一种基于交流过零点零电压启动的IH加热控制电路的制作方法

本实用新型涉及电磁加热的控制电路技术领域，特别是涉及基于交流过零点零电压启动的ih加热控制电路。

背景技术：

如图1所示，为传统单管电磁炉的加热控制电路，其电路原理基本为：市电经前级滤波后整流，整流后经后级滤波输出直流电压，直流电压供电磁感应线圈回路工作，在电磁感应线圈回路中串联有开关管，开关管由控制电路控制通断，实现加热回路的通断控制。在开关管处于关断状态时，整流后级滤波电容后的开路，等效电阻无穷大。所以交流电压经整流滤波后在a点(电磁感应线圈的输入端采样点)形成的直流稳定电压。所以每次开关管从静止关断状态到开通瞬间会产生一个a点电压从到0v的硬开通过程，此时开关管需要承受一次短路电流。同时对电路产生干扰。而且电压越高，这个硬开通短路电流越大。硬开通完成后，通过同步信号a点、b点(电磁感应线圈的输出端的采样点)的触发信号控制，开关管可以在谐振电路控制下实现零电压开通。所以每次启停开关需承受一次硬开通短路电流冲击。在要求不高的情况下基本能满足正常工作需求。但此硬开通冲击始终是需要开关管承受的过程，在启停频繁的使用场景下，此硬开通产生的损耗与噪音变成不可忽视的因素。

在开关管开启瞬间，开关管导通后产生回路，回路中xp1为电磁感应线圈，等效电阻为3～5ω，rk1为采样电阻10mω，所以整个电路等效电阻很小，以5ω来估算，交流220v输入电压时，a点直流电压约为330v，所以在开通瞬间开通管会流过330v/5ω＝66a，开关管瞬间损耗为330v*66a＝21780j，开关管内部会产生很大的热量，但因此开通时间很短(10us内)，在启停不频繁(以秒为单位)的情况下，只要所产生的热量不大于开关管的耗散功率，开关管能够将产生的热量通过散热器散发，保证正常安全工作。同时330v在1us内被拉到0v，电压突变速率dv/dt很大，会产生很大的干扰信号，产生电路噪声。

开关管在短时开通(2～10us)后，通过xp1、cx2构成的谐振腔产生谐振，利用谐振的能量a点电压会振荡到零点，通过同步信号a\b产生同步触发信号让开关管零电压再次导通，循环形成电磁感应加热的振荡过程。所以除第一次开通，正常情况下开关管可以在零点导通，开关损耗小。

但单管电路有一个问题，当输出功率较小时因为开关管开通时间短，线圈盘充电储存的能量变小，而此部分能量一部分供锅具吸收产生涡流发热，一部分用于提供谐振能量，使a点电压能振荡回到零点。锅具的吸收能力与材质距离等有关，相当于定值，当总能量减少，用于谐振的能量就同时减少了，此时振荡呈现欠阻尼状态，此时a点无法回到零点，开关管又需要承受较高的dv/dt，此时开关管发热严重，无法长时间工作，所以普通单管电磁炉在小功率时需采取间断加热的方式。如500w加热时实际上为用1000w的功率加热5秒停止5秒。用户可以明显感觉水一会冒泡，一会不冒。而且每一次功率启停都会有嗒的一声启动噪音，这就是开通时很大的dv/dt产生的。

以秒为单位的启停会让用户感觉到明显的启停，用户体验不好。所以电磁炉行业想了很多的办法去实现小功率持续加热或更快频率的启停(ms为单位)。以快速启停方案来分析，其技术难点就在于，当开关管停止谐振后，电容c2会在短时间内电压又充电到下一次开管时开管关又要承受很高的dv/dt，启停频率提高，单位时间内开关次数增加，开关损耗成比例增加。开关管发热量大增，超过其耗散功率会产生击穿。导致损坏。同时因为很高的dv/dt，每次开关都会有很响的嗒的一声，高频率开关时声音会连成一片，形成很大的噪音，用户无法忍受。所以普通电路不能简单的提高启停频率开实现小功率持续加热。

