Устройство индукционных плит

 
 

Устройство индукционных плит

Технологии резонанса



Источник: ССЫЛКА

1. Теория. 
Нагрев происходит за счет перемагничивания ферромагнетика, а не токов Фуко/Эдди/вихревых в сковороде, ибо при использовании только токов Фуко, в самой плите будет выделяться большее количество тепла или конструкция будет очень сложной с медными трубками. Все что дальше написанное, взято из pdf onsemiconductor, holtek и fairchild. На практике не проверял, по этому могу заблуждаться. Упрощенная схема индукционной плитки.

 
Cbus - конденсатор для стабилизации напряжения питания в течении одного периода колебательного процесса, 4...8мкФ;
Сr - резонансный конденсатор, 0.2...0.3мкФ;
Lr - индуктор, 100мкГн;
T1/D1 - IGBT типа IHW20N120R2, FGA15N120ANTD, IRGP20B120UD (Vces=1200V/Ic=15A/Toff+Tf=400нС/Vsat=1.6V).

Какие процессы происходят, я отобразил на таком графике.
 

Цикл работы состоит из двух больших этапов: заряд индуктора линейнонарастающим током через открытый транзистор/диод и затухающего колебательного процесса при закрытом транзисторе. Которые можно разделить на несколько малых тактов.

  1. Затухающий колебательный процесс при закрытом транзисторе. Исходное состояние здесь всегда одно и тоже: Cr заряжен до уровня Ubas, ибо он всегда, мгновенно, заряжается до уровня Ubas при открывании IGBT.
    1. Cr разряжается на индуктор: ток через индуктор и напряжение на коллекторе IGBT нарастает до Ubas, ибо Uce=Ubas-Ucr.
    2. Индуктор разряжается на Cr: ток через индуктор уменьшается, а напряжение на коллекторе IGBT растет до максимального возможного значения. Это значение пропорционально времени открытого состояния транзистора.
    3. Cr разряжается на Lr до напряжения Ubas: ток индуктора растет, а напряжение коллектора IGBT падает до 0. Когда напряжение на коллекторе станет меньше нуля - откроется встречный диод IGBT.
  2. Линейный процесс накачки индуктора. Исходное состояние здесь всегда одно и тоже: Cr заряжен до уровня Ubas, ибо при этом уровне заряда напряжение на встречном диоде переходит через ноль. Если отпирающий импульс на затвор транзистора придет раньше отпирания диода или когда диод уже закроется, т. е. резонансный конденсатор не зарядится до Ubus или уже разрядится на индуктор, то в начальный момент времени через транзистор пройдет большей ток и он будет сильно греться. Что плохо скажется на надежности. На этом этапе Cr всегда заряжен до уровня Ubas, а напряжение на коллекторе близко к 0.
    1. Ток индуктора идет через встречный диод: ток через индуктор линейно падает до нуля. В это оптимальное время подавать отпирающий импульс на затвор.
    2. Ток индуктора идет через IGBT: ток через индуктор линейно нарастает. В это время надо вовремя закрыть транзистор, что бы индуктор не накопил энергии достаточной для пробоя транзистора при такте 1.2.


Следствия. 

  1. Мощность регулируют при помощи изменения длительности пачки импульсов, ибо  ШИП регулировать сложно: момент включения транзистора определяется переходом через ноль напряжения коллектора, а момент выключения максимальным возможным напряжением на коллекторе, то есть частота и скваженность связаны обратной зависимостью и регулировать ими мощность простым способом не получиться.
  2. Если на плите нет посуды, то это может вывести из строя транзистор из-за повышения максимального напряжения (Cr зарядится до большего напряжения). Для предотвращения этого, каждые две секунды проводят процедуру контроля наличия сковороды: подают затравочный импульс, а потом считают сколько циклов будет затухать колебательный процесс. Если больше 3 - значит посуды нет и надо выключать плиту.
  3. Самый тяжелый - первый импульс, ибо тогда заряжается Cr через IGBT.



2. Силовая схема.

Назначение элементов:
Li - ферритовый тор, надетый на сетевой провод, служит для подавления синфазных помех. В большинстве случаев его нет;
FUSE - предохранитель;
С1 - конденсатор фильтрации импульсных помех, в большинстве случаев его нет;
R1 - резистор для разряда C1 после отключения питания;
D1, D2 - выпрямитель для ИИП и контроля напряжения сети (для расчета мощности и защиты от перенапряжения);
RJ - шунт в виде куска толстого провода;
L1 - фильтр от импульсных помех, чаще всего его нет;
С2 - конденсатор для возможности возврата энергии колебательного контура с индуктором в промежуточный контур постоянного тока Ubas;
С3 - резонансный конденсатор, нужен для обеспечения непрерывного тока после запирания транзистора;
Lr1 - индуктор, служит для передачи энергии в посуду;
T1 - IGBT транзистор, нужен для преобразования постоянного тока в переменный;
R2 - резистор, предназначенный для гарантированного нахождения транзистора в запертом состоянии после включения;
R3 - резистор, предназначенный для подавления высокочастотного тока на затворе;
Uoutlet - выпрямленное напряжение в сети;
Ush - контроль тока для защиты от перегрузки;
Uce - контроль напряжения на коллекторе IGBT, служит защиты от перенапряжения и совместно с Ubas определяет момент включения IGBT;
Ubus - служит для определения момента включения IGBT.

