数字控制感应加热电磁炉的设计

时间：2024-05-18

余庆喜

（广东新功电器有限公司，广东潮州 515700）

随着电力电子技术的快速发展，感应加热技术得到了发展，并在较多领域得到了应用。而在电磁炉设计方面，感应加热技术也得到了应用，具有高效、节能、环保等优势，得到了人们的关注。但采用感应加热电磁炉后，在工作频率较高的情况下，会产生较大的能量损耗，并给电磁炉的工作带来安全威胁。因此，还应加强数字控制感应加热电磁炉的设计，以便使电磁炉维持安全、可靠运行。

1 感应加热电磁炉的数字控制需求分析

从结构上看，感应电磁炉由加热线圈、控制电路、金属外壳等构成，需要利用20～40 kHz交变电流加热线圈产生高频交变磁场。将金属锅具放在电磁炉上，可以感应获得涡流，促使锅具产生损耗发热。从原理上来看，电磁炉中感应加热电源产生的交变电流通过线圈后，会导致交变磁场的产生。而在磁场的切割交变磁力线中进行导磁性物体的放置，可以使物体内部产生交变电流，即涡流。在涡流的作用下，物体内部原子将发生高速无规则运动，相互碰撞和摩擦，导致热能的产生。相比于采用电热片、电热圈等热传导方式进行缓慢加热的电磁炉，感应加热电磁炉效率更高。但采用感应加热电磁炉，需要利用二极管整流桥和滤波电路对输入交流电进行处理，以获得直流电。而直流电需要经过半桥逆变电路加载在负载两端的感应线圈中，促使磁场产生。在感应加热电源中，包含整流器、滤波器、逆变器、变换器、控制器和负载，负载由感应线圈和被加热件构成，就像一个变压器。在工作频率较高的场合下，半桥逆变电路的变换器负载为容性阻抗，开关器件将轮流开通，促使二极管产生较大的反向恢复电流，造成器件损耗较大。如果变换器负载为感性负载，开关器件可实现软开关，但无法保证变换器安全，因此，也将导致系统产生较大损耗。为了保证电磁炉安全工作，还要使谐振变换器为感性负载，所以，需要实现半桥谐振逆变电路的数字控制。

2 数字控制感应加热电磁炉的设计

2.1 系统总体设计思路

结合感应加热电磁炉的数字控制需求，可以采用DSP芯片进行感应加热电磁炉数字控制系统设计。感应加热电磁炉采用调节工频方式进行功率输出调节，逆变部分采用全桥逆变，整流部分采用单相不控整流桥，控制部分采用DSP芯片实现数字化控制。在电磁炉工作过程中，将实现单相交流输出，经过桥式不控整流和大电容滤波后，可以得到平滑直流电压，然后将电压提供给逆变器。逆变采用全桥逆变，并采用负温度系数的热敏电阻对系统加电瞬间产生的浪涌电流进行抑制。

从系统控制部分的设计看，核心控制芯片为TMS320F2812，外部与采样电路、故障保护电路、驱动电路相连接，芯片外围电路包含RAM电路、时钟电路、供电电路和复位电路等。TMS320F2812为32位定点微控制单元（MCU），芯片主频高达150 MHz，拥有I2C、SPI、CAN、PWM等总线接口，能够用于实现各种设备的控制。该芯片具有体积小、性能强、便携性高的特点，能够实现高低温、振动测试。采用系统进行感应加热电磁炉控制，可以在半桥电路工作频率比谐振频率高的情况下，促使电压相位超前于电流相位，使变换器在阻感性负载状态工作。此时，电路能够在零电压开通状态下工作，因此，可以使开关损耗得到降低，并使系统效率得到提高。

