基于電磁場路的IH諧振電壓研究與優化

毛朝陽 唐文強 張健

1. 珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070；2. 空調設備及系統運行節能國家重點實驗室 廣東珠海 519070

0 引言

IH即電磁感應加熱，是將市電整流濾波后控制產生高頻電流，高頻電流的磁場再作用于被加熱金屬形成感應渦流，使金屬快速發熱。IH具有節能環保、可控性強及加熱效率高等特點，已被廣泛應用于各個領域[1]。

IH控制系統核心為電壓諧振電路，由諧振電容、諧振電感和電阻組成，而諧振電感和電阻由線圈盤和被加熱金屬耦合等效而來。在家用電器中普遍采用由單個IGBT管構成的LC并聯諧振電路拓撲，IGBT管在零電壓下導通，開關損耗小，系統效率高，同時硬件成本低[2]。但是根據統計，65%的主板故障是IGBT功率開關擊穿導致，其中過壓擊穿是主要的擊穿形式。因此，如何降低電路諧振工作時IGBT電壓應力以提高電路的可靠性是急需解決的問題。

近年來，隨著電磁場和電路仿真軟件的普及，越來越多研究學者們借用仿真手段來分析IH問題。其中，采用三維有限元仿真多是用來分析線圈盤結構、磁條結構對輸出功率、溫度分布及電磁泄漏等方面的影響[3-4]，而未利用仿真來分析結構對負載阻抗參數的影響；采用電路仿真可分析零電壓開關同步情況與IGBT電壓應力[5]，但在此之前，需要先實驗獲得線圈等效阻抗作為仿真參數，多次繞制線圈繁瑣又費時。因此，進一步基于電磁場路平臺研究IH諧振電壓應力問題，具有一定的現實意義和應用價值。

本文以家用電磁爐為例，對IH等效負載阻抗進行分析，基于變壓器模型推算了阻抗的影響式，并在電磁場仿真軟件Maxwell中對阻抗參數進行抽取，作為電路的準確參數來源；然后對并聯諧振峰值電壓形成原因進行分析，簡化電控系統電路，在電路仿真軟件Simplorer中搭建IH并聯諧振自調頻模型，計算IGBT電壓應力。通過單項測試驗證了場路仿真的準確性，為后續IH諧振電壓優化奠定基礎。最后基于上述理論-仿真-實驗體系搭建的IH諧振電壓分析優化平臺，對電磁爐IGBT諧振電壓過高問題提出解決方案，并通過實驗驗證，降低了諧振電壓，達到了產品安全余量要求。

1 IH負載等效阻抗分析

1.1 理論等效分析

電磁爐的負載就是鍋具，工作時鍋具切割線圈盤產生磁力線，感應形成反向環形渦流，產生焦耳熱；將鍋具與線圈盤等效成變壓器模型[6]，線圈盤作為變壓器的初級，鍋具等效成變壓器的次級，如圖1所示。

圖1 鍋具-線圈盤等效變壓器模型

其中，R1、L1分別為線圈盤的電阻和電感；R2、L2分別為鍋具的電阻和電感；M為線圈盤與鍋具之間的互感系數。

假設線圈盤輸入激勵電壓為U，頻率為ω，線圈側電流為I1，鍋具側電流為I2，根據克西柯夫定律[6]，線圈與負載方程為：?

將鍋具阻抗耦合至線圈盤側，求解線圈盤側電流如式（2）：

分解式（2）阻抗，得到線圈盤側等效電阻、等效電感分別為：

由此可見，感應加熱時線圈盤電阻會增大，線圈盤電感會減小。同時，等效電阻Req、電感Leq也受頻率和互感系數影響，而互感系數越大，代表著線圈盤與鍋具的耦合程度越高，因此電磁爐產品結構對等效電阻、電感參數影響不可忽視，需采用仿真方法進行抽取。

1.2 阻抗參數仿真抽取

1.2.1 Maxwell渦流場理論

Maxwell方程組是支撐所有宏觀電磁現象的基礎，用于有限元處理電磁問題的微分形式如下：

在線性、均勻、各向同性媒介中，場量之間存在以下關系：

其中，E為電場強度，B為磁感應強度，H為磁場強度，D為電通密度，J為電流密度，ρ為電荷體密度，ε為介質的介電常數，σ為介質的電導率，μ為介質的磁導率。

電磁爐鍋具感應產生渦流損耗就是加熱源，因此在仿真中通常采用渦流場求解，精度較高，其求解器滿足齊次波動方程[7]：

1.2.2 三維有限元仿真

為了便于計算，在不影響結果的前提下，對模型進行處理，去掉電磁爐塑膠外殼、微晶面板、風扇、控制面板等不影響磁場的結構件，留下鍋具、線圈盤及底部磁條，并將線圈盤平面螺旋結構簡化成同心圓，再切割線圈盤截面，依次添加激勵電流形成回路，在Maxwell中建立三維仿真模型如圖2所示。