Теорию работы я описал раньше, поэтому повторяться не буду.

3. Драйвер.
 
Назначение элементов:
D2 - не дает проседать 18V при уменьшении 18V на выходе ИИП, вместо диода может быть резистор сопротивлением 51 Ом или вообще ничего не быть;
С2 - стабилизация напряжение питания драйвера, может не быть;
R3, T4, R2, T3 - два каскада усиления с общим эмиттером;
T1 и T2 - коллекторный повторитель;
D1 - не дает подняться напряжению на выходе  выше 18V;
R1 - ограничивает ток заряда затвора IGBT;
R5 - увеличивает входное сопротивление драйвера, необходимо для защиты выхода контроллера;
R4 - служит для канализации тока утечки T4;
С1 - ускоряет процесс переключения T4.

4. Источник Импульсного Питания 5 и 18 Вольт. 
Они делаются по двум схемам: обратноходового преобразователя и прямоходового. В обоих случаях используются одни и теже компоненты: микросхема ШИП (ШИМ/PWM со встроенным ключом, чаще всего Viper12A), 78L05, трансформатор,  резисторы и конденсаторы.

В обоих схемах S1 - это термопредохранитель упирающийся на теплостойкую крышку плитки. Часто его не бывает; R1 - служит для фильтрации (это если судить по схеме в datasheet samsung: там вместо резистора стоит дроссель на 300 мкГн) или как предохранитель (так написано у stm).

4.1. Обратноходовой преобразователь (flyback converter).


4.2 Прямоходовой преобразователь (Double Output Buck Converter) на тех же элементах.

Схема содрана у STM (AN1514, 3 страница), с точностью до номиналов используется в alaska ic1800.
.


Несколько схем из AN1514.



5. Контроль напряжения на индукторе.
Несмотря на то, что IGBT надо открывать когда напряжение на коллекторе (Uce) чуть ниже нуля (когда открыт встроенный в него обратный диод), этот момент времени определяется не через пересечение этим напряжением нуля, а при помощи сравнения его с напряжением промежуточного контура постоянного тока (Ubus), с последующей задержкой. Напряжения сравниваются в встроенном в управляющую микросхему компараторе.
Еще этот компаратор используется для определения наличия сковороды: раз в 2 секунды открывается IGBT на 1 мС, а потом считаются колебания до полного их затухания, если их будет больше 3...24, то значит сковороды на плитке нет. Поэтому здесь используются два делителя, которые приводят входные напряжения около 1200V к величинам меньше 5V (напряжение питания управляющей микросхемы).
Дополнительно напряжение на коллекторе подается на аналоговый вход управляющей мс, для защиты от перенапряжения. Поэтому это напряжение делится еще в 1.5-3 раза. Хотя этого дополнительного делителя может и не быть.
Так как напряжение в 1200V пробьет любой одиноко стоящий резистор, то в верхних плечах делителя используют 2 или 3 последовательно включенных резистора на 1-2Вт, но так как Ubas сильно больше 300V быть не может, то в верхнем плече делителя Ubus на один или два резистора меньше ставят. На выходе делителей, последовательно с входами ic могут быть по резистору на 100-39000 Ом, вероятно, они нужны для дополнительной фильтрации помехи. В результате получается такая схема.


6. Контроль напряжения в сети.
В принципе - это тоже самое Ubus, но измеренное до выпрямителя. Используется для замера мощности и защиты от перенапряжения. Для обоих целей используются разные делители напряжения: выход одного делителя идет на вход АЦП, а другого на вход компаратора. Схемы делителей похожи предыдущие. Только напряжение на входе АЦП сильно усредняется конденсатором большой емкости. 

Для экономии одного большого резистора, они могут на делитель подключенный к компоратору подавать постоянное напряжение подавать с делителя подключенного к АЦП через маленький резистор (это напряжения заведомо меньше 5V), а переменку через конденсатор.


7. Контроль тока.
Для контроля тока используется встроенный в управляющую микросхему операционный усилитель. То есть для этой схемы нужны два вывода: вход ОУ и его выход. В некоторых плитках еще используется встроенный компаратор для защиты по току. Схема понятна без пояснений.


8. Контроль температуры igbt. 
Под igbt, при помощи резинки, вплотную прижат терморезистор. Он нужен для контроля температуры igbt.

Схема - обычный делитель напряжения, в одном плече которого стоит NTC термистор типа 3950-100k.
 
Рекомендуемая samsung логика контроля: 
-температура выше 85° - понижаем мощность; 
-температура выше 90° - выключаем плиту. 

9. Контроль температуры поверхности. 
Схема идентична предыдущей, только термистор прижат к поверхности плиты. Где находится термистор.
 

10. Пищалка и  вентилятор. 
Они могут управляться от отдельных выходов управляющей микросхемы, но в последнее время их подключают к одному выходу, но пищалку через конденсатор. Причем другой выход пищалки может быть подключен к любому напряжению: 0V, 5V или 18V.


11. Другие варианты конструкций.
1. Схема на тиристоре с резонансом напряжений. Она хотя проще этой, но она надежнее (не надо беспокоиться об моменте выключения тиристора), дороже (резонансный конденсатор емкостью в 10 раз больше) и тяжелее (конденсаторы тяжее будут). Сейчас ее не реализовать, ибо инверторные тиристоры промышленность перестала выпускать массово. 

2. Полумостовой резонансный инвертор, предлагается STM. 

 



Создан 25 мая 2018