基于電磁場路的IH諧振電壓研究與優(yōu)化

毛朝陽 唐文強(qiáng) 張健

1. 珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070；2. 空調(diào)設(shè)備及系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣東珠海 519070

0 引言

IH即電磁感應(yīng)加熱，是將市電整流濾波后控制產(chǎn)生高頻電流，高頻電流的磁場再作用于被加熱金屬形成感應(yīng)渦流，使金屬快速發(fā)熱。IH具有節(jié)能環(huán)保、可控性強(qiáng)及加熱效率高等特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域[1]。

IH控制系統(tǒng)核心為電壓諧振電路，由諧振電容、諧振電感和電阻組成，而諧振電感和電阻由線圈盤和被加熱金屬耦合等效而來。在家用電器中普遍采用由單個(gè)IGBT管構(gòu)成的LC并聯(lián)諧振電路拓?fù)洌琁GBT管在零電壓下導(dǎo)通，開關(guān)損耗小，系統(tǒng)效率高，同時(shí)硬件成本低[2]。但是根據(jù)統(tǒng)計(jì)，65%的主板故障是IGBT功率開關(guān)擊穿導(dǎo)致，其中過壓擊穿是主要的擊穿形式。因此，如何降低電路諧振工作時(shí)IGBT電壓應(yīng)力以提高電路的可靠性是急需解決的問題。

近年來，隨著電磁場和電路仿真軟件的普及，越來越多研究學(xué)者們借用仿真手段來分析IH問題。其中，采用三維有限元仿真多是用來分析線圈盤結(jié)構(gòu)、磁條結(jié)構(gòu)對輸出功率、溫度分布及電磁泄漏等方面的影響[3-4]，而未利用仿真來分析結(jié)構(gòu)對負(fù)載阻抗參數(shù)的影響；采用電路仿真可分析零電壓開關(guān)同步情況與IGBT電壓應(yīng)力[5]，但在此之前，需要先實(shí)驗(yàn)獲得線圈等效阻抗作為仿真參數(shù)，多次繞制線圈繁瑣又費(fèi)時(shí)。因此，進(jìn)一步基于電磁場路平臺(tái)研究IH諧振電壓應(yīng)力問題，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。

本文以家用電磁爐為例，對IH等效負(fù)載阻抗進(jìn)行分析，基于變壓器模型推算了阻抗的影響式，并在電磁場仿真軟件Maxwell中對阻抗參數(shù)進(jìn)行抽取，作為電路的準(zhǔn)確參數(shù)來源；然后對并聯(lián)諧振峰值電壓形成原因進(jìn)行分析，簡化電控系統(tǒng)電路，在電路仿真軟件Simplorer中搭建IH并聯(lián)諧振自調(diào)頻模型，計(jì)算IGBT電壓應(yīng)力。通過單項(xiàng)測試驗(yàn)證了場路仿真的準(zhǔn)確性，為后續(xù)IH諧振電壓優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。最后基于上述理論-仿真-實(shí)驗(yàn)體系搭建的IH諧振電壓分析優(yōu)化平臺(tái)，對電磁爐IGBT諧振電壓過高問題提出解決方案，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，降低了諧振電壓，達(dá)到了產(chǎn)品安全余量要求。

1 IH負(fù)載等效阻抗分析

1.1 理論等效分析

電磁爐的負(fù)載就是鍋具，工作時(shí)鍋具切割線圈盤產(chǎn)生磁力線，感應(yīng)形成反向環(huán)形渦流，產(chǎn)生焦耳熱；將鍋具與線圈盤等效成變壓器模型[6]，線圈盤作為變壓器的初級，鍋具等效成變壓器的次級，如圖1所示。

圖1 鍋具-線圈盤等效變壓器模型

其中，R1、L1分別為線圈盤的電阻和電感；R2、L2分別為鍋具的電阻和電感；M為線圈盤與鍋具之間的互感系數(shù)。

假設(shè)線圈盤輸入激勵(lì)電壓為U，頻率為ω，線圈側(cè)電流為I1，鍋具側(cè)電流為I2，根據(jù)克西柯夫定律[6]，線圈與負(fù)載方程為：?

