电磁炉的保护电路

第一小节

该电磁炉的保护电路；保护功能如下；

　　? IGBT集电极过压保护；

　　? 市电浪涌脉冲电压保护；

　　? 整机过流保护；

　　? IGBT温度过热保护

　　? 锅底温度超温保护（2800）

　　? 检锅经过中断PAN线由CPU检测振荡脉冲（250us期间8个脉冲）

　　保护电路分析：

　　1、IGBT集电极过压保护控制

     电磁炉的功率输出管Q1一般是采用IGBT管，这是一种具有MOS管的输入特性和BJT管输出特性的功率管，在电磁炉中为了获得最大输出功率，工作时的电压、电流都处于极限状态，工作时输出振荡波的幅度如果出现异常增大即会使IGBT的安全工作受到极大的威胁。这种现象的出现特别是在电磁炉工作时；烹调的锅具端离炉面的瞬间（锅检电路还没有立即响应），出现输出振荡波的幅度波动。

　　图5.4所示；图中红色线段标注及红色标注的元件部分即为：IGBT集电极过压保护控制电路。

    保护控制原理：当IGBT的集电极出现振荡波幅度异常增大时；通过保护控制电路拉低了功率控制电路U2A控制功率输出的电压，从而使输出功率大幅度的下降，甚至停止工作，以保护了IGBT及其其它元件的安全。

     前期文章章节已经详细的介绍了，电磁炉功率控制的原理，知道在功率控制电路中，U2A的5脚为电磁炉的输出功率控制脚，此脚的电位高低，可以改变U2A的2脚输出脉冲的占空比，从而改变了IGBT的导通时间比达到控制功率的目的；U2A的5脚电位高2脚输出高电平变宽；IGBT导通时间长；输出功率大，反之则输出功率减小。

     电路组成：由图5.4可以看出；由R11、R17对Q1的集电极振荡波进行降压取样；送往比较器U2D的10脚（反相输入端），U2D的11脚（同相输入端）连接 +5V作为比较器的比较电压。比较器的输出端2脚；经过D9接电磁炉功率控制电路U2A的5脚。

     电路设置：在电磁炉工作的正常状态；U2D 10脚 经过R11、R17获取的振荡波电压幅度（峰值）略小于5V。这样电磁炉工作的正常状态，比较器U2D的同相输入端11脚电压始终大于反相输入端10脚电压，这样U2D的13脚输出端为高电平。此时D9反偏,13脚的高电平不会对U2A正常的功率控制有任何影响。

　　有异常故障时电路分析：

                                             图5.4

     当出现IGBT(Q1)集电极振荡波幅度异常增大时；通过R11、R17促使U2D的10脚振荡波幅度相应上升，此时当10脚振荡波上升的幅度超过5V时（反相输入端电压大于同相输入端电压）；比较器U2D的输出端13脚电位由高电平迅即转换为低电平（零电平），这是二极管D9随即导通（由于功率控制电路U2A的5脚电位在进行正常功率控制时电位均大大于零电平），D9的导通把功率控制电路U2A的5脚电位也应拉低至零电平（忽略D9的压降）；但是由于C12的存在；D9的导通只是大幅度的降低了U2A的5脚电压；U2A的5脚电压的大幅度降低；U2AD 2脚输出的激励信号占空比大幅度变化（高电平变窄、低电平变宽）促使IGBT导通时间大大缩短；电磁炉输出功率大幅度下降，输出振荡波的幅度也大幅度的下降。

    由于经过R11、R17加到U2D的11脚的是振荡波而不是直流电压，这样在出现振荡波幅度过大异常现象时；只在振荡波幅度接近正峰值时；U2D的13脚才是低电平输出，其它时间仍然是高电平输出，在一个振荡波周期内；振荡波异常的幅度越大，反相输入端电压超越同相输入端的时间越长；U2D的13脚输出零电平的时间越长，功率控制电路U2A的5脚电压被拉的越低，电磁炉总的输出功率下降越多。

