2.4　大回环振荡电路工作原理

大回环振荡电路是电磁炉的主控电路，是整机电路的核心，其系统组成方框图如图2-19所示。

各方框图的主要作用如下。

同步电路的主要作用是控制IGBT的开关同步。它是从LC振荡回路中取得同步信号，同时产生同步锯齿波，为IGBT管导通提供前级驱动波形。

振荡电路的主要作用是产生振荡信号，且振荡频率受同步信号的控制。

脉宽调整电路的主要作用是调节振荡的占空比。一个周期内（T），电子开关接通时间ton所占整个周期的比例，称为接通占空比（D），D=ton/T。很明显，接通占空比越大，负载上电压越高；1/T=f称为开关频率，f越高，负载上电压也越高。变换器中的开关都在某一固定频率下工作，这种保持开关频率恒定，但改变接通时间长短（即脉冲的宽度），使负载变化时，负载上电压变化不大的方法，称为脉宽调制法（简称为PWM）。

驱动电路的主要作用是对振荡信号进行功率放大，然后去控制IGBT的导通和截止。由于振荡电路产生的信号幅值较小，而IGBT的控制信号输入电压要求较高，所以必须要用驱动电路来进行推动。

输出电路也叫开关电路，主要由IGBT来担任，其主要作用是通过IGBT将高压直流电转换成高频交变电流，供给加热线圈（即励磁线圈）。

LC谐振电路，主要作用是把输出电路级送来的交变信号进行整形、谐振，使加热线圈上产生符合要求的高电压、大电流交变信号。

从以上可知，电磁炉控制主电路从电源吸收能量，而吸收能量的多少则取决于IGBT每次导通的时间；同步电路、振荡电路是用来控制IGBT何时导通；脉宽调整电路控制IGBT每次导通多长时间。

2.4.1　LC谐振电路和同步、振荡电路详解

（1）LC谐振电路

LC谐振电路是整个电路的核心，主要由加热线盘（L）、振荡电容C3、IGBT等组成。通过IGBT的高速开关形成LC振荡（一般频率20～30kHz），振荡过程如下，LC谐振电路原理图如图2-20所示，波形图如图2-21所示。

①T1～T2期间：当电路中IGBT控制极（G）为高电平时，这时IGBT饱和导通，电流I1从电源流过加热线盘，电能转换为磁能存储在线盘上。

②T2～T3期间：当电路中IGBT控制极（G）为低电平时，关断IGBT，由于电感不允许电流突变，电流I2流向电容C3，能量转移到C3，电流I2减到最小时，也就是加热线盘的能量全部放完时，VC达到最高。

③T3～T4期间：电容开始通过加热线盘放电，此时电流I3为负向，电容的能量转移线盘上，VC最低时，反向电流I3最大。

④T4～T5期间：此时IGBT再次导通，但由于感抗的作用，不允许电流突变，负向电流I4继续向电容C3充电直至为0。所以，在一个振荡周期内，线盘与振荡电容不停地进行充电放电，产生振荡波形。

因此，在一个周期内，T2～T3的电流I2是线盘磁能对电容C3的充电电流，T3～T4电流I3为逆程脉冲峰压通过L放电的电流，T4～T5电流I4是线盘两端的电动势反向时形成的阻尼电流，因此，IGBT的导通电流实际是电流I1。

IGBT电压变化：在静态时，VC为输入电源经过整流、滤波后的直流电源（+300V左右）。T1～T2期间，IGBT管饱和导通，VC接近低电位；T4～T5期间，VC为负压；T2～T4期间，也就是LC自由振荡的半个周期，VC上出现峰值电压，在T3时VC达到最大值。

以上说明两个问题：一是在高频电流一个周期中，只有电流I1是电源供给线盘能量的，所以电流I1的大小就决定了加热功率的大小，同时脉冲宽度越大，T1～T2的时间就越长，电流I1就越大，反之亦然，所以要调节加热功率，只需要调节脉冲宽度即可实现；二是LC自由振荡的半个周期是出现峰值电压的时间，也是IGBT管的截止时间，也是开关脉冲没有到达的时间。这个时间关系是不能错位的，如果峰值脉冲还没有消失，而开关脉冲已提前到来，就会出现很大的瞬时电流导致IGBT烧坏，因此必须保证开关脉冲的前沿与峰值脉冲后沿严格同步。

