負向脈沖檢測法實現對大功率電路的全保護

東莞理工學院城市學院 曹麗娟 余 奎

負向脈沖檢測法實現對大功率電路的全保護

東莞理工學院城市學院 曹麗娟 余 奎

隨著現代電子技術的發展，對電路長期穩定工作的要求越來越高，尤其是大功率電路，在遇到電路中突發脈沖時，如何實現更快更全面的保護，對電路長期穩定的工作至關重要。本文通過對電磁加熱系統的分析，提出一種增加負向脈沖檢測的方法來實現對電路的更快、更全面保護。

突發脈沖；電磁加熱系統；負向脈沖檢測；保護

一、引言

電磁感應加熱技術是一種新型的加熱技術，利用電磁感應加熱原理，將交流電轉化為高頻脈動直流電，產生高頻磁場，當磁場內磁力線通過絕緣板作用在鐵質容器外殼時，磁力線被切割，產生大量小渦流，使鐵質容器或部件的自身迅速發熱，從而達到加熱的目的[1]。

隨著能源供給矛盾的日益尖銳和社會對廚具環保節能、安全性能要求的提高，大功率電磁加熱技術更引起人們的廣泛關注。目前它在家電領域最重要的應用就是電磁爐，其高效節能、衛生環保、安全性好的優點，廣受消費者認可與喜愛。

電磁爐起源于德國，后逐漸流行于歐美等國家，其家庭普及率已超過85%。當前，在日本電磁爐已成為必備廚房家電，臺灣單個家庭保有量也已達到兩臺[2]。在我國，尤其是近十幾年，人們的生活水平普遍有了較大的提高，環保和節能的概念已經深入人心，電磁爐也正快速步入千家萬戶，成為目前發展最快，市場增長幅度最高的家電產品之一[6]，家庭的擁有率直線上升，但在其引起人們廣泛關注的同時，市場的高價格及高返修率嚴重影響了其優越性的發揮[7][8][9]。在此背景下，本文針對這一現狀，對電磁感應加熱技術保護系統的設計進行了研究，尤其是對脈沖電壓沖擊的保護進行了仔細的分析，并提出負向浪涌保護的方法，最大限度的對系統給予保護。

二、電磁加熱系統工作原理

電磁加熱系統的電路本質是一個低頻交流電（50赫茲市電）到直流再到高頻交流（25千赫茲）的變換器，主要由全橋整流電路和LC諧振變換器構成[3][11]。電路具體結構如圖1所示，交流電經全橋整流器件后變換為直流電，再經LC諧振變換器變換成高頻交流電，這個高頻交流電通過線圈盤（即電感線圈）轉換成高頻的強電磁場，耦合到鍋具的底部，變化的磁場再次形成電場，在加熱物件底部形成無數的小渦流，從而快速發熱。LC諧振變換器是整個電路的關鍵，其作用是將直流電逆變為25千赫茲的高頻交流電，以滿足感應加熱的要求。由于LC諧振變換器部分功率用于發熱被消耗，為維持振蕩必須補充能量，此過程通過一個功率開關管來實現，目前，常采用絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。功率開關管的開關動作是由圖1所示的IGBT驅動電路控制，并受控于為滿足功率開關管驅動條件的同步電路。

表一 英飛凌20A1200V IGBT極限參數

圖1 電磁加熱系統框圖

圖2 脈沖電壓的影響

圖3 上圖2的放大波形

圖4 正常電壓

圖5 異常電壓

圖6 負方向脈沖電壓

圖7 雙向脈沖檢測電路

圖8 成功實現保護的效果圖

三、電路脈沖對系統的危害

然而，在用IGBT作為開關管來給電路補充能量過程中，在IGBT開通時，電網對線圈盤充電，此時IGBT最高要承受峰值60安培的電流；在IGBT關斷時，線圈盤L要對諧振電容C充電，當充電完畢瞬間，IGBT集電極達到1100V—1200V的高電壓。

目前市場上主要使用的是英飛凌20A1200V IGBT，其重要參數見表一。

根據表一可知，IGBT極限耐壓為1200V，那么，假如電路中出現尖峰擾動（無論是正向還是負向的脈沖電壓，都將破壞同步電路），電壓很容易超過1200V，圖2展示了一次隨機干擾的結果，圖2中粉色波形是整流后的扼流圈后端波形，圖中大的包絡為全橋整流后市電的的周期波形（100赫茲），黃色波形是IGBT集電極的電壓波形，此電路未對脈沖電壓做任何的保護措施。

由圖3可知在交流電的正電壓區間出現了一個比較大的電壓尖峰，在原來電壓為310V的情況下，電壓在0.1微妙時間里突然上升至440V（圖3中的粉色波形的尖峰），與此同時IGBT的集電極電壓也由最大值1.04KV上升到了1.34KV（圖3中黃色波形的尖峰），此時IGBT存在著隨時被高電壓擊穿集電極和發射極的危險。

