半桥1拖4 LC串联拓扑电磁灶功率控制研究

半桥1拖4 LC串联拓扑电磁灶功率控制研究

王云峰朱成彬佛山市顺德区美的电热电器制造有限公司528300

摘要：传统电磁炉的线圈是一个圆形线圈，加热区域为固定的，无法兼容多种尺寸和形状的锅具。现设计半桥1拖4可以兼容80~400mm以内尺寸的各种锅具，实现不同锅具的功率都能达到用户的要求，其功率波动小3.4%，且创新性地提出用交替占空比的方式使开关管在全工作过程中在90℃以下，保证了系统的可靠性

关键词：电磁灶；变频控制；占空比调制

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0.引言

2020年，国家领导人提出“双碳战略”，无论是电力还是汽车行业都来积极响应这个政策。可以推断低碳节能的生活方式将是我国未来主流的趋势。而在厨房用具中，相较于燃气灶，电磁灶的特点是能效高，热惯性小、安全易清洁，便于智能控制，在欧洲、北美等国家已经成为主要的加热灶具[1-2]。所以，燃气灶是不满足清洁能源的发展趋势，发展有先天的短板。高能效电磁灶具有更大的发展潜力。

如下图1，是市面上各种形状尺寸的锅具。现有传统的电磁炉无法满足多种形状锅具需求的。目前国内的厂家在这方面研究很少，目前仅有的方案是通过两个线圈形成双环加热，如下图2(a)；国外的厂家研究较为领先，如博世、西门子的最新技术是所谓的全表面加热电磁灶，是利用40多个小线圈铺满整个灶面，按照锅具形状开启对应线圈进行加热，如下图(b)。但是，双环线圈锅具形状兼容性仍然不强，而全表面加热电磁灶的成本相当高，普及率不高。

图1 市面上各种形状、尺寸的锅具

图2 (a)双环线圈；(b)全表面加热电磁灶

为了实现不同尺寸的锅具的效果相对均匀，电磁灶的加热区域需要可以像燃气灶火焰一样进行适配，而且不至于成本过高。，我们设计了如图3的具有柔性加热区的电磁灶。多矩形加热区域可以根据锅具大小、数量灵活进行匹配的柔性加热区，每个小矩形加热区域有一个矩形的加热线圈，仅对覆盖线圈的锅具进行加热，对各种不同锅具放置时使用不同的加热模式。

图3 柔性加热区对不同锅具的不同加热模式

电磁灶的加热原理是感应加热，是利用市电整流后高频逆变，产生高频变化的磁场加热导体锅具，上述左边4个小矩形的实现方式是在一块电路板上用两组半桥LC串联谐振功率源，加4个继电器控制4个线圈盘对锅具进行加热，简称1拖4，其电路拓扑如图4。

图4 半桥1拖4电路拓扑示意图

如图3中第4、5种情况，两个不同锅具同时加热，由于相邻线圈有相互耦合，当两者以不同频率进行加热时，会产生差频，而差频频率在人耳的响应范围内（20Hz-20kHz）时，就会有差频噪音。如下图5是两个相互耦合线圈以不同频率（分别为25kHz与26kHz）进行感应加热时的电流波形。当两个线圈有耦合时，线圈电流波形会产生和频与差频，由于家用感应加热频率在20kHz到100kHz如下图5中右图两个线圈的波形都叠加了1kHz的振荡。这是由于线圈之间相互耦合时，它们的电流波形的傅里叶展开项中存在两个线圈的工作频率的和频项与差频项，其中差频信号会以差频频率持续地对锅具进行加热，相当于以差频频率给锅具施加电磁力，导致锅具产生差频振动，产生了差频噪音。

图5 无耦合（左）线圈与有耦合（右）线圈电流波形

本文主要内容是在避免噪音的情况下,保证电磁灶的加热效果。

1.功率控制方案

为了保证电磁灶的加热效果，电磁灶输出功率必须达到与用户要求相匹配的功率。先检测锅具所在位置，然后进行不同锅具情况进行不同功率控制模式。

1.1 独立功率控制模式

当柔性加热区中仅有1个锅具加热，或者2个不相邻锅具进行加热时，进行独立的闭环功率控制。

由于上述原理图中，半桥串联拓扑感应加热时是通过调节频控制功率，其功率输出特点如下图6，在谐振频率点输出最大功率，低于谐振频点的为容性区，高于谐振点为感性区，为了保证开关管的可靠性，尽量要令开关管零电压开通，所以感应加热要在感性区进行工作。

