在線測電磁爐要註意什麼
CPU是主控元件，它是壹塊微型計算機，俗稱單片機。
LM339集成塊是比較器。
二、 原理分析
2.1 特殊零件簡介
2.1.1 LM339集成電路
LM339內置四個翻轉電壓為6mV的電壓比較器,當電壓比較器輸入端電壓正向時(+輸入端電壓高於-入輸端電壓), 置於LM339內部控制輸出端的三極管截止, 此時輸出端相當於開路; 當電壓比較器輸入端電壓反向時(-輸入端電壓高於+輸入端電壓), 置於LM339內部控制輸出端的三極管導通, 將比較器外部接入輸出端的電壓拉低,此時輸出端為0V。
2.1.2 IGBT
絕緣柵雙極晶體管(Iusulated Gate Bipolar Transistor)簡稱IGBT,是壹種集BJT的大電流密度和MOSFET等電壓激勵場控型器件優點於壹體的高壓、高速大功率器件。
目前有用不同材料及工藝制作的IGBT, 但它們均可被看作是壹個MOSFET輸入跟隨壹個雙極型晶體管放大的復合結構。
IGBT有三個電極(見上圖), 分別稱為柵極G(也叫控制極或門極) 、集電極C(亦稱漏極) 及發射極E(也稱源極) 。
從IGBT的下述特點中可看出, 它克服了功率MOSFET的壹個致命缺陷, 就是於高壓大電流工作時, 導通電阻大, 器件發熱嚴重, 輸出效率下降。
IGBT的特點:
1.電流密度大, 是MOSFET的數十倍。
2.輸入阻抗高, 柵驅動功率極小, 驅動電路簡單。
3.低導通電阻。在給定芯片尺寸和BVceo下, 其導通電阻Rce(on) 不大於MOSFET的Rds(on) 的10%。
4.擊穿電壓高, 安全工作區大, 在瞬態功率較高時不會受損壞。
5.開關速度快, 關斷時間短,耐壓1kV~1.8kV的約1.2us、600V級的約0.2us, 約為GTR的10%,接近於功率MOSFET, 開關頻率直達100KHz, 開關損耗僅為GTR的30%。
IGBT將場控型器件的優點與GTR的大電流低導通電阻特性集於壹體, 是極佳的高速高壓半導體功率器件。
目前458系列因應不同機種采了不同規格的IGBT,它們的參數如下:
(1) SGW25N120----西門子公司出品,耐壓1200V,電流容量25℃時46A,100℃時25A,內部不帶阻尼二極管,所以應用時須配套6A/1200V以上的快速恢復二極管(D11)使用,該IGBT配套6A/1200V以上的快速恢復二極管(D11)後可代用SKW25N120。
(2) SKW25N120----西門子公司出品,耐壓1200V,電流容量25℃時46A,100℃時25A,內部帶阻尼二極管,該IGBT可代用SGW25N120,代用時將原配套SGW25N120的D11快速恢復二極管拆除不裝。
(3) GT40Q321----東芝公司出品,耐壓1200V,電流容量25℃時42A,100℃時23A, 內部帶阻尼二極管, 該IGBT可代用SGW25N120、SKW25N120, 代用SGW25N120時請將原配套該IGBT的D11快速恢復二極管拆除不裝。
(4) GT40T101----東芝公司出品,耐壓1500V,電流容量25℃時80A,100℃時40A,內部不帶阻尼二極管,所以應用時須配套15A/1500V以上的快速恢復二極管(D11)使用,該IGBT配套6A/1200V以上的快速恢復二極管(D11)後可代用SGW25N120、SKW25N120、GT40Q321, 配套15A/1500V以上的快速恢復二極管(D11)後可代用GT40T301。
(5) GT40T301----東芝公司出品,耐壓1500V,電流容量25℃時80A,100℃時40A, 內部帶阻尼二極管, 該IGBT可代用SGW25N120、SKW25N120、GT40Q321、 GT40T101, 代用SGW25N120和GT40T101時請將原配套該IGBT的D11快速恢復二極管拆除不裝。
(6) GT60M303 ----東芝公司出品,耐壓900V,電流容量25℃時120A,100℃時60A, 內部帶阻尼二極管。
2.2 電路方框圖
2.3 主回路原理分析