那么如何避免這種現象呢？經過長期的市電波形監測（將市電全橋整流后用電阻按一定比例分壓得到安全電壓值），如圖4所示，電壓為規則平滑的正弦上半部分波形（100赫茲），電壓峰值為310V，電磁爐可以正常工作。在某一時刻，電路中突然出現了擾動，此時電路中出現巨大的尖峰電壓（如圖5所示，電壓最大時刻達到了450V左右），此時極容易出現之前分析的圖2的情況，IGBT被擊穿或者損傷。

目前，許多設計者已注意到尖峰電壓這一情況，并設計了簡單的保護電路，對于電路中出現較大的尖峰電壓給予了檢測，做出保護反應。然而，實際應用中如圖5所示的尖峰朝下的脈沖，盡管從電壓幅度上來說是減小的，表面看不會對產品造成威脅，再出于成本上考慮，對于負向脈沖這一點，鮮有設計者專門去考慮設計電路。如圖6所示，黃色的波形為市電電網的波形，從圖中可以看出，它引起了扼流圈后端電壓（圖6粉色波形）出現尖峰波形，次尖峰波形如同正脈沖原理，就會造成IGBT的損壞，因此，負向的脈沖也必須加以保護。

四、正向和負向脈沖電壓的檢測

目前市場上的產品設計普遍沒有對電網中的脈沖加以檢測，或者只是對正向的脈沖加以檢測，以至于這些產品在電網相對脆弱的地區經常發生損壞現象。本文針對這一點，提出了正向和負向脈沖電壓的檢測，以此為控制信號對系統加以保護。以下為具體原理分析：

如圖7所示，紅色方框內的電路為正向脈沖電壓的檢測電路，其中：

正常情況下，市電經過整流后接入VIN，R2兩端電壓最高為：

2014年12月8日，農業部發布公告，正式頒發云嶺牛新品種證書。2016年，農業部將云嶺牛列為“十三五”南方肉牛主推品種，這標志著“云嶺?！笨萍汲晒延煽蒲袑嶒炿A段轉入全面推廣應用的新階段。

由于C1，C2均為nF級電容，其阻抗：

當f=50Hz時：當T在納秒級別時：

由公式（1）、（2）可知當沒有脈沖電壓時，即f=50Hz，電容阻抗在兆歐級別，在電路中相當于斷路，比較器4、5腳的電壓：

如式（3）、（4）分析可知，兩個比較器均處于V+>V-狀態。

假如在波峰處遇到30V正向脈沖（更低的位置也可能出現，但危害不大，此處不予考慮），由于D2的存在，此時負脈沖電路不工作，因為脈沖在納秒級別，根據公式（2）可知，電容對此頻率電路阻抗幾乎為零，R2兩端增加的電壓直接通過電容耦合到電容右側：

此電壓差疊加在比較器的4腳，導致V+

當發生負向脈沖時，D1隔離了正向脈沖檢測電路，由于脈沖在納秒級別，D2兩端同時下降V2V≈Δ（原理同上），下方比較器11腳被拉低約2V，V11

最終控制效果如圖8所示，黃線為電路中電流信號，藍線為IGBT的集電極電壓，在光標a處，檢測電路發現負向脈沖，關閉了IGBT，此時電路電流也在急劇增加，如非保護及時，IGBT集電極（藍線），勢必會出現圖2的高電壓，損壞IGBT。

五、結語

通過在電路中增加負向脈沖電壓的檢測，解決了電磁加熱系統應用于電磁爐中所遇到的具體問題。本文的設計思想不局限于電磁加熱電路，在其它領域同樣可以使用此方法，同樣可以引入檢測和保護電路，達到保護用電設備的目的。

[1]張新.超音頻串聯感應加熱電源的研究[D].廣西大學,2006.

[2]宋敏.電磁加熱技術在家電中的應用[D].哈爾濱工業大學,2004.

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[5]Nigim,K.A.;Heydt,G.T.Power quality imProvement using integral-PWM control in an AC/AC voltage converter.Eleetric Power Systems Research VOlume:63,Issue:l,August,2002.

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[7]許建民.大功率電磁爐特點及難點分析[J].現代家電,2008.

[8]礪寒.電磁爐的商用市場的瓶頸在哪里[J].現代家電,2009,17:44-45.

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[10]賈好來.EXB841對IGBT的過流保護研究[J].太原理工大學學報,2009,30(6):610-613.

[11]楊瑞民.電磁灶主電路的工作原理分析[J].家電科技,2002.

曹麗娟，女，東莞理工學院城市學院電子信息工程教研室助教。