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感应加热原理与IGBT应用拓扑分析(上)

经常遇到很多同事和朋友问:为什么电磁炉和电饭煲要用到IGBT,这种应用的IGBT需要有什么特点?今天我们就给大家详细解释感应加热的原理和感应加热的拓扑分析。

在理解电磁感应加热的原理之前,先问自己一个问题,假如这个世界上没有电磁炉,你要烧开一锅水,会怎么做?

最常见的方式,就是点燃炉灶,把锅架在火上。

图1.传统燃气加热

然而这种方法是间接的加热方式,先由热源加热锅具,再通过锅具将热量传导到锅内的食物,在这一系列的过程中,必然会产生能量的损失。

所以,有没有一个办法,把锅具本身变成一个热源,让锅来直接煮水?

这,就要用到感应加热了。

感应加热的原理,如图2所示:

1.控制板通过谐振转换电路产生高频交流电流流经铜线圈;

2.在工作线圈上产生感应的磁场,感应磁场在金属锅具底部产生涡流;

3.涡流通过金属的趋肤效应让其电阻产生焦耳热,同时与材料的渗透性有关的磁滞损失也产生热量。

图2.涡流效应

等效电路如下图所示:

图3.等效电路

感应加热速度有以下特点:

1.烹饪容器底部的涡流与流经感应线圈的电流大小成正比,意味着增加感应线圈的电流会导致涡流的增加; 烹饪容器的加热时间会更快。

2.更高的频率将使涡流密度集中在更接近表面的地方,这反过来又会大大减少活性电流流的横截面积,从而间接增加电阻,增加加热效率,所以增加工作频率也会加快加热容器的速度。

所以感应加热需要谐振控制器在线圈上产生交变电流,并且为了达到一定功率,谐振控制器的电流及开关频率都要求比较高,那么开关器件势必要选用即能导通大电流又能快速开关的IGBT。

图4.频率对材料的标准穿透深度的影响

感应加热目前主流的拓扑有单端谐振和半桥谐振两种不同的拓扑,下图对两种拓扑特点做了详细的比较:

图5.感应加热应用范围和谐振拓扑的特点

1.单端谐振相对来讲控制简单,整体成本有优势;

2.如下图所示单端谐振不足之处就是功率范围明显受到制约,小功率(<600W)会有硬开通产生大电流增加温升,大功率(>2.3KW)单颗管子的温升很难控制;

图6.两种拓扑功率输出和温升的对应关系

下篇我们会结合拓扑的回路路径对两种拓扑的等效电路电流进行详细分析。

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