時間t1~t2時當開關脈沖加至Q1的G極時,Q1飽和導通,電流i1從電源流過L1,由於線圈感抗不允許電流突變.所以在t1~t2時間i1隨線性上升,在t2時脈沖結束,Q1截止,同樣由於感抗作用,i1不能立即變0,於是向C3充電,產生充電電流i2,在t3時間,C3電荷充滿,電流變0,這時L1的磁場能量全部轉為C3的電場能量,在電容兩端出現左負右正,幅度達到峰值電壓,在Q1的CE極間出現的電壓實際為逆程脈沖峰壓+電源電壓,在t3~t4時間,C3通過L1放電完畢,i3達到最大值,電容兩端電壓消失,這時電容中的電能又全部轉為L1中的磁能,因感抗作用,i3不能立即變0,於是L1兩端電動勢反向,即L1兩端電位左正右負,由於阻尼管D11的存在,C3不能繼續反向充電,而是經過C2、D11回流,形成電流i4,在t4時間,第二個脈沖開始到來,但這時Q1的UE為正,UC為負,處於反偏狀態,所以Q1不能導通,待i4減小到0,L1中的磁能放完,即到t5時Q1才開始第二次導通,產生i5以後又重復i1~i4過程,因此在L1上就產生了和開關脈沖f(20KHz~30KHz)相同的交流電流。t4~t5的i4是阻尼管D11的導通電流,
在高頻電流壹個電流周期裏,t2~t3的i2是線盤磁能對電容C3的充電電流,t3~t4的i3是逆程脈沖峰壓通過L1放電的電流,t4~t5的i4是L1兩端電動勢反向時, 因D11的存在令C3不能繼續反向充電, 而經過C2、D11回流所形成的阻尼電流,Q1的導通電流實際上是i1。
Q1的VCE電壓變化:在靜態時,UC為輸入電源經過整流後的直流電源,t1~t2,Q1飽和導通,UC接近地電位,t4~t5,阻尼管D11導通,UC為負壓(電壓為阻尼二極管的順向壓降),t2~t4,也就是LC自由振蕩的半個周期,UC上出現峰值電壓,在t3時UC達到最大值。
以上分析證實兩個問題:壹是在高頻電流的壹個周期裏,只有i1是電源供給L的能量,所以i1的大小就決定加熱功率的大小,同時脈沖寬度越大,t1~t2的時間就越長,i1就越大,反之亦然,所以要調節加熱功率,只需要調節脈沖的寬度;二是LC自由振蕩的半周期時間是出現峰值電壓的時間,亦是Q1的截止時間,也是開關脈沖沒有到達的時間,這個時間關系是不能錯位的,如峰值脈沖還沒有消失,而開關脈沖己提前到來,就會出現很大的導通電流使Q1燒壞,因此必須使開關脈沖的前沿與峰值脈沖後沿相同步。
2.4 振蕩電路
(1) 當G點有Vi輸入時、V7 OFF時(V7=0V), V5等於D12與D13的順向壓降, 而當V6
(2) 當V6>V5時,V7轉態為OFF,V5亦降至D12與D13的順向壓降, 而V6則由C5經R54、D29放電。
(3) V6放電至小於V5時, 又重復(1) 形成振蕩。
“G點輸入的電壓越高, V7處於ON的時間越長, 電磁爐的加熱功率越大,反之越小”。
2.5 IGBT激勵電路
振蕩電路輸出幅度約4.1V的脈沖信號,此電壓不能直接控制IGBT(Q1)的飽和導通及截止,所以必須通過激勵電路將信號放大才行,該電路工作過程如下:
(1) V8 OFF時(V8=0V),V8<V9,V10為高,Q8和Q3&NBSP;&NBSP;
(2) V8 ON時(V8=4.1V),V8>V9,V10為低,Q8和Q3截止、Q9和Q10導通,+22V通過R71、Q10加至Q1的G極,Q1導通。
2.6 PWM脈寬調控電路
CPU輸出PWM脈沖到由R6、C33、R16組成的積分電路, PWM脈沖寬度越寬,C33的電壓越高,C20的電壓也跟著升高,送到振蕩電路(G點)的控制電壓隨著C20的升高而升高, 而G點輸入的電壓越高, V7處於ON的時間越長, 電磁爐的加熱功率越大,反之越小。
“CPU通過控制PWM脈沖的寬與窄, 控制送至振蕩電路G的加熱功率控制電壓，控制了IGBT導通時間的長短,結果控制了加熱功率的大小”。
2.7 同步電路
R78、R51分壓產生V3,R74+R75、R52分壓產生V4, 在高頻電流的壹個周期裏,在t2~t4時間 (圖1),由於C3兩端電壓為左負右正,所以V3V5,V7 OFF(V7=0V),振蕩沒有輸出,也就沒有開關脈沖加至Q1的G極,保證了Q1在t2~t4時間不會導通, 在t4~t6時間,C3電容兩端電壓消失, V3>V4, V5上升,振蕩有輸出,有開關脈沖加至Q1的G極。以上動作過程,保證了加到Q1 G極上的開關脈沖前沿與Q1上產生的VCE脈沖後沿相同步。