（2）同步、振荡电路

同步电路主要作用是从LC振荡电路中取得同步信号，同时对振荡产生的锯齿波进行整形，为IGBT提供前级驱动波形。

如图2-22所示，同步电路主要由IC2C运放、取样电阻R18、R25、R19、R20、R39、C34、R41、D19等组成。同步信号取自LC振荡的电容C3两端的分压，R18与R25分压为V-（LM339的⑧脚），R19与R20的分压为V+（LM339的⑨脚）。当电磁炉上电后，若IGBT未开通工作，V-和V+的静态电压分别是4.02V和4.25V，比较器脚输出高电平。在T2～T5时间，由于电容C3两端的电压是左负右正，所以V+大于V-，IC2C输出高电平。在T5～T6时间，电容C3反向放电完毕，C3两端的电压是右负左正，即此时V-大于V+，IC2C输出低电平（此时也是IGBT的C极最低点），+5V通过R39、R41给C34充电，VC持续上升；到T7时，C3开始充电，C3两端的电压恢复左负右正，比较器发生翻转输出高电平，Vout同时发生跳变而高于5V，此后，Vout通过D19快速放电。如此产生一个振荡同期，以后重复此过程。

同步信号与IGBT关系。IGBT在导通时，其集电极（C）电压越低，IGBT内部的损耗越小，反之则损耗越大；当IGBT内部损耗过大，则其内部发热严重而导致烧坏。在理想状态下，集电极电压为零时开通IGBT，其内部损耗为零。但实际上在电磁炉上电后，集电极电压不可能为0V，所以，只能取集电极最低的电压时开通IGBT，使其开关损耗最小。因此，同步信号就是IGBT集电极电压最低时的检测信号，也就是最佳的IGBT开通时间。

PAN口的两个作用：触发和检锅。LC振荡开始后可以由主回路自主振荡，但自主振荡需要触发启动，也就是IGBT需要一个触发信号，以使LC谐振回路获得初始的能量。在电磁炉开机后，PAN口为输出口，输出低电平后改为输入，此时将会在比较器脚产生一个负脉冲，此负脉冲经过后续电路将形成IGBT初始触发信号。注意，此触发脉冲的宽度不宜过大一般在5～8μs。此脉冲过小则无法触发IGBT，过大则，可能会损坏IGBT。

本电路是脉冲法检锅，就是通过PAN端口的信号可以检测是否有锅具。其检测过程为：开机后，单片机脚（PAN口）先是输出口，产生一个触发脉冲后，马上改为输入口检测PAN口的信号。触发脉冲引起LC自由振荡，振荡波形会在IC2C比较后产生一系列的方波，通过PAN方波个数的检测可以确定是否有锅。当电磁炉上没有放置锅具时，电磁炉的LC振荡的损耗很小，在短时间内可认为自由振荡；若放置锅具，则LC振荡可认为阻尼振荡。根据此特性，单片机在检测时，以250μs为时间段进行脉冲计数，自由振荡则整个计数时间内都是脉冲，而阻尼振荡则只有2～3个脉冲数。因此，一定时间内，根据IC2C比较后的脉冲数可以正确确定是否放置锅具。

目前，判断是否有锅的标准是1～8个脉冲数为有锅，0个或多于8个则为无锅，但不同材质锅具的阻尼系数不同。

2.4.2　脉宽调整电路详解

脉宽调整电路的主要作用，是对电磁炉进行加热功率调节与控制。

（1）运放脉宽调整电路

运放脉宽调整电路的工作原理图如图2-23所示。

脉宽调控电路（PWM）是一个具有一定占空比的方波，主要由R34、R36、R35、EC6、C15、R37、C16等组成。R35为上拉电阻，实现方波的上半脉冲为高电平时，使驱动三极管导通，导通时间由PWM上半脉冲宽度决定，EC6为滤波电容，C15为抗干扰抑制电容。