    图5.5所示；就是IGBT的集电极在输出不同幅度振荡波情况下，保护电路U2D的13脚输出情况；

    图5.5左边的图形中 绘出了IGBT集电极经过R11、R17加到U2D的10脚的三种不同的波形，（1）在电磁炉正常工作状态下；波形A（黑色），（2）在电磁炉IGBT集电极波形幅度已经过大；输出波形B（蓝色），（3））在电磁炉IGBT集电极波形幅度已经大幅度发超越正常安全情况下；波形C（红色）。

                                       图5.5

第二小节

当波形A（黑色）加到U2D的10脚时：从图中可以看出波形A（黑色）最大幅度（峰值）小于5V，当波形A加到U2D的10脚时候；波形A的峰值部分仍然小于5V，所以比较器U2D的同相输入端电位始终大于反相输入端，U2D的13脚输出端则始终是高电平输出，二极管D9反偏，此时的状态对电磁炉功率控制电路U2A没有任何影响。

     当波形B（蓝色）加到U2D的10脚时：从图中可以看出波形B（蓝色）最大幅度（峰值）部分已经超越5V，当波形B加到U2D的10脚时候；波形B的峰值部大于5V部分的这段时间；比较器U2D的同相输入端电位小于反相输入端，这段时间U2D的13脚输出端为低电平（零电平），图5.5最右边的蓝色电平曲线所示，在这一小段低电平期间二极管D9导通；拉低了电磁炉功率控制部分U2A的5脚电位；使电磁炉的输出功率略微下降，输出电压的幅度也下降到安全的区域。

     当波形C（红色）加到U2D的10脚时：从图中可以看出波形C（红色）最大幅度（峰值）部分已经大大的超越5V，在超越的时间上也比B（蓝色）波形多的多，当波形C加到U2D的10脚时候；波形C的峰值大于5V部分的这段较长时间；比较器U2D的同相输入端电位小于反相输入端，这段时间U2D的13脚输出端为低电平（零电平），由于超越的时间较长；低电平的宽度也较宽；图5.5最右边的红色电平曲线所示，在这较长一段低电平期间二极管D9导通；大幅度拉低了电磁炉功率控制部分U2A的5脚电位；使电磁炉的输出功率较大的下降，输出电压的幅度也较大幅度的下降到安全的区域。

     当持续性的幅度过大，证明电路出了故障，U2D的13脚产生较长时间的低电平也加到了CPU(U3)的5脚，当CPU的5脚检测到长时间低电平时，CPU内部的保护控制电路识别后，控制14脚发出中断信号，关闭了电磁炉的工作。

　　2、 市电过压及浪涌脉冲电压保护：

     为了采用比较简单低廉的电路能输出较大的加热烹调功率，电磁炉一般采用单只IGBT作为功率输出管，供电采用220V交流市电直接整流滤波供电。此时无论是IGBT的集电极电压和集电极电流都接近了最大的极限工作状态，在这种情况下；供电源出现过压及浪涌（瞬时较大幅度电压波动）电压都极易引起IGBT功率管的损坏，为了防止IGBT功率管的损坏所以在一般的电磁炉内均设置了防止过压及浪涌波动的保护电路，在过压及浪涌波动出现时；大幅度的降低输出功率或关闭电磁炉的工作。

　　（1）浪涌脉冲产生及保护：

     电磁炉的供电是220V的交流电网供电，由于供电电网中有大量感性电器设备在工作（例如空调、交流电机、电焊机等），这些大电流感性设备在开启、关闭的瞬间都会产生一个短暂的强干扰脉冲（电磁感应作用）窜入电网；叠加在220V正弦波交流电的波形上进入我们的电磁炉内，如果这些干扰脉冲的叠加位置正好和220V正弦波的峰值叠加；这些叠加脉冲的峰值幅度较大幅度的超过了220V交流电的峰值幅度，对电磁炉的安全工作又是一个极大的威胁。为了对付这种幅度较大的脉冲损坏电磁炉，在一般的电磁炉电路中都设置了浪涌脉冲电压的保护电路。