圖2 仿真簡化模型

在仿真設置中，鍋具材料設定sus430不銹鋼，線圈盤材料設定銅，磁條材料設定鐵氧體。網格劃分時，因為在高頻下鍋具底部會產生集膚效應，鍋具外表面感應渦流密度大，靠近內表面會呈指數減小，故在鍋具外表面選擇基于集膚深度的加密網格剖分設置，綜合考慮仿真時間和仿真精度，設定3層剖分，網格劃分結果如圖3 a），網格總數為313213。

圖3 鍋具網格及渦流功率云圖

求解完成后，鍋具渦流功率云圖如圖3 b），可見鍋具中間渦流遠大于邊緣。采用場計算器對仿真結果進行后處理，提取損耗及阻抗結果如表1所示。

表1 仿真計算結果

1.3 阻抗參數驗證

1.3.1 驗證方案

為驗證仿真的準確性，制定相同工況下的實驗方案。根據式（3）、（4）可知，等效阻抗參數除了線圈盤及鍋具本身外，還受頻率和互感系數的影響，故分別通過頻率和結構變動進行驗證。

頻率上，電磁爐工作頻率通常在20 kHz～30 kHz之間，為實現工作頻率上的全覆蓋驗證，設計實驗頻率范圍15 kHz～35 kHz，每5 kHz記錄一次，記錄點為：15 kHz、20 kHz、25 kHz、30 kHz、35 kHz。

結構上，在使用電磁爐時，經常會有鍋具放置不居中的情況，根據微晶面板加熱區域標識范圍，設計實驗中心偏移量0 mm～40 mm，每10 mm記錄一次，記錄點為：0 mm、10 mm、20 mm、30 mm、40 mm。

測量等效阻抗參數的實驗儀器采用同惠TH2832電橋，搭建測試場景如圖4所示。

圖4 阻抗實驗測試

1.3.2 驗證結果

（1）頻率變化

將鍋具居中放置，記錄頻率變化后實驗結果，并進行相同工況仿真，結果對比如表2、表3。表2為等效電感隨頻率變化，表3為等效電阻隨頻率變化。

表2 等效電感結果對比（頻率變化）

表3 等效電阻結果對比（頻率變化）

（2）結構變化

將頻率設置為25 kHz，記錄結構變化后實驗結果，并進行相同工況仿真，結果對比如表4、表5。表4為等效電感隨中心偏移量變化，表5為等效電阻隨中心偏移量變化。

表4 等效電感結果對比（中心偏移）

表5 等效電阻結果對比（中心偏移）

綜合頻率變化及中心偏移結果，等效電感平均仿真誤差為4.3%，等效電阻平均仿真誤差為7.5%，三維仿真抽取等效參數與實驗數據基本吻合，印證了模型準確性，因此仿真負載等效阻抗可作為諧振電路分析依據。

2 IH電路諧振電壓分析

2.1 并聯諧振原理

鍋具及線圈盤耦合形成的等效阻抗就是諧振電感與電阻，其與諧振電容構成并聯諧振主電路如圖5所示[8]。當IGBT導通時，電源電壓加載在等效電感與電阻上，電感、電阻電流呈指數上升；開通一定時間后，IGBT關斷，電感釋放能量，電容充電，此時諧振電容Cr兩端左負右正，電容電壓與電源電壓疊加在IGBT集電極，形成峰值電壓。此后電容向電感放電，電壓逐漸下降，電感電位反向，IGBT反偏。等到下一個開通信號，電路又重復此過程，能量持續消耗在電阻上，完成加熱。

圖5 并聯諧振主電路拓撲

在電感與電容諧振時，電感電流會跟隨整流后的市電波形，形成周期性包絡，所以在市電電壓達到正弦峰值時，IGBT集電極電壓也會達到最大值，此是導致IGBT過壓擊穿的主要原因。