针对上述现有技术的问题，目前主要有以下解决方案：

第一种：利用开关管(igbt)在驱动电压越低，开通电阻越大，可承受短路电流越大的特性，在每次正常加热前的一个交流半周期的电压下降的后半周利用9v左右的电压驱动开关管，用很短的开通时间利用开关管将c2中储存的能量消耗，让c2的电压能在下一交流过零点时降低，在过零点后再用正常驱动电压驱动开关管，实现以交流半周期为单位快速间断工作。缺点：增加一个稳压管，一个三极管以及控制电路。锅具起动噪音因为还是高压硬开通，噪音较大。

第二种：利用整流桥其中一个桥臂增加一个抽头，用一继电器通断，全功率时继电器接通，此桥臂二极管加入整流，以全波整流方式全周期正常加热，小功率时断开继电器此桥臂断开，变为半波整流，因为只有半周期有交流输入，交流输入的半周期谐振电路通过工作将c2上的电容能量消耗，下半个周期没有交流输入，c2电压为零，下一半周期可以在零点压重新起振。同时只有一半的时间做功，实现了小功率持续加热。缺点：增加一个继电器以及相应控制电路。只能以半周期固定间隔间断加热。

第三种：利用两个谐振电容，利用继电器在全功率与小功率间切换，全功率时两个谐振并联，以更大的谐振电容工作，此时谐振反压低，能输出较大功率，但小功率无法谐振过零零电压开通。小功率时需断开一个谐振电容用小谐振电容工作，此时谐振反压高，功率受反压限制，不能输出很大功率，但有充足的能量谐振过零实现更小的加热功率。缺点：增加一个继电器，一个电容。最小功率只能做到300w左右。

上述现有方案中，第一种方案成本最低，但噪音大；第二种方案次之，噪音比较小第三种方案最贵，但噪音最小。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种基于交流过零点零电压启动的ih加热控制电路。

本实用新型实施例提供了一种基于交流过零点零电压启动的ih加热控制电路，包括由第一接口l和第二接口n组成的交流电接口、整流器bg1、lc滤波电路、电磁感应线圈xp1、开关管q1、控制驱动电路，其特征在于，所述控制驱动电路通过过零点检测电路对所述交流电接口或者所述整流器bg1的输出端进行过零点检测，所述控制驱动电路还对所述电磁感应线圈xp1的输入端和输出端分别进行同步信号检测；所述电磁感应线圈xp1的输入端与输出端并联有谐振电容cx2，所述电磁感应线圈xp1、所述谐振电容cx2和所述开关管q1组成谐振电路；所述交流电接口与市电接通后，交流电依次经所述lc滤波电路、所述整流器bg1整流输出正向电压，所述正向电压为与经所述交流电接口输入的交流电压同相位的正向脉动电压；在所述交流电压过零点时，所述正向脉动电压也会降低到零电压；所述控制驱动电路在此零电压点触发驱动所述开关管q1导通，正向脉动电压经由所述谐振电路形成电磁感应加热回路完成加热功率启动，并且所述控制驱动电路配合所述同步信号持续控制所述开关管q1的通断实现持续加热。

在其中一些实施例中，所述lc滤波电路包括串联在回路上的滤波电感l1以及并联在回路上的电容c2；或者所述lc滤波电路包括串联在回路上的差模滤波电感l1以及并联在回路上的电容c2；或者所述lc滤波电路包括串联在回路上的共模滤波电感l1以及并联在回路上的电容c2。

在其中一些实施例中，所述交流电接口与lc滤波电路之间还串联有滤波电容c1。

在其中一些实施例中，所述控制驱动电路对交流电接口设置输入电压信号采样电路，所述输入电压信号采样电路包括与所述第一接口l串联的电阻r1和电阻r2，所述电阻r1和所述电阻r2的电连接点作为输入电压信号采样点；所述电阻r1和电阻r2同时构成所述过零点检测电路。

在其中一些实施例中，所述电磁感应线圈xp1的输出端串联电阻r5和采样电阻r6后接地，构成同步信号检测b点。

在其中一些实施例中，所述控制驱动电路对加热回路设有电流信号采样点，所述电流信号采样点电连接所述开关管q1的输出端，所述开关管q1的输出端串联采样电阻rk1后接地。

在其中一些实施例中，所述控制驱动电路包括ih控制单片机和驱动电路，ih控制单片机用于采样检测以及根据采样检测的结果向驱动电路发送驱动信号，驱动电路用于驱动开关管q1的通断。