    图5.6所示；图中红色线段标注及红色标注的元件部分即为：IGBT集电极过压及浪涌保护控制电路

　　浪涌脉冲保护控制原理：

     当电网电压具有幅度超过220V正弦交流电压峰值的浪涌脉冲到来时，这个浪涌电压的幅度叠加在IGBT的集电极，对于工作于极限状态的IGBT极易形成电压击穿；此时只要大幅减小IGBT的振荡波输出的幅度，就有效的减少了叠加浪涌脉冲叠加的威胁。这个保护控制电路的作用就是在具有幅度超过220V正弦交流电压峰值的浪涌脉冲到来时；通过保护控制电路大幅度的拉低电磁炉功率控制电路U2A的5脚的电位，大幅度减少IGBT管的导通时间，减少电磁炉的输出功率，IGBT集电极的电磁振荡波幅度也大幅度减小；使电路得以保护。

    电路的组成：该保护电路除了浪涌脉冲取样电路不同于上述的“IGBT集电极过压保护控制”外，后续保护电路的动作、原理是完全相同。

     由图5.6可以看出；由R1对220V整流电压进行降压取样，取样的直流电压；送往比较器U2C的6脚（反相输入端），U2C的7脚（同相输入端）连接 +5V作为比较器的比较电压。比较器的输出端1脚；经过D9接电磁炉功率控制电路U2A的5脚。

                                           图5.6

     电路设置：在电磁炉工作的正常状态；U2C 的6脚 经过R1获取的降压的电压幅度（峰值）略小于5V。这样电磁炉工作的正常状态，比较器U2C的同相输入端7脚电压始终大于反相输入端6脚电压，这样U2C的1脚输出端为高电平，此时D9反偏,1脚的高电平不会对U2A正常的功率控制有任何影响。

     当电网有异常的浪涌脉冲到来时；在该脉冲出现的瞬间，提高了U2C的6脚电压；6脚电压超过了7脚（5V）电压（在此瞬间；同相输入端电位小于反相输入端电位），U2C的1脚电位瞬时转变为低电平（零电平）输出；此时D9导通拉低了电磁炉功率控制部分U2A的5脚电位；使电磁炉的输出功率较大幅度的下降，输出电压的幅度也较大幅度的下降这样，浪涌过冲电压在IGBT的集电极出现，也不会对IGBT形成较大的威胁。，如果浪涌脉冲电压持续出现；则和前述一样导致CPU的5脚检测后控制电磁炉关机进入保护性关机状态。

                                            图5.7

     
　　下面采用定量的方法来的分析浪涌脉冲保护控制电路的工作原理；图5.7所示；绘制出该电磁炉浪涌脉冲保护控制电路的实际电路图，现在通过图5.7标注的元件数值；对浪涌脉冲保护控制电路进行定量的分析；

     【注：平时的220V正弦波交流市电的220V电压值是指：正弦波波形由中线（零轴）0V距正半周或负半周的0.707倍位置的幅度值，这个幅度值称为“有效值”，此时正弦波的最大值（峰值）即为：220V÷0.707=311V。平时所称的220V交流电是指有效值为220V的交流电，这个220V的交流电峰值为311V，图5.8所示。正峰点到负峰点的电压值（峰-峰值）是：622V,所以平时维修电器必须要注意人身安全】