2.2 電路諧振電壓仿真

電磁爐電控系統由主電路、驅動電路、控制電路、保護電路、輔助電源電路及顯示電路組成[9]，為了便于計算，仿真只保留主電路和控制電路并進行簡化，在Simplorer軟件中直接調用正弦交流電源、比較器及理想開關替代實際電路，搭建仿真電路圖如圖6所示。

圖6 仿真電路圖

在仿真電路中，采用電阻分壓實現采樣，利用電容充放電特性實現同步的鋸齒波，再通過與可調電源相比較形成IGBT的開通脈沖信號。元器件參數設置與實際電路一致，求解耗時30 s，結果如圖7所示。圖7 a)為電感電流包絡波形，圖7 b)為IGBT集電極電壓波形。可見，電路仿真模型可快速、便捷地預測電路電流及電壓應力大小。

圖7 仿真波形圖

2.3 電路參數驗證

2.3.1 驗證方案

為驗證仿真的準確性，制定相同工況下的實驗方案。根據并聯諧振原理可知，IGBT集電極上峰值電壓是由諧振電容電壓與電源電壓正向疊加所產生，在無法改變電源電壓的情況下，可通過改變電容參數進行驗證。

電磁爐電容通常取0.3 μF，根據電容規格，實驗取0.24 μF、0.27 μF、0.3 μF、0.33 μF進行測試，每次測試將電磁爐功率開到最大，記錄市電峰值下電感電流和IGBT集電極電壓。

記錄電路參數的實驗儀器采用安捷倫DSO7054B示波器，搭建測試場景如圖8。

圖8 電路參數測試

2.3.2 驗證結果

將鍋具居中放置，采取最大功率輸出，記錄電容變化后實驗結果，并進行相同工況仿真，結果對比如表6、表7。表6為峰值電壓隨電容變化，表7為電感電流隨電容變化。

表6 峰值電壓結果對比（電容變化）

表7 電感電流結果對比（電容變化）

可見，仿真和實驗趨勢一致，峰值電壓平均仿真誤差約為2.1%，電感電流平均仿真誤差為1.3%，仿真與實驗誤差較小，反映了仿真電路的準確性。結合負載等效阻抗抽取仿真，可實現IH設備并聯諧振電壓調試全仿真替代，為產品諧振電壓分析及優化打下基礎。

3 電磁爐諧振電壓優化

某新品電磁爐制樣后，測試發現峰值電壓高達1131 V，影響電磁爐安全運行。實測等效阻抗參數后進行仿真建模并驗證，其等效電感為74.4 μH，等效電阻為2.34 Ω，電路諧振電容為0.27 μF。利用電路仿真模型定性分析阻抗參數對諧振峰值電壓影響趨勢，如圖9所示。

圖9 阻抗變化對峰值電壓影響

因此，可以從三個方面降低諧振峰值電壓：增大電容、減小電感、增大電阻。根據式（3）、（4），電感、電阻均與線圈盤-鍋具相關聯，可通過增加耦合系數達到減小電感、增大電阻效果，增大耦合系數方式有：縮短線圈盤與鍋具間距、增加磁條、將內圈繞線改至外圈。

對于本樣機，由于微晶面板厚度限制，線圈盤與鍋具間距已經達到最小，而增加磁條會額外增加成本，且影響線圈盤散熱，故采用將內圈繞線改至外圈方案，通過磁場仿真發現電感減小2.4 μH，電阻增大0.12 Ω，代入電路仿真諧振峰值電壓降低87 V，諧振電壓仍然較高，增大電容至0.33 μF時，仿真發現諧振電壓才滿足安全要求。

按照最終仿真方案改進，圖10中顯示實驗測得峰值諧振電壓降至985 V，實現了優化效果，達到了產品安全余量要求。

圖10 優化前后峰值電壓

4 結論

本文重點分析了IH電磁場路特性，基于理論-仿真-實驗搭建IH諧振電壓分析優化平臺，實現了IH系統等效阻抗參數抽取以及諧振電壓仿真預測，并總結了諧振電壓優化方向，能為IH產品設計提供參考依據，節約開發時間。主要結論包括：（1）IH電路負載由線圈盤-被加熱體耦合形成，等效阻抗會受自身材料、頻率、相對結構影響；（2）頻率越高，等效電感越小，等效電阻越大；（3）鍋具越偏移中心，等效電感越大，等效電阻越小；（4）增大諧振電容、減小諧振電感、增大電阻都可以降低諧振峰值電壓；（5）對線圈盤-被加熱體結構進行調整，可以較小代價改變等效阻抗參數，實現諧振電壓優化。