將鍋具阻抗耦合至線圈盤側(cè)，求解線圈盤側(cè)電流如式（2）：

分解式（2）阻抗，得到線圈盤側(cè)等效電阻、等效電感分別為：

由此可見，感應(yīng)加熱時(shí)線圈盤電阻會(huì)增大，線圈盤電感會(huì)減小。同時(shí)，等效電阻Req、電感Leq也受頻率和互感系數(shù)影響，而互感系數(shù)越大，代表著線圈盤與鍋具的耦合程度越高，因此電磁爐產(chǎn)品結(jié)構(gòu)對等效電阻、電感參數(shù)影響不可忽視，需采用仿真方法進(jìn)行抽取。

1.2 阻抗參數(shù)仿真抽取

1.2.1 Maxwell渦流場理論

Maxwell方程組是支撐所有宏觀電磁現(xiàn)象的基礎(chǔ)，用于有限元處理電磁問題的微分形式如下：

在線性、均勻、各向同性媒介中，場量之間存在以下關(guān)系：

其中，E為電場強(qiáng)度，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，H為磁場強(qiáng)度，D為電通密度，J為電流密度，ρ為電荷體密度，ε為介質(zhì)的介電常數(shù)，σ為介質(zhì)的電導(dǎo)率，μ為介質(zhì)的磁導(dǎo)率。

電磁爐鍋具感應(yīng)產(chǎn)生渦流損耗就是加熱源，因此在仿真中通常采用渦流場求解，精度較高，其求解器滿足齊次波動(dòng)方程[7]：

1.2.2 三維有限元仿真

為了便于計(jì)算，在不影響結(jié)果的前提下，對模型進(jìn)行處理，去掉電磁爐塑膠外殼、微晶面板、風(fēng)扇、控制面板等不影響磁場的結(jié)構(gòu)件，留下鍋具、線圈盤及底部磁條，并將線圈盤平面螺旋結(jié)構(gòu)簡化成同心圓，再切割線圈盤截面，依次添加激勵(lì)電流形成回路，在Maxwell中建立三維仿真模型如圖2所示。

圖2 仿真簡化模型

在仿真設(shè)置中，鍋具材料設(shè)定sus430不銹鋼，線圈盤材料設(shè)定銅，磁條材料設(shè)定鐵氧體。網(wǎng)格劃分時(shí)，因?yàn)樵诟哳l下鍋具底部會(huì)產(chǎn)生集膚效應(yīng)，鍋具外表面感應(yīng)渦流密度大，靠近內(nèi)表面會(huì)呈指數(shù)減小，故在鍋具外表面選擇基于集膚深度的加密網(wǎng)格剖分設(shè)置，綜合考慮仿真時(shí)間和仿真精度，設(shè)定3層剖分，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3 a），網(wǎng)格總數(shù)為313213。

圖3 鍋具網(wǎng)格及渦流功率云圖

求解完成后，鍋具渦流功率云圖如圖3 b），可見鍋具中間渦流遠(yuǎn)大于邊緣。采用場計(jì)算器對仿真結(jié)果進(jìn)行后處理，提取損耗及阻抗結(jié)果如表1所示。

表1 仿真計(jì)算結(jié)果

1.3 阻抗參數(shù)驗(yàn)證

1.3.1 驗(yàn)證方案

為驗(yàn)證仿真的準(zhǔn)確性，制定相同工況下的實(shí)驗(yàn)方案。根據(jù)式（3）、（4）可知，等效阻抗參數(shù)除了線圈盤及鍋具本身外，還受頻率和互感系數(shù)的影響，故分別通過頻率和結(jié)構(gòu)變動(dòng)進(jìn)行驗(yàn)證。

頻率上，電磁爐工作頻率通常在20 kHz～30 kHz之間，為實(shí)現(xiàn)工作頻率上的全覆蓋驗(yàn)證，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)頻率范圍15 kHz～35 kHz，每5 kHz記錄一次，記錄點(diǎn)為：15 kHz、20 kHz、25 kHz、30 kHz、35 kHz。

結(jié)構(gòu)上，在使用電磁爐時(shí)，經(jīng)常會(huì)有鍋具放置不居中的情況，根據(jù)微晶面板加熱區(qū)域標(biāo)識(shí)范圍，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中心偏移量0 mm～40 mm，每10 mm記錄一次，記錄點(diǎn)為：0 mm、10 mm、20 mm、30 mm、40 mm。