                                               图5.8

   在图5.7中；D1、D2是市电220V电压整流管，图中可以看出；整流后并没有设置滤波电容，那么在正常情况下；其输出则是未经滤波的峰值电压为311V（220V交流市电的有效值为：220V。峰值则为：  220V÷0.707=311V）的“馒头波”。该峰值为311V的“馒头波”经过R1、R4、R5组成的串联的分压电路进行分压：R1（220K）和R4(220K)连接的分压点引出的电压经(155V)过R2降压后去CPU的19脚进行过压保护控制。R4和R5(6.8K)连接的分压点引出的峰值电压(4.8)送往U2C的6脚，图5.9上图所示，这是在正常市电输入情况下；UC2的6脚峰值电压（4.8V）幅度略低于7脚（5V）电压；UC2的1脚输出为高电平，图5.9下图蓝色5V电平线所示，图5.10所示是U2C比较器电路在220V正常市电供电状态下各引脚电压状态，可以看出当U2C的6脚电压低于7脚时；1脚输出为:高电平。

                                             图5.9

    
　　所以在正常220V电压供电情况下；UC2的1脚输出为高电平。此时；D9截止，保护电路不会影响功率控制电路U2A的5脚的电位，电磁炉维持正常工作状态工作。

                                      图5.10

第三小节

当出现异常浪涌电压波动时；浪涌波动是一个叠加在“馒头波”峰值上频率成分较高的瞬变脉冲，图5.11A所示；这个叠加的瞬变脉冲迅速通过并联在R4上面的C19（22000P）以较大的幅度对C25充电（由于浪涌脉冲的瞬变及C19容量较大，所以R4的降压作用很小）并加到U2C的6脚上，此时6脚电压迅速升高超过7脚电压；UC2的1脚输出迅即转变为低电平（零电平），图5.11B所示；此时D9导通拉低电磁炉功率控制电路U2A的5脚的电位，大幅度减少IGBT管的导通或关闭IGBT的工作。当浪涌过去后；由于C25的充电电压的释放有一个时间过程；U2C的6脚电压仍然维持一定时间超过7脚电压的过程；所以UC2的1脚低电平输出维持一个较长的时间过程；实际1脚波形如图5.11C所示，使电磁炉遇到一个短暂的浪涌时；也有一个较长的保护时间，这个保护启控的灵敏度及保护时间的长短与C19、C25的比值有关及和R1、R4、R5组成的时间常数有关（维修要加以考虑）。

                                          图5.11

    如果干扰脉冲的幅度较大而且持续的时间较长，就会使U2C在较长的一个时间段；6脚（反相输入端）的电压超过7脚电压；其1脚也在一个较长时间维持低电平，这个较长时间的持续低电平加到CPU U3的5脚，CPU识别后控制电磁炉进入停机状态。

　　（2）市电220V过压保护：

     当电磁炉供电的220V交流市电出现持续过压时（在国内此现象普片发生），极易引起IGBT的击穿损坏，此时220V供电过压保护电路经过检测，立即经过U2A控制关闭IGBT工作，并且过压信息也同时送往CPU控制电磁炉关闭，电磁炉的工作进入保护状态。

　　保护电路和浪涌脉冲保护为同一电路，图5.7所示；

     保护原理；(A)当市电电压上升出现过压时（这往往是一个持续时间较长的时间段）；经过D1、D2整流后的“馒头波”幅度均上升，这些上升的“馒头波”经过R1、R4、R5分压后加到U2C的6脚电压（馒头波峰值）均大大的超过5V；如图5.12A所示；在图5.12A中红色“馒头波”表示输入的220V电压过压幅度比较小；蓝色“馒头波”表示输入的220V电压过压幅度比较大的两种情况。

    这些过压的“馒头波”在加到U2C的6脚同时也对C25进行充电，C25相当于一个小时间常数的滤波电容，也就是说由于C25的存在，延长了U2C的一脚低电平持续的时间。图5.12B表示没有C25时；U2C的1脚输出波形；可以看出图5.12B波形的低电平宽度相等于图5.12A中红色“馒头波”峰值部分超过5V电平线T部分的宽度。在红色“馒头波”过压的情况下，如果电路增加了C25；那么U2C的1脚输出低电平（图5.12C波形）的宽度就大于图5.12A中红色“馒头波”峰值部分超过5V电平线T部分的宽度，这是因为C25存储的电荷延迟维持了U2C的6脚电位的缘故。