在其中一些实施例中，所述电磁感应线圈xp1的输入端串联电阻r3和采样电阻r4后接地，构成同步信号检测a点；所述电阻r3和采样电阻r4同时构成所述过零点检测电路。

在其中一些实施例中，所述过零点检测电路包括采样电阻r0，所述第一接口l串联采样电阻r0后与所述控制驱动电路的过零点反馈端电连接。

相比于相关技术，本实用新型实施例提供的基于交流过零点零电压启动的ih加热控制电路，相较传统电路，在交流输入端增加一交流过零检测电路，实际使用电路中可与电压采样分压电路r1、r2复用。同时将滤波电感l1、电容c2组成的lc滤波电路在整流电路bg1的前级，使整流电路后没有大容量的滤波电容，此时在开关管关断的稳态过程中，交流输入电压经整流后在a点形成与交流输入电压同相位的正向脉动电压，在每一个交流过零点，a点电压也会跟随下降至接近零点。此时创造出一个低电压软开关的机会。在交流零点附近，a点电压也接近零，此时开关管开通只需承受很低的电压，接近零电压开通，此时开通损耗与噪声极大减小。ih控制单片机只需在每次停止加热到恢复加热的过程中监测交流过零信号，在过零点恢复开通开关管，配合谐振电路可以实现全工作过程零电压开通，以适应快速启停的工作环境要求。

本实用新型的一个或多个实施例的细节在以下附图和描述中提出，以使本实用新型的其他特征、目的和优点更加简明易懂。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本实用新型的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1是传统单管电磁炉的加热控制电路示意图；

图2是本实用新型实施例的基于交流过零点零电压启动的ih加热控制电路的拓扑结构图；

图3是本实用新型实施例的基于交流过零点零电压启动的ih加热控制电路的控制方法的流程图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行描述和说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。基于本实用新型提供的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本实用新型公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本实用新型揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本实用新型公开的内容不充分。

在本实用新型中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本实用新型的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域普通技术人员显式地和隐式地理解的是，本实用新型所描述的实施例在不冲突的情况下，可以与其它实施例相结合。

除非另作定义，本实用新型所涉及的技术术语或者科学术语应当为本实用新型所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本实用新型所涉及的“一”、“一个”、“一种”、“该”等类似词语并不表示数量限制，可表示单数或复数。本实用新型所涉及的术语“包括”、“包含”、“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含；例如包含了一系列步骤或模块(单元)的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可以还包括没有列出的步骤或单元，或可以还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。本实用新型所涉及的“连接”、“相连”、“耦接”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电气的连接，不管是直接的还是间接的。本实用新型所涉及的“多个”是指大于或者等于两个。“和/或”描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“a和/或b”可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。本实用新型所涉及的术语“第一”、“第二”、“第三”等仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序。

电磁感应(ih)加热本质上是一个直流逆变过程，所以最初的设计思路都是希望把交流信号整流成尽可能稳定的直流电压，所以在整流桥之后设计有滤波电路，通过大容量(大于0.68uf)的滤波电容。以得到恒定的直流电压。长期以来形成了稳定的电路结构，形成了一定的思维定势。电磁感应加热在控制细节上很讲究，一般工程人员不敢更改主拓朴结构，还有很多人对谐振过程，零电压开通过程也是一知半解。所以一直没有出现大的电路结构更改。另一方面没有滤波电容后，在零点附近容易丢失同步信号，导致停振。

本实用新型实施例的重点在于：整流电路输出端取消滤波电容或滤波电容容值足够小，将整流后电压不经滤波，变为正向脉动电压。此正向脉动电压与交流输入电压同相位，在交流过零点时此正向脉动电压电压也同步下降到零电压附近。开关管在此零电压点启动。相比传统整流后滤波方案。所承受的开通电压从滤波后的直流高压变为在脉动直流电压降低到接近零点(100v以下一般10v左右)时开通。开通损耗大大减少。滤波电容容值足够小是指电容值等于或小于0.68uf。

在同等负载等效电阻条件下，以同等220v交流输入为例，原整流滤波方案开通电压为假设优化方案开通电压为10v，负载等效电阻均为r。则开通损耗约等与u²/r，开通损则开通损耗比值为开通电压的平方330：10＝330×330：10×10＝1089倍。开通损耗的降低一方面降低了启动时开关管的损耗，提高了电路可靠性，避免电气元件烧坏、被击穿。另一方面降低了锅具启动时的噪音，可以以交流半周期为单位快速启停功率，实现小功率持续加热。