2.2 系统硬件设计

2.2.1 逆变整流模块设计

在系统逆变整流模块设计上，采用单相桥式整流电路中，各二极管平均电流仅为负载电流平均值的一半，并在交流输入电压半个周期内通过电流。考虑到电网电压波动和二极管承受的反向电压大小，还要选用KBPC3510单相整流桥，其额定电流和电压分别为35A和1 000 V。经过大电容滤波后，得到的直流电压将达到264 V，谐振功率达到最大，逆变器输出最大电流为12.6A。因此，在选择开关器件时，需要完成额定电流为60A的IMBH60D-100的IGBT选取，其额定电压为1 000 V。通过并联缓冲电容、吸收电阻和快恢复二极管，则能对开关轨迹进行改善，促使电压应力得到减轻，因此可以保证开关器件可靠工作。

2.2.2 系统供电模块设计

实际进行电磁炉设计时，还要加强系统供电模块设计。系统供电包含2部分，即220 V输入交流电压和输出+5 V电压。在交流电压输入后，经过变压器整流滤波，可以得到9 V电压，为MV7805芯片供电，促使其输出+5 V电压，为DSP芯片供电。输出的+5 V电压流经电源芯片TPS767D318，可以得到DSP需的+1.8 V和+3.3 V电压。采用的电源芯片为线形低压降LDO高精度数字稳压电源，专为DSP设计，可以提供两路电压输出。而芯片各路都能提供1A直流电流，因此可以使DSP供电需求得到满足。利用1.8 V输出电压，能够为DSP内核提供电源。利用3.3 V输出电压，可以为芯片FLASH编程、I/O模拟、ADC模拟等提供电源。

2.2.3 系统检测调理模块设计

利用数字控制系统实现感应加热电磁炉设计，还要实现对电路中电流、电压等信号的检测，以便通过信号控制实现电压、电流调节。为此，还要完成系统检测调理模块设计，采用传感器进行电流、电压的检测。而由传感器输出的电流经过测量电阻转换后，可以得到电压信号。根据运算放大器增益和阻值，则能确定电压大小，确保输出的双极性信号在－3.3～+3.3 V范围内。

在电平极性转换电路中，运算放大器可以按比例将双极性信号转换为单极性信号。采用低通滤波器，可以对交流输入电流中高次谐波信号的滤除，因此，能够实现开关频率的有效调节，实现电流检测和调理。

2.2.4 系统故障保护模块设计

感应加热电磁炉工作环境相对较差，容易受外部因素干扰。比如在电网波动的情况下，就容易导致驱动电路或控制回路误动，继而导致电磁炉输出电路短路。而电路中的电流过大，将导致开关器件遭到损坏。考虑到电流变化速度较快，开关器件中时常出现高电流和高电压，所以，还要实现故障保护电力设计，实现对过流电路的迅速检测。在实际设计中，需要采用2SD315A检测直流母线和自检测的方法，加强对线路的双重保护。一旦有故障发生，则可以利用硬件和软件同时加强线路保护，及时完成故障检测。

2.3 系统软件设计

从系统软件设计上来看，主要需要实现系统主程序设计。在各类功能实现上，则要进行子程序的设计。由于系统功能较多，拥有复杂的逻辑关系，所以，还要采用模块化设计方法，将各功能设计为程度模块，比如显示模块、A/D转换模块、软件锁相环模块和故障中断处理模块等。在系统工作的过程中，通过调用不同的模块则能实现不同的功能。从系统主程序来看，在开始工作后，系统将进行自检，确认工作是否正常，并确认能否正常关机，如果不正常，则将进行报警。确认一切正常后，系统会为主电路供电，促使感应加热电磁炉以最大频率起动，并实现频率跟踪。通过对电流、电压等参数进行检测，实现各参数监测，判断系统是否存在过流、过压或欠压情况，如果需要，则会将开关器件关断并报警。如果系统内部无故障，则需要确定电流、电压等值是否超出设定值范围，超出范围时需要将电源切断，未超出范围时需要进行平均功率的发送，并根据功率给定值完成工作时间计算。在工作时间为0的情况下，需要将开关器件关断，否则需要继续进行电流、电源等参数的检测。采用该种措施，则可以使感应加热电磁炉始终处在良好工作状态下，保证电磁炉稳定工作。