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Dec . 2023

感应加热原理与IGBT应用拓扑分析(上)

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图1.传统燃气加热

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2.涡流效应

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3.等效电路

等效电路如下图所示:

图4.频率对材料的标准穿透深度的影响

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5.感应加热应用范围和谐振拓扑的特点

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6.两种拓扑功率输出和温升的对应关系

  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;

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