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仿真實(shí)例:家用電磁爐電路的Pspice仿真和能量轉(zhuǎn)換

2013-04-10 10:49 來(lái)源:電源網(wǎng) 編輯:兔子

【電源網(wǎng)】家用電磁爐一般采用單管IGBT并聯(lián)諧振電路,由于電路簡(jiǎn)單,成本低,現(xiàn)在的電磁爐采用的都是這種電路拓?fù)洹9P者沒(méi)有考證這個(gè)電路拓?fù)涞臍v史,但是在我的印象中,電磁爐起碼也有20年的歷史,而且現(xiàn)在每年的產(chǎn)量起碼在千萬(wàn)臺(tái),這種拓?fù)鋺?yīng)該是成熟的,其控制策略也應(yīng)該是成熟的——有眾多的芯片產(chǎn)家為其配套。在互聯(lián)網(wǎng)上搜了搜,也沒(méi)有人用Pspice對(duì)其電路拓?fù)溥M(jìn)行仿真分析,反正吃飽了,閑著也是閑著,試著用Pspice對(duì)家用電磁爐所用的單管IGBT并聯(lián)諧振電路進(jìn)行簡(jiǎn)化建模,作主諧振電路的技術(shù)仿真。

據(jù)資料介紹,電磁爐的電磁線圈有157uH左右,也有的是105uH;電容一般是0.15uF或是0.2uF,電阻為0.6歐姆,運(yùn)行頻率為20KHz左右。這里用105uH的電感,0.2uF的電容,按20KHz頻率運(yùn)行。 

拓?fù)錇?/strong>

L=105uH,C=0.2uF,R=0.6Ω,Us=20V,


1


PW=12.5us,PER=50us

下圖為電感電流曲線:



2






下圖綠線為電源電壓,紅線為IGBT的C極電壓曲線。


3


下圖藍(lán)色為電感電流,綠色為電源電壓,紅色為IGBT-C 極電壓。


4


下圖為電容電流曲線。



5






下圖為IGBT的電流曲線。


6


表



下面摘錄《電磁爐維修技術(shù) 張新德主編》p31,[問(wèn)答30]

電磁爐的LC振蕩??焓码姶艩t的核心電路,其工作原理就是LC并聯(lián)諧振的原理,通過(guò)電感線圈與振蕩電容不停地進(jìn)行充電和放電,產(chǎn)生振蕩波形。LC振蕩電路的工作過(guò)程是:當(dāng)IGBT的C極電壓為0V時(shí),IGBT管導(dǎo)通(監(jiān)控電路檢測(cè)到C極電壓為0V時(shí),即開(kāi)啟IGBT),此時(shí)的電感線圈開(kāi)始儲(chǔ)存能量,當(dāng)IGBT由導(dǎo)通轉(zhuǎn)向截止時(shí),此時(shí)由于電感線圈的作用,電流還會(huì)沿著先前的方向流動(dòng),由于IGBT關(guān)斷,電感只能對(duì)電容C充電,從而引起C極上的電壓不斷升高,直到充電電流變小降至0時(shí),C極電壓達(dá)到了最高。此時(shí),電容C開(kāi)始通過(guò)線圈放電,C極電壓降低,當(dāng)C極電壓降到0V時(shí),監(jiān)控電路動(dòng)作,IGBT再次開(kāi)啟,如此循環(huán)。





單管并聯(lián)諧振電路是硬開(kāi)通、硬關(guān)斷。電容的開(kāi)通浪涌電流為40A,IGBT的開(kāi)通浪涌電流為100A,因此供電電源必須為恒流源,即是大電感作扼流圈的直流電源。

關(guān)斷應(yīng)該是電感電流達(dá)到預(yù)定值時(shí),監(jiān)控電路給出信號(hào)令I(lǐng)GBT關(guān)斷。IGBT關(guān)斷后,LRC進(jìn)入自由振蕩狀態(tài),此時(shí)電感電流2.2A并未達(dá)到峰值,電容放電,電感繼續(xù)流過(guò)正方向電流,經(jīng)過(guò)約1.8us,電感電流達(dá)到峰值2.8A,電容放電完畢;電容放電完畢,電感電流大小、方向不變繼續(xù)正向流動(dòng)向電容反方向充電;到21.4us時(shí),電感儲(chǔ)能釋放完畢,電容反向充電到52V;電感儲(chǔ)能釋放完畢后,電容反方向向電感放電;到28.5us時(shí),電容放電完畢,電感電流達(dá)到反方向的峰值2.2A;然后電感釋放儲(chǔ)能,繼續(xù)流過(guò)反方向的電感電流,向電容的正方向充電;到35.7us時(shí),電感儲(chǔ)能釋放完畢,電容正向充電到49V;,電感儲(chǔ)能釋放完畢后,電容正方向向電感放電;到43us時(shí),電容放電完畢,電感電流達(dá)到正方向的峰值2.1A;電容放電完畢,電感電流大小、方向不變繼續(xù)正向流動(dòng)向電容反方向充電;到50us時(shí),電感電流降低到0.1A,電容反方向充電到47V。