2.8 加熱開關控制
(1)當不加熱時,CPU 19腳輸出低電平(同時13腳也停止PWM輸出), D18導通,將V8拉低,另V9>V8,使IGBT激勵電路停止輸出,IGBT截止,則加熱停止。
(2)開始加熱時, CPU 19腳輸出高電平,D18截止,同時13腳開始間隔輸出PWM試探信號,同時CPU通過分析電流檢測電路和VAC檢測電路反饋的電壓信息、VCE檢測電路反饋的電壓波形變化情況,判斷是否己放入適合的鍋具,如果判斷己放入適合的鍋具,CPU13腳轉為輸出正常的PWM信號,電磁爐進入正常加熱狀態,如果電流檢測電路、VAC及VCE電路反饋的信息,不符合條件,CPU會判定為所放入的鍋具不符或無鍋,則繼續輸出PWM試探信號,同時發出指示無鍋的報知信息(祥見故障代碼表),如1分鐘內仍不符合條件,則關機。
2.9 VAC檢測電路
AC220V由D1、D2整流的脈動直流電壓通過R79、R55分壓、C32平滑後的直流電壓送入CPU,根據監測該電壓的變化,CPU會自動作出各種動作指令:
(1) 判別輸入的電源電壓是否在充許範圍內,否則停止加熱,並報知信息(祥見故障代碼表)。
(2) 配合電流檢測電路、VCE電路反饋的信息,判別是否己放入適合的鍋具,作出相應的動作指令(祥見加熱開關控制及試探過程壹節)。
(3) 配合電流檢測電路反饋的信息及方波電路監測的電源頻率信息,調控PWM的脈寬,令輸出功率保持穩定。
“電源輸入標準220V±1V電壓,不接線盤(L1)測試CPU第7腳電壓,標準為1.95V±0.06V”。
2.10 電流檢測電路
電流互感器CT二次測得的AC電壓,經D20~D23組成的橋式整流電路整流、C31平滑,所獲得的直流電壓送至CPU,該電壓越高,表示電源輸入的電流越大, CPU根據監測該電壓的變化,自動作出各種動作指令:
(1) 配合VAC檢測電路、VCE電路反饋的信息,判別是否己放入適合的鍋具,作出相應的動作指令(祥見加熱開關控制及試探過程壹節)。
(2) 配合VAC檢測電路反饋的信息及方波電路監測的電源頻率信息,調控PWM的脈寬,令輸出功率保持穩定。
2.11 VCE檢測電路
將IGBT(Q1)集電極上的脈沖電壓通過R76+R77、R53分壓送至Q6基極,在發射極上獲得其取樣電壓,此反影了Q1 VCE電壓變化的信息送入CPU, CPU根據監測該電壓的變化,自動作出各種動作指令:
(1) 配合VAC檢測電路、電流檢測電路反饋的信息,判別是否己放入適合的鍋具,作出相應的動作指令(祥見加熱開關控制及試探過程壹節)。
(2) 根據VCE取樣電壓值,自動調整PWM脈寬,抑制VCE脈沖幅度不高於1100V(此值適用於耐壓1200V的IGBT,耐壓1500V的IGBT抑制值為1300V)。
(3) 當測得其它原因導至VCE脈沖高於1150V時((此值適用於耐壓1200V的IGBT,耐壓1500V的IGBT此值為1400V),CPU立即發出停止加熱指令(祥見故障代碼表)。
2.12 浪湧電壓監測電路
電源電壓正常時,V14>V15,V16 ON(V16約4.7V),D17截止,振蕩電路可以輸出振蕩脈沖信號,當電源突然有浪湧電壓輸入時,此電壓通過C4耦合,再經過R72、R57分壓取樣,該取樣電壓通過D28另V15升高,結果V15>V14另 IC2C比較器翻轉,V16 OFF(V16=0V),D17瞬間導通,將振蕩電路輸出的振蕩脈沖電壓V7拉低,電磁爐暫停加熱,同時,CPU監測到V16 OFF信息,立即發出暫止加熱指令,待浪湧電壓過後、V16由OFF轉為ON時,CPU再重新發出加熱指令。
2.13 過零檢測
當正弦波電源電壓處於上下半周時, 由D1、D2和整流橋DB內部交流兩輸入端對地的兩個二極管組成的橋式整流電路產生的脈動直流電壓通過R73、R14分壓的電壓維持Q11導通,Q11集電極電壓變0, 當正弦波電源電壓處於過零點時,Q11因基極電壓消失而截止,集電極電壓隨即升高,在集電極則形成了與電源過零點相同步的方波信號,CPU通過監測該信號的變化,作出相應的動作指令。
2.14 鍋底溫度監測電路
