负向脉冲检测法实现对大功率电路的全保护

东莞理工学院城市学院 曹丽娟 余 奎

负向脉冲检测法实现对大功率电路的全保护

东莞理工学院城市学院 曹丽娟 余 奎

随着现代电子技术的发展，对电路长期稳定工作的要求越来越高，尤其是大功率电路，在遇到电路中突发脉冲时，如何实现更快更全面的保护，对电路长期稳定的工作至关重要。本文通过对电磁加热系统的分析，提出一种增加负向脉冲检测的方法来实现对电路的更快、更全面保护。

突发脉冲；电磁加热系统；负向脉冲检测；保护

一、引言

电磁感应加热技术是一种新型的加热技术，利用电磁感应加热原理，将交流电转化为高频脉动直流电，产生高频磁场，当磁场内磁力线通过绝缘板作用在铁质容器外壳时，磁力线被切割，产生大量小涡流，使铁质容器或部件的自身迅速发热，从而达到加热的目的[1]。

随着能源供给矛盾的日益尖锐和社会对厨具环保节能、安全性能要求的提高，大功率电磁加热技术更引起人们的广泛关注。目前它在家电领域最重要的应用就是电磁炉，其高效节能、卫生环保、安全性好的优点，广受消费者认可与喜爱。

电磁炉起源于德国，后逐渐流行于欧美等国家，其家庭普及率已超过85%。当前，在日本电磁炉已成为必备厨房家电，台湾单个家庭保有量也已达到两台[2]。在我国，尤其是近十几年，人们的生活水平普遍有了较大的提高，环保和节能的概念已经深入人心，电磁炉也正快速步入千家万户，成为目前发展最快，市场增长幅度最高的家电产品之一[6]，家庭的拥有率直线上升，但在其引起人们广泛关注的同时，市场的高价格及高返修率严重影响了其优越性的发挥[7][8][9]。在此背景下，本文针对这一现状，对电磁感应加热技术保护系统的设计进行了研究，尤其是对脉冲电压冲击的保护进行了仔细的分析，并提出负向浪涌保护的方法，最大限度的对系统给予保护。

二、电磁加热系统工作原理

电磁加热系统的电路本质是一个低频交流电（50赫兹市电）到直流再到高频交流（25千赫兹）的变换器，主要由全桥整流电路和LC谐振变换器构成[3][11]。电路具体结构如图1所示，交流电经全桥整流器件后变换为直流电，再经LC谐振变换器变换成高频交流电，这个高频交流电通过线圈盘（即电感线圈）转换成高频的强电磁场，耦合到锅具的底部，变化的磁场再次形成电场，在加热物件底部形成无数的小涡流，从而快速发热。LC谐振变换器是整个电路的关键，其作用是将直流电逆变为25千赫兹的高频交流电，以满足感应加热的要求。由于LC谐振变换器部分功率用于发热被消耗，为维持振荡必须补充能量，此过程通过一个功率开关管来实现，目前，常采用绝缘栅双极晶体管(IGBT)。功率开关管的开关动作是由图1所示的IGBT驱动电路控制，并受控于为满足功率开关管驱动条件的同步电路。

表一 英飞凌20A1200V IGBT极限参数

图1 电磁加热系统框图

图2 脉冲电压的影响

图3 上图2的放大波形

图4 正常电压

图5 异常电压

图6 负方向脉冲电压

图7 双向脉冲检测电路

图8 成功实现保护的效果图

三、电路脉冲对系统的危害

然而，在用IGBT作为开关管来给电路补充能量过程中，在IGBT开通时，电网对线圈盘充电，此时IGBT最高要承受峰值60安培的电流；在IGBT关断时，线圈盘L要对谐振电容C充电，当充电完毕瞬间，IGBT集电极达到1100V—1200V的高电压。

目前市场上主要使用的是英飞凌20A1200V IGBT，其重要参数见表一。

根据表一可知，IGBT极限耐压为1200V，那么，假如电路中出现尖峰扰动（无论是正向还是负向的脉冲电压，都将破坏同步电路），电压很容易超过1200V，图2展示了一次随机干扰的结果，图2中粉色波形是整流后的扼流圈后端波形，图中大的包络为全桥整流后市电的的周期波形（100赫兹），黄色波形是IGBT集电极的电压波形，此电路未对脉冲电压做任何的保护措施。