    那么如果220V交流电出现较大幅度的过压，图5.12A蓝色“馒头波”所示，显然U2C的1脚输出的低电平宽度就更加延长；图5.12D所示，如果220V交流电出现更大幅度的过压；则U2C的1脚则维持持续低电平输出，图5.12E所示。U2C的1脚输出的各种不同的低电平就可以控制电磁炉IGBT大幅度降低功率，减少集电极振荡波幅度保护IGBT不被击穿。

                                                                     图5.12

   另外当出现220V交流过压时；R1、R4的连接点的过压信息经过R2加到CPU U3的19脚，CPU检测到出现过压时；即控制电磁炉进入关机保护状态，图5.13中红线所示。

                                           图5.13

　　3、电磁炉过流保护：

    电磁炉工作时；由于负载过重或者是因为电压过高引起整机电流过大时；电磁炉极易引起损坏，为此；电磁炉均设置了整机过流保护电路。因为是电磁炉整机的过流保护，所以电路的检测取样设置在220V交流供电的输入电路中。图5.14中的红色线段表示部分。

　　过流保护电路的组成和工作原理:

    过流保护电路的组成极为简单；就是在电磁炉的220V交流供电电路的一根输入线路上串接一只电流互感器T1，互感器输出绕组获得的互感电势经过整流后，加到CPU的18脚的电流检测输入端，图5.14所示。

                                                                 图5.14

第四小节

工作原理：

    电流互感器T1的构造类似是一个变压器；它实际是一个初级采用极粗导线绕制一圈的次级采用极细导线绕制几千圈的变压器。T的初级线圈串联在电磁炉的交流供电的电路中,电磁炉工作时；电磁炉供电电流经初级流通，由于初级只有一匝；线径又特别粗；所以不会对电磁炉的供电产生任何压降的影响。由于T是一个变压器；只要初级线圈有电流流过；次级线圈的两端就必定有电压产生；这个电压的大小与初级流过的电流大小及次级的圈数有关，当次级的圈数确定；这个电压于初级流过的电流成正比。也就是说；当电磁炉的工作电流越大；次级两端的电压就越高。

    次级线圈一般的圈数有几千圈，在电磁炉正常工作时（坐锅）；初级线圈的电流有约4至5安培的电流，这个电流可以在次级线圈两端产生约近10V的交流电压，在没有坐锅的状态下，炉盘线圈没有功率输出；电磁炉整机的电流会非常的小（小于0.05安培）这时T1次级两端的电压极小（几十毫伏）。这个坐锅和不坐锅的巨大的电压落差变化经过CPU的18脚接口送入CPU内部。经过和设定的基准电压进行比较，当电磁炉的整机电流过大时，经18脚引入的电压就会上升，当引入电压超过设定电压时，CPU就发出关机命令进入关机状态。在前面的电磁炉锅检章节中；对电流互感器的电流检测电路也进行了介绍；电磁炉在工作时；坐锅及不坐锅两种状态下；整机的电流相差极大，部分电磁炉也依据输入电流的大小进行检测以判断是否坐锅。

　　4、IGBT管过热保护：

     一个近千瓦耗电功率的电磁炉，主要由电磁炉内部的IGBT功率管完成电磁转换及功率输出，目前的电磁炉内部采用的是具有MOS管输入特性BJT输出特性的IGBT，在工作是承受的集电极电压（输出正弦波的振幅+集电极直流电压）及集电极电流已经接近于极限值。