当调节功率时，单片机⑩脚输出PWM脉宽控制信号，该信号加至R34上。R34、R36、R35、EC6、C15、R37、C16等组成脉宽调整电路，这实际上是一个积分电路。单片机输出的PWM脉宽越宽，C6上的电压就越高，控制IGBT的导通时间就延长，输出功率就增大；反之，输出功率就减小。

另外，IGBT高压保护、浪涌保护等电路，也是通过脉宽调整电路来实现的，具体电路原理可查看保护电路部分。

（2）三极管脉宽调整电路

图2-24是科龙电磁炉的PWM脉宽控制电路，这个电路还兼任检锅信号传输作用。

MCU接到开机指令，先由PWM端输出试探脉冲进行检锅，在检测到有锅具时，才令PMW端改为PWM脉宽调制信号，由R6、C33、R16积分后，送至三极管Q7的基极。PWM脉冲越宽，对电容C33充电的时间越长，C33两端的电压越高，三极管Q7导通越大，电容C22的电压也越高，使IGBT驱动脉冲调整电路形成的驱动脉冲的宽度越宽，每个加热周期IGBT的导通时间越高，电磁炉的加热功率就越大，反之就越小。

2.4.3　驱动与输出电路详解

（1）运放+对管驱动电路

运放+对管驱动电路应用较广泛，如图2-25所示。

工作原理如下：驱动电路由前级比较器IC2D（LM339）和推挽电路（Q3、Q4）等组成。比较器IC2D的反相输入端V-输入参考电压，同相输入端V+输入同步振荡控制电路产生的锯齿波形，此电压也称IGBT管导通时间控制电压，“V+”、“V-”两输入端通过比较器比较后，在比较器的输出端产生并输出驱动方波。驱动方波通过由两个极性互补配对的三极管Q3、Q4组成的推挽电路，当驱动方波为高电平时，Q3导通，将输出脉冲电压提高到+18V左右，以满足IGBT管的输入要求，使IGBT管导通；当驱动方波为低电平时，Q4导通，使IGBT的控制极电压迅速泄放而截止，因为门控管是电压驱动型晶体管，控制极与发射极之间存在寄生电容，此电容上的电压还通过外界迅速泄放，门控管就会维持一段导通时间，其结果是导通时间延长，电流增大引起过热损坏或C-E极间耐压值不够而过压击穿。

电路中的R2、D5，主要作用是对控制极电压进行泄放和限幅来保护IGBT管。推挽配对管常见的组合形式有：9014+9012、8550+8050和2N5401+2N5551。

（2）运放+复合对管驱动电路

以科龙电磁炉为例，运放+复合对管驱动电路如图2-26所示。

运放IC2D的同向输入端是+22V提供的V9分压电压（约为3.17V），送至比较器⑨脚作为基准电压；振荡电路送来的V8驱动信号幅度约为4.1V，送至比较器的⑧脚。当V8=0V时，V9>V8，比较器输出高电平，复合管Q9、Q10导通，使IGBT控制极得电压而导通；当V8=4.1V时，V9<V8，比较器输出低电平，复合管Q8、Q3导通，使IGBT控制极零电压而截止。

（3）三个三极管驱动电路

以美的09款电磁炉为例，三个三极管驱动电路如图2-27所示。

当单片机U1的②脚输出高电平时，三极管Q2导通，继而三极管Q3导通，使IGBT截止；当单片机U1的②脚输出低电平时，三极管Q2截止，继而三极管Q1导通，使IGBT导通工作。

（4）集成电路驱动电路

集成电路驱动电路常采用TA8316集成电路，根据其后缀字母的不同有两种型号，即TA8316S与TA8316AS。TA8316S与TA8316AS的最大不同之处为：TA8316S的③脚为电源保护端，③脚与②脚之间接有一只390Ω的电阻。这两种型号的集成电路内、外部虽有一定的差异，但可直接互换，③脚与②脚之间的电阻也可不接。TA8316AS集成电路的外形及典型电路图如图2-28所示。