加熱鍋具底部的溫度透過微晶玻璃板傳至緊貼玻璃板底的負溫度系數熱敏電阻,該電阻阻值的變化間接反影了加熱鍋具的溫度變化(溫度/阻值祥見熱敏電阻溫度分度表),熱敏電阻與R58分壓點的電壓變化其實反影了熱敏電阻阻值的變化,即加熱鍋具的溫度變化, CPU通過監測該電壓的變化,作出相應的動作指令:
(1) 定溫功能時,控制加熱指令,另被加熱物體溫度恒定在指定範圍內。
(2) 當鍋具溫度高於220℃時,加熱立即停止, 並報知信息(祥見故障代碼表)。
(3) 當鍋具空燒時, 加熱立即停止, 並報知信息(祥見故障代碼表)。
(4) 當熱敏電阻開路或短路時, 發出不啟動指令,並報知相關的信息(祥見故障代碼表)。
2.15 IGBT溫度監測電路
IGBT產生的溫度透過散熱片傳至緊貼其上的負溫度系數熱敏電阻TH,該電阻阻值的變化間接反影了IGBT的溫度變化(溫度/阻值祥見熱敏電阻溫度分度表),熱敏電阻與R59分壓點的電壓變化其實反影了熱敏電阻阻值的變化,即IGBT的溫度變化, CPU通過監測該電壓的變化,作出相應的動作指令:
(1) IGBT結溫高於85℃時,調整PWM的輸出,令IGBT結溫≤85℃。
(2) 當IGBT結溫由於某原因(例如散熱系統故障)而高於95℃時, 加熱立即停止, 並報知信息(祥見故障代碼表)。
(3) 當熱敏電阻TH開路或短路時, 發出不啟動指令,並報知相關的信息(祥見故障代碼表)。
(4) 關機時如IGBT溫度>50℃,CPU發出風扇繼續運轉指令,直至溫度<50℃(繼續運轉超過4分鐘如溫度仍>50℃, 風扇停轉;風扇延時運轉期間,按1次關機鍵,可關閉風扇)。
(5) 電磁爐剛啟動時,當測得環境溫度<0℃,CPU調用低溫監測模式加熱1分鐘, 1分鐘後再轉用正常監測模式,防止電路零件因低溫偏離標準值造成電路參數改變而損壞電磁爐。
2.16 散熱系統
將IGBT及整流器DB緊貼於散熱片上,利用風扇運轉通過電磁爐進、出風口形成的氣流將散熱片上的熱及線盤L1等零件工作時產生的熱、加熱鍋具輻射進電磁爐內的熱排出電磁爐外。
CPU發出風扇運轉指令時,15腳輸出高電平,電壓通過R5送至Q5基極,Q5飽和導通,VCC電流流過風扇、Q5至地,風扇運轉; CPU發出風扇停轉指令時,15腳輸出低電平,Q5截止,風扇因沒有電流流過而停轉。
2.17 主電源
AC220V 50/60Hz電源經保險絲FUSE,再通過由CY1、CY2、C1、***模線圈L1組成的濾波電路(針對EMC傳導問題而設置,祥見註解),再通過電流互感器至橋式整流器DB,產生的脈動直流電壓通過扼流線圈提供給主回路使用;AC1、AC2兩端電壓除送至輔助電源使用外,另外還通過印於PCB板上的保險線P.F.送至D1、D2整流得到脈動直流電壓作檢測用途。
註解 : 由於中國大陸目前並未提出電磁爐須作強制性電磁兼容(EMC)認證,基於成本原因,內銷產品大部分沒有將CY1、CY2裝上,L1用跳線取代,但基本上不影響電磁爐使用性能。
2.18輔助電源
AC220V 50/60Hz電壓接入變壓器初級線圈,次級兩繞組分別產生13.5V和23V交流電壓。
13.5V交流電壓由D3~D6組成的橋式整流電路整流、C37濾波,在C37上獲得的直流電壓VCC除供給散熱風扇使用外,還經由IC1三端穩壓IC穩壓、C38濾波,產生+5V電壓供控制電路使用。
23V交流電壓由D7~D10組成的橋式整流電路整流、 C34濾波後, 再通過由Q4、R7、ZD1、C35、C36組成的串聯型穩壓濾波電路,產生+22V電壓供IC2和IGBT激勵電路使用。
2.19 報警電路
電磁爐發出報知響聲時,CPU14腳輸出幅度為5V、頻率3.8KHz的脈沖信號電壓至蜂鳴器ZD,令ZD發出報知響聲。
三、 故障維修
458系列須然機種較多,且功能復雜,但不同的機種其主控電路原理壹樣,區別只是零件參數的差異及CPU程序不同而己。電路的各項測控主要由壹塊8位4K內存的單片機組成,外圍線路簡單且零件極少,並設有故障報警功能,故電路可靠性高,維修容易,維修時根據故障報警指示,對應檢修相關單元電路,大部分均可輕易解決
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