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瞭解現代電磁爐的工作原理
 

【作者: Akshat JAIN等人】   2017年10月18日 星期三

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即便已經存在一個世紀左右,電磁爐熱依然不斷升溫。不管是印度市場還是國際市場,電磁爐的人氣頗高,被認為是炊具領域最先進的技術創新之一。在亞太新興經濟體地區,電磁爐是相對較新的電炊具。隨著人們對電磁爐的認識水準提高,亞太區和東歐地區的城鎮化步伐提速,電磁爐市場高速增長可期。


電磁爐是一種利用電磁線圈使鍋具加熱的電炊具,電磁爐的優點在於炊具內部產生熱量而爐具表面並不燙手。此外,電磁爐烹飪速度快,能效高,無明火,更加安全。


電磁爐是如何工作的?

電磁鍋是通過電磁感應在鐵磁體鍋具內部產生渦流,從而產生熱量。電磁感應原理早在1831年就被邁克爾法拉第首次發現。電磁感應是因某一電路的電流變化而在附近閉合電路產生電流的現象。


鐵磁體鍋具置於電磁爐的陶瓷板或玻璃板檯面上面,而檯面下面是諧振線圈,如圖1所示。電磁爐臺面和鍋具可看作是變壓器,鍋具相當於短接的二次側(負載)。高頻交變電流通過諧振線圈,產生振盪磁場,磁場在鍋具內部感應出電流。


電磁爐只相容具有某些屬性的材料製成的鍋具。為了讓磁場能夠使鍋具加熱,鍋具的材質必須是鐵磁體,例如,不銹鋼或鐵。



圖1 : 電磁爐原理 - 電磁感應
圖1 : 電磁爐原理 - 電磁感應

電磁爐的天生優勢

「沒鍋就不用電」—只有爐臺上有鍋時,電磁爐才會耗電。與燃氣灶或普通電爐不同,電磁爐本身不產生熱量。假如爐面上沒有炊具時啟動電磁爐或在電磁爐運行時取下鍋具,諧振線圈將會認為沒有負載(開路),不會有電能傳輸。如果沒有鍋具,電磁爐就會進入睡眠模式,最小待機功耗小於1W。


為什麼電磁爐使用諧振功率轉換拓撲?使用哪一種諧振功率轉換拓撲?


在各種電源中,半導體元器件通常用作開關元件。電磁爐系統採用絕緣柵雙極電晶體(IGBT)。在功率轉換部分,為取得最低的功耗相,「軟開關」比「硬開關」更有效。軟開關方法是在開關操作時使諧振開關上的電壓或電流為零值,軟開關技術又分為兩類:零壓開關(ZVS)和零電流開關(ZCS)。



圖2 : 硬開關與軟開關對比
圖2 : 硬開關與軟開關對比

ZVS和ZCS開關方法各有優劣點,應用也不盡相同。通過使用L-C 諧振電路產生諧振頻率,可以強制開關上的電壓或電流為零值,採用這種技術的功率轉換器叫做「諧振轉換器」拓撲。電磁爐常用兩種諧振功率轉換拓撲:


‧ 准諧振轉換器


‧ 半橋諧振轉換器


表 1 : 准諧振轉換器與半橋諧振轉換器對比

參數

准諧振(QR)轉換器

半橋(HB)轉換器

開關電路

需要1 IGBT

需要2支IGBT

散熱器和PCB尺寸

較小

較大

價格

較低

較高

開關電路穩定性

較不穩定

穩定

額定功率

< 2000W

< 5000W

IGBT額定電壓範圍

1200-1350V;

600-650V;

市場

家用

商用


控制演算法:

電磁爐是按照LC諧振轉換器的原理工作。諧振頻率不僅取決於諧振電路,還與鍋具大小和材質有關。諧振轉換器使系統產生振盪的諧振頻率。為控制系統的功率輸出(傳遞到鍋具),採用微控制器監視輸入交流電流和電壓,通過調整系統開關頻率來調整功率輸出。


基於准諧振拓撲的電磁爐

我們開發的1.8KW准諧振電磁爐系統採用了兩個意法半導體晶片:STGWT20IH125DF— 1250V 20A IH溝柵場截止技術 IGBT和 STM8S003F3—超值系列8位元微控制器。技術成熟水準達到生產級。系統內置全面的保護機制,以處理瞬變電壓和不同的鍋具。圖2是系統框圖,圖4是實際系統。



圖3 : 框圖 - 准諧振電磁爐
圖3 : 框圖 - 准諧振電磁爐

圖4 : 1800W准諧振電磁爐 生產級解決方案
圖4 : 1800W准諧振電磁爐 生產級解決方案

基於半橋諧振拓撲的電磁爐

我們開發的3.5KW 半橋諧振電磁爐系統評估板採用了意法半導體的STGW40H65DFB—半橋系列650V、40A高速、溝柵場截止IGBT、L6491高壓高低邊4 A柵極驅動器和STM32F072—32位微控制器。系統內置全面的保護機制,以處理瞬變電壓和不同的炊具/容器。圖5是系統框圖,圖6是實際系統。



圖5 : 框圖 - 半橋振電磁爐
圖5 : 框圖 - 半橋振電磁爐

圖6 : 3500W半橋諧振電磁爐評估板
圖6 : 3500W半橋諧振電磁爐評估板
表2.准諧振和半橋諧振電磁爐系統功能比較

特性

准諧振(QR)磁爐:

半橋(HB)電磁爐

輸入電壓

150V至280V交流

150V至280V交流

功率檔位

8個功率功率檔位,最高1.8KW

8個功率功率檔位,最高3.5KW

軟啟動

  •  
  •  

功耗 – 睡眠模式

0.5W

0.5W

IGBT額定電壓範圍

1250V

650V


結論

電磁爐是一項前景很好的電炊具技術,能效高於標準電炊具,對於看重廚房環保的人士來說是一項不錯的選擇,從成本效益和碳足跡角度看,選擇電磁爐優於鋪設燃氣管道。


(本文作者Akshat JAIN, Ranajay MALLIK任職於意法半導體印度分公司AMG中央實驗室)


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