如果就在50us時(shí)重新令I(lǐng)GBT導(dǎo)通,此時(shí),正向電感電流降低到0.1A,所儲(chǔ)正向電磁能量很小,重新注入的正能量和它不發(fā)生沖突,剩余能量的影響較?。坏藭r(shí)電容儲(chǔ)存有反方向的電場(chǎng)能,當(dāng)IGBT重新導(dǎo)通時(shí),IGBT相當(dāng)于短路,電容電壓(2.35倍電源電壓)和電源電壓疊加釋放,第一,浪涌電壓很大,對(duì)IGBT的沖擊很大;第二,這部分能量是白白浪費(fèi)。

如果按照電磁爐的控制策略,當(dāng)C極電壓降到0V時(shí),監(jiān)控電路動(dòng)作,IGBT再次開(kāi)啟,如此循環(huán)。從波形圖可以看出,C極電壓有兩個(gè)過(guò)0點(diǎn),一個(gè)是30.5us時(shí),此時(shí)電感電流為反方向的2A;第二個(gè)是41us時(shí),此時(shí)的電感電流為正方向的2A。從控制上說(shuō),第一點(diǎn)較好控制。但在這點(diǎn)控制IGBT重新導(dǎo)通后,輸入的正能量會(huì)和電感里面的剩余能量發(fā)生沖突,互相抵消;電容反方向充有的電場(chǎng)能量會(huì)短路釋放。

如果在第二點(diǎn)控制,比較麻煩,但此時(shí)電感里的剩余能量是正能量,能量會(huì)疊加——即電流會(huì)疊加,這點(diǎn)對(duì)硬關(guān)斷控制影響不大;只是此時(shí)電容反方向充有的電場(chǎng)能量會(huì)短路釋放。

從波形圖可見(jiàn),IGBT重新導(dǎo)通的最佳點(diǎn)在35.7us時(shí)刻,此時(shí)電感的反方向電流剛好到0,而電容正方向充電到49V。若此時(shí)令I(lǐng)GBT導(dǎo)通,電感受電源激勵(lì)通過(guò)電流,同時(shí)電容向電感的正方向放電,電感的電流和IGBT的電流并不相同,以IGBT電流為基準(zhǔn)控制,可保持運(yùn)行頻率穩(wěn)定,但電感電流超出設(shè)定值。

如此看來(lái),這種 “并聯(lián)諧振電路”,不管采用何種控制方法,盡管可以順利工作,但內(nèi)部的能量轉(zhuǎn)換都存在問(wèn)題。電是看不見(jiàn)、摸得到的東東,電路的運(yùn)行規(guī)律都是靠推斷,感謝Pspice讓我們可以看到電路的運(yùn)行規(guī)律,也看到了電路能量轉(zhuǎn)換存在的問(wèn)題。前段時(shí)間寫了篇《論可控硅并聯(lián)諧振變流器的能量轉(zhuǎn)換》,文中指出了該類型電路中存在能量轉(zhuǎn)換的問(wèn)題,當(dāng)時(shí)還說(shuō)單管并聯(lián)諧振電路的能量轉(zhuǎn)換好,不料也是憑感覺(jué)想當(dāng)然。通過(guò)以上的仿真,說(shuō)明 “并聯(lián)諧振”電路拓?fù)涫怯袉?wèn)題的,盡管這種拓?fù)湓谧冾l電源行業(yè)有很長(zhǎng)時(shí)間、很大規(guī)模的應(yīng)用。

聲明:本內(nèi)容為作者獨(dú)立觀點(diǎn),不代表電源網(wǎng)。本網(wǎng)站原創(chuàng)內(nèi)容,如需轉(zhuǎn)載,請(qǐng)注明出處;本網(wǎng)站轉(zhuǎn)載的內(nèi)容(文章、圖片、視頻)等資料版權(quán)歸原作者所有。如我們采用了您不宜公開(kāi)的文章或圖片,未能及時(shí)和您確認(rèn),避免給雙方造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失,請(qǐng)電郵聯(lián)系我們,以便迅速采取適當(dāng)處理措施;歡迎投稿,郵箱∶editor@netbroad.com。

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