　  电磁炉的IGBT是工作在开关状态，但是它并不是一个理想的“开关”，工作时存在两种损耗：

    一是开关损耗；“开关”在每一次的“接通”和“断开”的瞬间“接点”部位在这瞬间都会产生电火花，这个电火花就是能量的损耗。为了减少这种损耗就要采用频率特性极好（开关迅速）的IGBT及减少（开关）的次数(降低电磁炉工作频率)，但是不管怎么处理这种损耗是存在的。

    二是饱和压降损耗：IGBT不是一个理想的“开关”，它导通后导通电阻并不等于零，而是有一个极小的电阻值（导通电阻），当IGBT工作时在导通有电流流过状态时：这个导通电阻的两端就有一个电压降（欧姆定律），这个压降值×流过的电流就是IGBT的功率损耗，尽管选用优秀的IGBT，此压降可以很小，但是在电磁炉大电流的工作状态下。这个损耗也是很可观的。

　　以上这两种损耗消耗的功率最终都转换成了热量（能量守恒定律），提高了IGBT的工作温度。

IGBT工作温度对IGBT的危害

    目前IGBT的集电极耐压是指在摄氏25度时；集电极和发射极之间的电压承受值（VCEO），随着IGBT管体温度的上升，这个承受值逐步下降。例如一只耐压1500V的IGBT(或者CRT电视机的行输出管)当管壳的温度上升到摄氏70度时，这个承受值（耐压）会下降到只有1300V或者更低，原来工作正常的IGBT(或者电视机的行输出管)就会因为温度的上升引起耐压的下降而击穿，这就是我们平时行输出管及开关电源管损坏击穿的主要原因（二次击穿），并不是电流过大烧坏。所以控制IGBT（或者电视机的行输出管、开关电源管）的工作温度意义是重大的。

    一般电磁炉的IGBT都增加了很大的散热装置，就是这样在大功率工作时也难以抵御温度的上升，所以现代电磁炉都在IGBT的管壳上安装了一只具有负温度系数的热敏电阻，图5.15所示，图中IGBT Q1的旁边的NTC2即是此热敏电阻。负温度系数是指当热敏电阻周围的温度上升时，其热敏电阻的阻值则下降。

   【NTC是Negative Temperature Coefficient 的缩写，意思是负的温度系数，泛指负温度系数很大的半导体材料或元器件，它是以锰、钴、镍和铜等金属氧化物为主要材料， 采用陶瓷工艺制造而成的。因为在导电方式上完全类似锗、硅等半导体材料。温度低时，这些氧化物材料的载流子（电子和孔穴）数目少，所以其电阻值较高；随着温度的升高，载流子数目增加，所以电阻值降低。NTC热敏电阻器在室温下的变化范围在100~1000000欧姆，温度系数-2%~-6.5%】

                                                                  图5.15

    图5.15中；热敏电阻NTC2贴IGBT安装，一端接地一端接CPU的20脚，当IGBT温度上升时；NTC2的阻值下降，引起CPU的20脚电位下降，当下降到一个设定值时（IGBT温度上升到一个特定温度）：CPU发出关机命令停止电磁炉的工作，保护了IGBT及整机的安全。

　　5、锅底温度检测保护：

     当电磁炉坐锅时；由于电磁感应现象锅底产生涡流而产生热量，这是如果锅内没有食物或者没人看管而干锅了，锅底温度就会不断上升，最终导致电磁炉及锅的损坏，为了防止这种现象的发生；电磁炉都设置了锅底温度检测保护电路；就是在电磁炉炉盘的中心（锅底中心）安置一个热敏电阻，图5.16所示的热敏电阻NTC1，一端接+5V另一端接CPU的17脚（锅底温度检测信号端），当锅底温度上升时；NTC1的阻值下降；CPU的17脚电位上升，当锅底的温度超摄氏280度时；NTC1的阻值也下降到了一个一定的阻值，此时CPU的17脚电位也上升到了一个设定的额定值，CPU发出关机命令停止电磁炉的工作，保护了电磁炉整机的安全。

                                                              图5.16

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电磁炉维修视频

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