功率管Q的開通階段，此時加熱線圈進行充電，為下次諧振作好準備。

由圖3可列出如下方程：

初始條件：iL（0）=Im，Uc（0）=-U

解方程組（1），并代入初始條件，可得如下結果：

主開關Q上的電壓：

t1≤t≤t3 （6）

上式中為衰減系數，，為衰減振蕩角頻率。

由上面的結果可以看到，當主開關斷開之后，uc和iL呈現衰減的正弦振蕩，uh是uc和U的疊加，它表現為以U為軸心的衰減正弦振蕩。

2.電磁爐振蕩回路原理

參見任一完整的電磁爐整機電路圖。目前，所有電磁爐的振蕩回路，基本上都采用所謂的“東芝技術”，如圖2所示。

二、物聯網條件下電磁爐功率管IGBT的零壓同步驅動新模式

從上述“東芝技術”電磁爐振蕩回路原理看出，只要在LC諧振、使IGBT功率管的集電極電壓回零時，給功率管的柵極施加一個驅動脈沖即可。為此，特設計了如圖4所示的電磁爐功率管IGBT的零壓同步驅動新模式。

新模式的工作原理：由R1、R2、R3分壓，獲得Q0的集電極電壓信息。當Q0的集電極電壓為零時，信號送到單片機的外中斷口，單片機產生中斷，輸出一個脈沖到驅動電路，驅動Q0開通，實現功率管的零壓同步驅動。

三、新驅動模式下相關功能的設置

1.驅動脈沖延遲輸出的時間設置

由于新模式采用外中斷觸發方式，中斷的產生需要時間。對于51系列單片機，響應中斷最短需要3個機器周期（一條長調用指令2個機器周期、查詢1個機器周期）。最長時間由下列情況決定:若中斷查詢時正在執行RETI或者訪問IE或IP指令的第一個機器周期，這樣連查詢在內需要2個機器周期(以上3條指令均需2個機器周期)；若緊接著要執行的指令正好是MUL或DIV指令(兩者均為4周期指令)，則需等該指令執行完后才能進入中斷響應周期，再用2個機器周期執行一條長調用指令轉入中斷服務程序，這樣最長時間總共需要8個機器周期。因此，中斷的產生若采用邊沿觸發方式，為了準確實現功率管IGBT的零壓同步驅動，必須設置驅動脈沖輸出的延遲時間。

2.驅動脈沖寬度的設置

“東芝技術”驅動脈沖的寬度是由電路決定的。而新模式驅動脈沖的寬度是由軟件設定的，與電路無直接關系。

3.主控單片機工作效率的設置

當采用電平觸發的中斷方式時，可用兩種辦法提高主控單片機工作效率：（1）外接電路來撤除中斷請求信號；（2）中斷服務程序中盡量插入有用的指令。第一種辦法需要增加元件成本，因此最好使用第二種辦法。

4.新模式一般應采用外中斷的邊沿觸發方式

假設一個機器周期為1μs，響應中斷需要3～8個機器周期，即需要3～8μs。若電磁爐加熱諧振回路的諧振頻率為30kHz，則周期T約為33μs，響應中斷后還需執行相應的操作指令。所以采用電平觸發的中斷方式已經無法嚴格使功率管得到零壓同步驅動，在這種情況下，只能采用外中斷的邊沿觸發方式。

四、新驅動模式的優缺點

1.主要優點

（1）電路結構更簡單，成本更低，更適合規模化生產。

（2）體積更小，智能化程度更高。

（3）可做成微型電磁爐，無鍋識別、鍋質識別更快更準，故障率可大為降低。這是電磁爐零壓同步驅動新模式的關鍵所在。

（4）新模式更有利于向網絡化、智能化、多功能方向發展。

2.主要缺點

（1）軟件設計較復雜。這需要設計人員精心設計軟件。

（2）軟件設計有缺陷的話，易引起零壓同步驅動的時間誤差，造成功率管過熱、易損壞。

（3）主控單片機過于忙碌。

五、對新驅動模式的展望

20世紀70-80年代建立起來的我國數百家電磁爐工廠，在20世紀90年代就已經基本倒閉，原因主要是：功率管性能不良、功率管的驅動無法實現零壓同步驅動、無鍋及鍋質的識別保護不迅速、不徹底。直到最近幾年，電磁爐才得到普及，原因也就在于：選用過載能力強的IGBT代替大功率三極管、采用“東芝技術”的驅動模式、利用單片機進行無鍋及鍋質的識別保護。

然而，當前的問題是：制造大個子的電磁爐容易，制造小個子的電磁爐困難；無鍋及鍋質的識別保護還不迅速、不徹底；網絡化、智能化程度低，無法滿足物聯網的需要。新驅動模式能很好地解決上述問題：首先，可以去掉“東芝技術”中的幾個運放構成的比較器，進一步縮小電磁爐的體積和降低成本；其次，在單片機每次中斷產生驅動脈沖前對電磁爐進行無鍋及鍋質的識別，可以迅速停止功率管的驅動脈沖，及時對功率管進行關斷保護，提高抗電磁干擾能力。

筆者相信，新驅動模式將會是電磁爐技術中的新“東芝技術”，電磁爐物聯網一定會實現。

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（作者單位：中山市技師學院）