測量等效阻抗參數(shù)的實(shí)驗(yàn)儀器采用同惠TH2832電橋，搭建測試場景如圖4所示。

圖4 阻抗實(shí)驗(yàn)測試

1.3.2 驗(yàn)證結(jié)果

（1）頻率變化

將鍋具居中放置，記錄頻率變化后實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并進(jìn)行相同工況仿真，結(jié)果對比如表2、表3。表2為等效電感隨頻率變化，表3為等效電阻隨頻率變化。

表2 等效電感結(jié)果對比（頻率變化）

表3 等效電阻結(jié)果對比（頻率變化）

（2）結(jié)構(gòu)變化

將頻率設(shè)置為25 kHz，記錄結(jié)構(gòu)變化后實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并進(jìn)行相同工況仿真，結(jié)果對比如表4、表5。表4為等效電感隨中心偏移量變化，表5為等效電阻隨中心偏移量變化。

表4 等效電感結(jié)果對比（中心偏移）

表5 等效電阻結(jié)果對比（中心偏移）

綜合頻率變化及中心偏移結(jié)果，等效電感平均仿真誤差為4.3%，等效電阻平均仿真誤差為7.5%，三維仿真抽取等效參數(shù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合，印證了模型準(zhǔn)確性，因此仿真負(fù)載等效阻抗可作為諧振電路分析依據(jù)。

2 IH電路諧振電壓分析

2.1 并聯(lián)諧振原理

鍋具及線圈盤耦合形成的等效阻抗就是諧振電感與電阻，其與諧振電容構(gòu)成并聯(lián)諧振主電路如圖5所示[8]。當(dāng)IGBT導(dǎo)通時(shí)，電源電壓加載在等效電感與電阻上，電感、電阻電流呈指數(shù)上升；開通一定時(shí)間后，IGBT關(guān)斷，電感釋放能量，電容充電，此時(shí)諧振電容Cr兩端左負(fù)右正，電容電壓與電源電壓疊加在IGBT集電極，形成峰值電壓。此后電容向電感放電，電壓逐漸下降，電感電位反向，IGBT反偏。等到下一個(gè)開通信號，電路又重復(fù)此過程，能量持續(xù)消耗在電阻上，完成加熱。

圖5 并聯(lián)諧振主電路拓?fù)?/p>

在電感與電容諧振時(shí)，電感電流會(huì)跟隨整流后的市電波形，形成周期性包絡(luò)，所以在市電電壓達(dá)到正弦峰值時(shí)，IGBT集電極電壓也會(huì)達(dá)到最大值，此是導(dǎo)致IGBT過壓擊穿的主要原因。

2.2 電路諧振電壓仿真

電磁爐電控系統(tǒng)由主電路、驅(qū)動(dòng)電路、控制電路、保護(hù)電路、輔助電源電路及顯示電路組成[9]，為了便于計(jì)算，仿真只保留主電路和控制電路并進(jìn)行簡化，在Simplorer軟件中直接調(diào)用正弦交流電源、比較器及理想開關(guān)替代實(shí)際電路，搭建仿真電路圖如圖6所示。

圖6 仿真電路圖

在仿真電路中，采用電阻分壓實(shí)現(xiàn)采樣，利用電容充放電特性實(shí)現(xiàn)同步的鋸齒波，再通過與可調(diào)電源相比較形成IGBT的開通脈沖信號。元器件參數(shù)設(shè)置與實(shí)際電路一致，求解耗時(shí)30 s，結(jié)果如圖7所示。圖7 a)為電感電流包絡(luò)波形，圖7 b)為IGBT集電極電壓波形。可見，電路仿真模型可快速、便捷地預(yù)測電路電流及電壓應(yīng)力大小。

圖7 仿真波形圖

2.3 電路參數(shù)驗(yàn)證

2.3.1 驗(yàn)證方案

為驗(yàn)證仿真的準(zhǔn)確性，制定相同工況下的實(shí)驗(yàn)方案。根據(jù)并聯(lián)諧振原理可知，IGBT集電極上峰值電壓是由諧振電容電壓與電源電壓正向疊加所產(chǎn)生，在無法改變電源電壓的情況下，可通過改變電容參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。

