典型的电磁炉拓扑结构及应用分析
如今，随着对节能设备的不断追求，电磁炉已经在欧洲成为一种趋势，在世界其他地方越来越受欢迎。这些厨房设备因其减少烹饪时间并提高用户安全性而广受欢迎，尤其是因为他们不使用火焰或火来烹饪，因此对儿童尤其如此。根据美国能源部的数据，电磁炉的典型效率为84％，而燃气灶的典型效率为40％。本文讨论了两种典型的电磁炉设计电路，即半桥串联谐振和准谐振拓扑。审查了这两种高频逆变器拓扑的优缺点，以及用于高频工作的三个栅极驱动器电路，分立晶体管，光耦合器集成电路和变压器。
电磁炉如何工作？
半桥系列-电磁炉的谐振拓扑
电磁炉的准谐振拓扑
什么是电磁炉？
我们首先比较传统燃气烹饪和感应烹饪之间的区别。在感应烹饪中，能量直接传递到锅或锅中。在常规烹饪中，必须首先产生火，然后将热能传递到烹饪锅。一步式能量转移的感应烹饪比常规烹饪及其两步能量转移过程更有效。
图1和2显示了电磁炉的两种电路拓扑，即半桥串联谐振转换器（图1）和准谐振转换器（图2）。在两种拓扑中，都存在谐振元件lr和cr。为了简化电路，假设负载罐r为纯电阻元件。在这两种拓扑中，全桥式整流器将220 v 50 hz的交流输入电源转换为不受控制的直流电压。然后，在半桥电路的情况下，通过逆变器igbt（绝缘栅双极晶体管）开关s1和s2将该dc电压转换为高频ac电压，可以使用微控制器对其进行控制。由于高频开关交流电，因此元件线圈将产生高频电磁场，该电磁场会穿透铁质材料烹饪锅。
从法拉第定律和皮肤效应来看，这会在烹饪锅内产生涡流，然后产生热量来烹饪锅内的食物。通过应用变压器等效电路，设计人员能够将负载罐（变压器的次级）映射到谐振电感lr和电容器cr所在的电路的初级侧。由此，我们可以得到半桥和准谐振电路的等效电路，如图3和图4所示。从这些等效电路中，电磁炉的操作，谐振电感器，电容器的尺寸和控制算法都可以实现。受孕。
为了减小组件尺寸，最小化开关损耗并降低工作期间（高于20 khz谐振频率）的可听噪声，电磁炉电路通常采用谐振或软开关技术。
等效半桥串联谐振电路
等效准谐振电路
这种软开关技术可以分为两种方法：零电压开关和零电流开关。当晶体管在零电压下导通时，便会发生零电压切换。零电流开关是指消除零电流时的关断开关损耗。通过使用由lc谐振电路产生的谐振，可以使施加到开关电路的电压或电流为零。该拓扑称为“谐振转换器”。
与传统的硬开关技术相比，这允许应用利用谐振频率并获得上述好处。
半桥串联谐振的优点是稳定，并且由于简化的设计而降低了成本。电路中的电压被限制在输入电压的水平，这会降低igbt电源开关两端的电压应力。这样，设计人员可以通过选择较低额定值的igbt来降低成本。这种方法的缺点是半桥电路的控制相对复杂，并且由于上igbt（图1中的s1）所需的高侧栅极驱动器电路，散热器和pcb面积的所需尺寸也更大。 。
准谐振转换器的优势在于，它仅需要1个igbt电源开关，从而减小了pcb和散热器的设计尺寸。缺点是准谐振开关会产生一个谐振电压，该电压可能会高于直流输入电压，从而增加了igbt电源开关上的应力。这需要具有更高阻断电压能力的成本更高的组件。
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图1和2显示了电磁炉的两种电路拓扑，即半桥串联谐振转换器（图1）和准谐振转换器（图2）。在两种拓扑中，都存在谐振元件lr和cr。为了简化电路，假设负载罐r为纯电阻元件。在这两种拓扑中，全桥式整流器将220 v 50 hz的交流输入电源转换为不受控制的直流电压。然后，在半桥电路的情况下，通过逆变器igbt（绝缘栅双极晶体管）开关s1和s2将该dc电压转换为高频ac电压，可以使用微控制器对其进行控制。由于高频开关交流电，因此元件线圈将产生高频电磁场，该电磁场会穿透铁质材料烹饪锅。
从法拉第定律和皮肤效应来看，这会在烹饪锅内产生涡流，然后产生热量来烹饪锅内的食物。通过应用变压器等效电路，设计人员能够将负载罐（变压器的次级）映射到谐振电感lr和电容器cr所在的电路的初级侧。由此，我们可以得到半桥和准谐振电路的等效电路，如图3和图4所示。从这些等效电路中，电磁炉的操作，谐振电感器，电容器的尺寸和控制算法都可以实现。受孕。
为了减小组件尺寸，最小化开关损耗并降低工作期间（高于20 khz谐振频率）的可听噪声，电磁炉电路通常采用谐振或软开关技术。
等效半桥串联谐振电路
等效准谐振电路
这种软开关技术可以分为两种方法：零电压开关和零电流开关。当晶体管在零电压下导通时，便会发生零电压切换。零电流开关是指消除零电流时的关断开关损耗。通过使用由lc谐振电路产生的谐振，可以使施加到开关电路的电压或电流为零。该拓扑称为“谐振转换器”。
与传统的硬开关技术相比，这允许应用利用谐振频率并获得上述好处。
半桥串联谐振的优点是稳定，并且由于简化的设计而降低了成本。电路中的电压被限制在输入电压的水平，这会降低igbt电源开关两端的电压应力。这样，设计人员可以通过选择较低额定值的igbt来降低成本。这种方法的缺点是半桥电路的控制相对复杂，并且由于上igbt（图1中的s1）所需的高侧栅极驱动器电路，散热器和pcb面积的所需尺寸也更大。 。
准谐振转换器的优势在于，它仅需要1个igbt电源开关，从而减小了pcb和散热器的设计尺寸。缺点是准谐振开关会产生一个谐振电压，该电压可能会高于直流输入电压，从而增加了igbt电源开关上的应力。这需要具有更高阻断电压能力的成本更高的组件。
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