图6 半桥串联拓扑输出率与频率关系示意图

其表达式为下式(1)[3]：

其中，Q为感应加热线圈等效的品质因数，f0为谐振频率，f是工作频率，P是当前功率，P0是谐振频率时输出功率。

为了保证输出功率，一般是闭环控制，可以使用传统的PID方法进行功率控制。如下图7，是半桥串联谐振拓扑功率控制框图。

图7 半桥LC串联谐振拓扑功率控制框图

1.2 联合功率控制模式

当柔性加热区中2个或者以上相邻锅具进行加热时，进行联合的闭环功率控制。由于半桥串联谐振是通过调频对输出功率进行控制，所以用户要求两个锅具目标功率分别为Pt1与Pt2时，有以下几种情况：

1.2.1 主从对称驱动模式

当两个锅具达到目标功率的频率为ft1与ft2，根据清华大学吴育昊等人对研究，人耳对500Hz的频率相对不敏感[4]，而常规锅感应加热线圈等效的品质因数在7左右，按照25kHz的谐振频率估算，在工作频率偏差小于500Hz时，功率偏差小于1%。所以，当有下式(2)成立时：

在保证两者都工作在感应区的情况下，以Pt1与Pt2中较大者的频率为主炉，另外一个锅具加热为从炉，从炉加热频率跟随主炉的加热频率，两个炉头进行同频加热，差频为0Hz，避免噪音。对称开通是指半桥开关管开通是对称的，上下开通占空比一样，如下图8。

图8 双半桥上下管非对称驱动波形图

1.2.2 主从非对称驱动模式

当两个锅具达到目标功率的频率为ft1与ft2，如果当有下式(3)成立：

如果采用上述主从对称开通的方式，则从炉的锅具功率偏差会随着频差的增加而越来越明显，用户体验非常差（功率可能偏大，或者偏小）。所以要采用非对称开通的模式，驱动波形例子如下图9，半桥1为主炉，半桥2为从炉，两个炉加热频率一样，保持同频加热，但是半桥2的上管开通占空比小于50%，下管开通占空比大于50%。

图9 双半桥上下管对称驱动波形图

在实际操作过程中，如果判断到需要进入非对称开通模式，则主炉进入独立调功的功率控制模式，从炉的跟随主炉的工作频率，通过调节占空比保证以同频输出用户要求功率，其功率控制框图如下图10。

图10 非对称驱动模式从炉功率控制框图

由于在实际工作过程不对称驱动时，IGBT可能会有硬开，如下图11，从上管出现硬开，导到上管流过非常大的电流，这样会导致形状管温升非常高，影响可靠性。

图11 非对称驱动模式从炉上管电流与驱动波形

因此本文为提升保证同频无噪音、功率不损失的情况下，且保证IGBT的可靠性的方案。

在检测到上管要进行入硬开时，设定一个周期，令下半桥上、下管交替使用占空比，如下图12。

图12 非对称驱动模式从炉上管交替占容比驱动波形

2.实验分析

图13(a)是以图4原理图实际设计的电路板；(b)是实际产品图。图14是两个炉头分别以3200W与1500W同时同频加热时的功率曲线，其功率非常稳定，测试功率波动小于3.4%。图15是未使用交替占空比的IGBT温升测试图，其IGBT温度最高超过120℃，IGBT可靠性有很高的风险；图16使用交替占空比驱动的IGBT温升测试图，IGBT最高温度不超过90℃，可靠性得到保证。

图13 (a)半桥1拖4电路板；(b) 双区柔性加热电磁灶

图14 主炉3200W与从炉1500W同频加热功率曲线

图15 未使用交替占空比的IGBT温升测试图

图16 未使用交替占空比的IGBT温升测试图

3.结论

在保证半桥1拖4锅具尺寸与形状适应性的条件下（兼容80~400mm以内尺寸的各种锅具），实现不同锅具的功率都能达到用户的要求，其功率波动小3.4%，且创新性地提出用交替占空比的方式使开关管在全工作过程中在90℃以下，保证了系统的可靠性。

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参考文献

[1] J. Serrano, J. Acero, I. Lope, C. Carretero, J. M. Burdio and R. Alonso, "Modeling of domestic induction heating systems with non-linear saturable loads," 2017 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), Tampa, FL, USA, 2017, pp. 3127-3133, doi: 10.1109/APEC.2017.7931144.

[2] Wei Han; K. T. Chau; Chaoqiang Jiang, et al, Comparison of Induction Heating for Pans and Woks Using Planar Cooktops. The University of Hong Kong Hong Kong, 2017.05.17.

[3] 刘永丰. 感应加热电源负载匹配技术的研究[D].华北电力大学（河北）,2008.

[4] 吴育昊,贾珈,张秀龙等.基于多重判定的纯音听阈测定方法[J].清华大学学报(自然科学版),2017,57(03):234-239.DOI:10.16511/j.cnki.qhdxxb.2017.26.002.

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