電磁爐電容通常取0.3 μF，根據(jù)電容規(guī)格，實(shí)驗(yàn)取0.24 μF、0.27 μF、0.3 μF、0.33 μF進(jìn)行測試，每次測試將電磁爐功率開到最大，記錄市電峰值下電感電流和IGBT集電極電壓。

記錄電路參數(shù)的實(shí)驗(yàn)儀器采用安捷倫DSO7054B示波器，搭建測試場景如圖8。

圖8 電路參數(shù)測試

2.3.2 驗(yàn)證結(jié)果

將鍋具居中放置，采取最大功率輸出，記錄電容變化后實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并進(jìn)行相同工況仿真，結(jié)果對比如表6、表7。表6為峰值電壓隨電容變化，表7為電感電流隨電容變化。

表6 峰值電壓結(jié)果對比（電容變化）

表7 電感電流結(jié)果對比（電容變化）

可見，仿真和實(shí)驗(yàn)趨勢一致，峰值電壓平均仿真誤差約為2.1%，電感電流平均仿真誤差為1.3%，仿真與實(shí)驗(yàn)誤差較小，反映了仿真電路的準(zhǔn)確性。結(jié)合負(fù)載等效阻抗抽取仿真，可實(shí)現(xiàn)IH設(shè)備并聯(lián)諧振電壓調(diào)試全仿真替代，為產(chǎn)品諧振電壓分析及優(yōu)化打下基礎(chǔ)。

3 電磁爐諧振電壓優(yōu)化

某新品電磁爐制樣后，測試發(fā)現(xiàn)峰值電壓高達(dá)1131 V，影響電磁爐安全運(yùn)行。實(shí)測等效阻抗參數(shù)后進(jìn)行仿真建模并驗(yàn)證，其等效電感為74.4 μH，等效電阻為2.34 Ω，電路諧振電容為0.27 μF。利用電路仿真模型定性分析阻抗參數(shù)對諧振峰值電壓影響趨勢，如圖9所示。

圖9 阻抗變化對峰值電壓影響

因此，可以從三個(gè)方面降低諧振峰值電壓：增大電容、減小電感、增大電阻。根據(jù)式（3）、（4），電感、電阻均與線圈盤-鍋具相關(guān)聯(lián)，可通過增加耦合系數(shù)達(dá)到減小電感、增大電阻效果，增大耦合系數(shù)方式有：縮短線圈盤與鍋具間距、增加磁條、將內(nèi)圈繞線改至外圈。

對于本樣機(jī)，由于微晶面板厚度限制，線圈盤與鍋具間距已經(jīng)達(dá)到最小，而增加磁條會(huì)額外增加成本，且影響線圈盤散熱，故采用將內(nèi)圈繞線改至外圈方案，通過磁場仿真發(fā)現(xiàn)電感減小2.4 μH，電阻增大0.12 Ω，代入電路仿真諧振峰值電壓降低87 V，諧振電壓仍然較高，增大電容至0.33 μF時(shí)，仿真發(fā)現(xiàn)諧振電壓才滿足安全要求。

按照最終仿真方案改進(jìn)，圖10中顯示實(shí)驗(yàn)測得峰值諧振電壓降至985 V，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化效果，達(dá)到了產(chǎn)品安全余量要求。

圖10 優(yōu)化前后峰值電壓

4 結(jié)論

本文重點(diǎn)分析了IH電磁場路特性，基于理論-仿真-實(shí)驗(yàn)搭建IH諧振電壓分析優(yōu)化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了IH系統(tǒng)等效阻抗參數(shù)抽取以及諧振電壓仿真預(yù)測，并總結(jié)了諧振電壓優(yōu)化方向，能為IH產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)，節(jié)約開發(fā)時(shí)間。主要結(jié)論包括：（1）IH電路負(fù)載由線圈盤-被加熱體耦合形成，等效阻抗會(huì)受自身材料、頻率、相對結(jié)構(gòu)影響；（2）頻率越高，等效電感越小，等效電阻越大；（3）鍋具越偏移中心，等效電感越大，等效電阻越小；（4）增大諧振電容、減小諧振電感、增大電阻都可以降低諧振峰值電壓；（5）對線圈盤-被加熱體結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，可以較小代價(jià)改變等效阻抗參數(shù)，實(shí)現(xiàn)諧振電壓優(yōu)化。