由图3可知在交流电的正电压区间出现了一个比较大的电压尖峰，在原来电压为310V的情况下，电压在0.1微妙时间里突然上升至440V（图3中的粉色波形的尖峰），与此同时IGBT的集电极电压也由最大值1.04KV上升到了1.34KV（图3中黄色波形的尖峰），此时IGBT存在着随时被高电压击穿集电极和发射极的危险。

那么如何避免这种现象呢？经过长期的市电波形监测（将市电全桥整流后用电阻按一定比例分压得到安全电压值），如图4所示，电压为规则平滑的正弦上半部分波形（100赫兹），电压峰值为310V，电磁炉可以正常工作。在某一时刻，电路中突然出现了扰动，此时电路中出现巨大的尖峰电压（如图5所示，电压最大时刻达到了450V左右），此时极容易出现之前分析的图2的情况，IGBT被击穿或者损伤。

目前，许多设计者已注意到尖峰电压这一情况，并设计了简单的保护电路，对于电路中出现较大的尖峰电压给予了检测，做出保护反应。然而，实际应用中如图5所示的尖峰朝下的脉冲，尽管从电压幅度上来说是减小的，表面看不会对产品造成威胁，再出于成本上考虑，对于负向脉冲这一点，鲜有设计者专门去考虑设计电路。如图6所示，黄色的波形为市电电网的波形，从图中可以看出，它引起了扼流圈后端电压（图6粉色波形）出现尖峰波形，次尖峰波形如同正脉冲原理，就会造成IGBT的损坏，因此，负向的脉冲也必须加以保护。

四、正向和负向脉冲电压的检测

目前市场上的产品设计普遍没有对电网中的脉冲加以检测，或者只是对正向的脉冲加以检测，以至于这些产品在电网相对脆弱的地区经常发生损坏现象。本文针对这一点，提出了正向和负向脉冲电压的检测，以此为控制信号对系统加以保护。以下为具体原理分析：

如图7所示，红色方框内的电路为正向脉冲电压的检测电路，其中：

正常情况下，市电经过整流后接入VIN，R2两端电压最高为：

2014年12月8日，农业部发布公告，正式颁发云岭牛新品种证书。2016年，农业部将云岭牛列为“十三五”南方肉牛主推品种，这标志着“云岭牛”科技成果已由科研实验阶段转入全面推广应用的新阶段。

由于C1，C2均为nF级电容，其阻抗：

当f=50Hz时：当T在纳秒级别时：

由公式（1）、（2）可知当没有脉冲电压时，即f=50Hz，电容阻抗在兆欧级别，在电路中相当于断路，比较器4、5脚的电压：

如式（3）、（4）分析可知，两个比较器均处于V+>V-状态。

假如在波峰处遇到30V正向脉冲（更低的位置也可能出现，但危害不大，此处不予考虑），由于D2的存在，此时负脉冲电路不工作，因为脉冲在纳秒级别，根据公式（2）可知，电容对此频率电路阻抗几乎为零，R2两端增加的电压直接通过电容耦合到电容右侧：

此电压差叠加在比较器的4脚，导致V+

当发生负向脉冲时，D1隔离了正向脉冲检测电路，由于脉冲在纳秒级别，D2两端同时下降V2V≈Δ（原理同上），下方比较器11脚被拉低约2V，V11

最终控制效果如图8所示，黄线为电路中电流信号，蓝线为IGBT的集电极电压，在光标a处，检测电路发现负向脉冲，关闭了IGBT，此时电路电流也在急剧增加，如非保护及时，IGBT集电极（蓝线），势必会出现图2的高电压，损坏IGBT。

五、结语

通过在电路中增加负向脉冲电压的检测，解决了电磁加热系统应用于电磁炉中所遇到的具体问题。本文的设计思想不局限于电磁加热电路，在其它领域同样可以使用此方法，同样可以引入检测和保护电路，达到保护用电设备的目的。

[1]张新.超音频串联感应加热电源的研究[D].广西大学,2006.

[2]宋敏.电磁加热技术在家电中的应用[D].哈尔滨工业大学,2004.

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[6]许建民.电磁炉商用市场现状和发展前景[J].现代家电,2007.

[7]许建民.大功率电磁炉特点及难点分析[J].现代家电,2008.

[8]砺寒.电磁炉的商用市场的瓶颈在哪里[J].现代家电,2009,17:44-45.

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[10]贾好来.EXB841对IGBT的过流保护研究[J].太原理工大学学报,2009,30(6):610-613.

[11]杨瑞民.电磁灶主电路的工作原理分析[J].家电科技,2002.

曹丽娟，女，东莞理工学院城市学院电子信息工程教研室助教。