图2是本实用新型实施例的基于交流过零点零电压启动的ih加热控制电路的拓扑结构图，如图2所示，基于交流过零点零电压启动的ih加热控制电路，包括由第一接口l和第二接口n组成的交流电接口、整流器bg1、lc滤波电路、电磁感应线圈xp1、开关管q1、控制驱动电路，其特征在于，控制驱动电路通过过零点检测电路对交流电接口或者整流器bg1的输出端进行过零点检测，控制驱动电路还对电磁感应线圈xp1的输入端和输出端分别进行同步信号检测；电磁感应线圈xp1的输入端与输出端并联有谐振电容cx2，电磁感应线圈xp1、谐振电容cx2和开关管q1组成谐振电路；交流电接口与市电接通后，交流电依次经lc滤波电路、整流器bg1整流输出正向电压，正向电压为与经交流电接口输入的交流电压同相位的正向脉动电压；在交流电压过零点时，正向脉动电压也会降低到零电压；控制驱动电路在此零电压点触发驱动开关管q1导通，正向脉动电压经由谐振电路形成电磁感应加热回路完成加热功率启动，并且控制驱动电路配合同步信号持续控制开关管q1的通断实现持续加热。开关管q1并不是仅限于igbt/mos管，还可以是现有任何的开关控制电路，具体不再赘述。本实用新型无论是对交流过零点的检测还是对正向脉动电压降到零电压的检测，均并不一定需要达到电压值等于零，而可以是位于零电压附近的接近零电压的电压范围值，也可以理解为在一定检测时间段内若存在经过零电压，即可认为过零点，并形成过零信号。当然实际的过零点为零电压是最佳方案，开关管q1承受的损伤最低。

为了能够在进行过零同步信号检测中保证信号的毛刺减少以及噪音降低，需要将lc滤波电路至于整流之前。

在其中一些实施例中，lc滤波电路包括串联在回路上的电滤波感l1以及并联在回路上的电容c2，滤波电感l1为带铁芯电感；交流电接口与lc滤波电路之间还串联有滤波电容c1；滤波电感l1与电容c2构成lc滤波电路；该lc滤波电路的作用是：一方面将交流电整流成稳定直流电压供谐振电路工作，另一方面将谐振过程产生的噪声衰减，以满足产品emc噪声容限的要求。作为另外一些实施例中(图略)，lc滤波电路包括串联在回路上的差模滤波电感l1以及并联在回路上的电容c2。再作为另外一些的实施例中(图略)，lc滤波电路包括串联在回路上的共模滤波电感l1以及并联在回路上的电容c2。

需要说明的是，若将大容量(大于0.68uf)的滤波电容c2设置在整流器bg1后，会造成在开关管关断的状态下，电容c2会很快充满电，并变为的直流高压，只要谐振电路一停止，下一次重新启动过程开关管就需要再承受一次高压并且硬开通。本实施例中将整流后滤波电路取消，整流器bg1后没有大电容滤波，整流输出变为正向脉动电压。在交流输入电压过零点时，正向脉动电压也跟随下降到零电压点附近，从零电压静态启动的条件。本实施例的lc滤波电路设计在整流电路输入端交流部分，会对电路的噪声进行衰减，以满足产品emc噪声容限的要求。

为了得到可靠稳定的信号检测点，电磁感应线圈xp1的输出端串联电阻r5和采样电阻r6后接地，构成同步信号检测b点；在本实施例中，电磁感应线圈xp1的输入端串联电阻r3和采样电阻r4后接地，构成同步信号检测a点。

为了得到简化且稳定可靠的控制驱动电路，控制驱动电路包括ih控制单片机和驱动电路，ih控制单片机用于采样检测以及根据采样检测的结果向驱动电路发送驱动信号，驱动电路用于驱动开关管q1的通断。ih控制单片机与过零点检测电路、输入电压采样电路、输出电流检测电路电连接。其中，过零点检测电路包括采样电阻r0，第一接口l串联采样电阻r0后与控制驱动电路的过零点反馈端电连接。电流信号采样点电连接开关管q1的输出端，开关管q1的输出端串联采样电阻rk1后接地。控制驱动电路对交流电接口设置输入电压信号采样电路，输入电压信号采样电路包括与第一接口l串联的电阻r1和电阻r2，电阻r1和电阻r2的电连接点作为输入电压信号采样点；该电阻r1和电阻r2可同时构成过零点检测电路。在实际使用中，电压信号采样电路与过零点检测电路两者可复用。电阻r0为过零检测信号，这里有三种应用的方法，一种是增加电阻r0这一路作为独立的过零检测电路，一种是不需要电阻r0，直接利用电阻r1、r2组成的电压信号电路来采集交流过零信号。通过软件处理来计算出整流输出的正向脉动电压的零电压点。一种是利用电阻r3、r4组成的电压信号电路来直接测量整流输出的正向脉动电压的零电压点。

图3是本实用新型实施例的基于交流过零点零电压启动的ih加热控制电路的控制方法的流程图，如图3所示，一种基于交流过零点零电压启动的ih加热控制电路的控制方法，其电路原理：交流电依次经过lc滤波电路、整流器bg1把输入电压的毛刺滤掉，使波形更为平滑，以降低噪音得到正向脉动电压；电磁感应线圈xp1与谐振电容cx2和开关管q1一起构成谐振电路，控制驱动电路根据控制指令控制开关管q1工作；包括如下步骤：

步骤1：在电路处于停止加热的状态下，控制驱动电路得到启动指令后，开启等待过零信号(通过过零点检测电路实现过零信号的检测)，当过零信号产生时，控制开关管q1在零电压的条件下输出预设的启动脉冲(启动脉冲为几个us)，电磁感应线圈xp1的回路导通，完成静态启动过程；

步骤2：启动脉冲完成一次短时开通(启动脉冲为几个us)后，开关管q1再次关断，此时电磁感应线圈xp1与谐振电容cx2产生谐振，开关管q1两端电压产生一个阻尼振荡过程，利用谐振的能量开关管q1的两端电压经历一个从零电压冲高，再回落到零电压的过程；控制驱动电路通过同步信号使开关管q1两端电压回落到零电压时再次输出开通脉冲信号，进而循环形成振荡工作过程，驱动电磁感应线圈xp1作为换能器，使被加热体产生涡流，将交流电的能量转化为热量。

本实用新型实施例的工作原理：在增加一零电压检测电路，实际使用电路中可与电压采样分压电路r1、r2复用或直接采用r3、r4分压检测正向脉动电压的零电压点；同时将滤波电感l1、电容c2组成的lc滤波电路在整流电路bg1的前级，使整流电路后没有大容量的滤波电容，此时在开关管关断的稳态过程中，交流输入电压经整流后在a点形成与交流输入电压同相位的正向脉动电压，在每一个交流过零点，a点电压也会跟随下降至接近零点；此时创造出一个零电压启动的机会，在交流零点附近，a点电压也接近零，此时开关管开通只需承受很低的开通电压，接近零电压开通，此时开通损耗与噪声极大减小，ih控制单片机只需在每次停止加热到恢复加热的过程中监测交流过零信号，在过零点启动开关管，配合谐振电路可以实现全工作过程零电压开通，以适应快速启停的工作环境要求。

本实用新型将整流输出端后的lc滤波电路取消后，整流输出端没有大电容滤波，交流电压整流后直接变为同相位的正向脉动电压；在交流输入电压过零点时，正向脉动电压也跟随下降到零电压点附近，为开关管创造出从零电压静态启动的条件。

需要说明的是，市面上的单管电磁炉，当输出功率较小时因为开关管开通时间短，线圈盘充电储存的能量小，此时振荡呈现欠阻尼状态，此时开关管两端无法振荡回到零点。开关管开通需要承受较高的dv/dt，此时开关管发热严重，无法长时间工作。所以普通单管电磁炉在小功率时只能采取间断加热的方式。如500w加热时实际上为用1000w的功率加热5秒停止5秒。用户可以明显感觉加热不连续，处在加热一段、停一段的状态。每次停止到加热的启动时，锅具都会因高电压硬开关发出“啪嗒”一声。而本申请的实施例，解决了上述技术问题，每次开关管启动是无噪声，且本申请的控制电路能通过快速启停控制电磁炉处于小功率持续加热状态。

本领域的技术人员应该明白，以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。