新型高頻電磁加熱熱水器的研究與設(shè)計

摘要：介紹了一種利用半橋諧振電路實現(xiàn)的新型電磁熱水器的設(shè)計原理和方法。試驗結(jié)果表明基于感應(yīng)加熱原理的電磁熱水器可穩(wěn)定工作在1.5kW，30kHz的范圍，并使輸入諧波降到最低，負載側(cè)功率因數(shù)達96％以上，效率達92％。

關(guān)鍵詞：感應(yīng)加熱；熱水器；半橋電路；諧振

1    引言

    目前，在家庭浴用設(shè)施方面尤受人們歡迎的是淋浴熱水器。為滿足人們的需要，各廠家相繼研制出燃氣、電加熱、太陽能等熱水器。然而在使用中，這些熱水器都有各自的缺點，燃氣和電熱水器的安全性較低，太陽能熱水器的效率不高，這都造成了它們使用的局限性。采用感應(yīng)加熱原理設(shè)計的高頻電磁加熱熱水器和以上幾種相比有著突出的優(yōu)點。它是利用電磁感應(yīng)產(chǎn)生的交變磁場，在圓柱狀的發(fā)熱體的表面形成渦流達到直接加熱的目的，效率比貯水式熱水器要高20％，加熱時間比相同功率的電熱水器要快得多，更值得指出的是，它通過感應(yīng)線圈使發(fā)熱體產(chǎn)生渦流達到加熱的目的，實現(xiàn)了發(fā)熱體和主電路之間電氣上的隔離，避免了電熱水器因絕緣損壞而產(chǎn)生的漏電現(xiàn)象，在安全性上大大提高了。試驗表明，我們研制的1.5kW，30kHz的電磁熱水器完全符合要求。

2    電路拓撲及設(shè)計過程

    電磁熱水器電路的系統(tǒng)框圖如圖1所示。市電交流220V經(jīng)過濾波整流后變?yōu)榇蠹s310V直流，通過半橋諧振逆變電路的振蕩在線圈中產(chǎn)生交變磁場，在發(fā)熱體中產(chǎn)生渦流以達到加熱的目的。

圖1    電路系統(tǒng)框圖

2.1    主電路工作過程分析

    主電路的工作過程如圖2所示。通過開關(guān)管S₁，S₂的開通和關(guān)斷，感應(yīng)線圈電感和半橋電路的兩個電容在各自的回路形成諧振。在穩(wěn)態(tài)工作下根據(jù)開關(guān)管、負載、電容上電壓電流的波形，電路在一個運行周期中分4個工作模式:

    模式1    如圖2(a)所示，開關(guān)管S₁開通，電流經(jīng)S₁，R，L，C₂形成回路，S₁開通時電壓為零，減小了開關(guān)損耗，實現(xiàn)了零電壓開通。

    模式2    如圖2（b）所示，開關(guān)管S₁關(guān)斷，負載電壓反向，電流通過D₂續(xù)流，此時S₂上的電壓為零，流過S₁的電流為零。

    模式3    如圖2（c）所示，開關(guān)管S₂開通，線圈中電流反向，S₂在電壓為零時開通，電流流經(jīng)C₁，L，R，S₂。

    模式4    如圖2（d）所示，開關(guān)管S₁、S₂都關(guān)斷，電流經(jīng)C₁，L，R，D₁形成回路，此時S₁上的電壓為零，流過S₂的電流為零。

(a)    模式1    (b)    模式2

(c)    模式3    (d)    模式4

圖2    主電路工作過程

    V_L＋V_R＋V_C=V_TH    （1）

    L＋Ri_L＋i_Ldt=±V_in    （2）

    i_L=    （3）

    V_R=R    （4）

    V_L=L×(βcosβt₁－αsinβt₁)－I₁(βsinβt₁＋αcosβt₁)]    （5）

    V_RL=V_R－V_L    （6）

式中：α=R/2L；

            β=；

      R=R_eq＋R_on；

    V₁為RLC諧振回路中電容上的起始電壓；

    I₁為RCL諧振回路中電感上的起始電流；

    V_TH在模式2、4為0，模式1為，模式3為；

    V_in=V_ACsinωt，ω為工頻下的角頻率。

該電路的輸出功率為:

    P_out=×cosθ_n    （7）

式中：V_s2為開關(guān)管電壓；

      i_L為負載電流

2.2    控制方法及實現(xiàn)

    該控制電路的框圖如圖3所示。

圖3    電路控制框圖

    開機信號經(jīng)過RC緩沖后輸入到壓控振蕩器（VCO）的輸入端，輸出信號經(jīng)分頻后經(jīng)過驅(qū)動電路實現(xiàn)對MOSFET的控制，為降低成本，該電路采用單一頻率，電壓、電流開環(huán)控制，而通過加熱水溫度的反饋控制起停。為了減少開機時對MOSFET的沖擊，采用了RC緩沖軟啟動電路，以掃頻的方式實現(xiàn)開機時功率的逐步增加。

2.3    輸入濾波器的設(shè)計

    通常輸入濾波器采用大電容或大電感使逆變器的輸入電壓或電流變成直流，但這種設(shè)計也帶來了很多的問題，例如：逆變器輸入功率因數(shù)很差，同時逆變器電路的諧波對電網(wǎng)的干擾也成為一個不可忽略的因素。為了減小電路對電網(wǎng)的諧波污染，改善逆變器的功率因數(shù)，該電路采用了LC濾波的方式，使電路產(chǎn)生的諧波降到最低，同時使輸入電壓和電流的包絡(luò)線同相，從而使負載側(cè)功率因數(shù)接近為1。

    圖4（a）是采用大電容濾波時輸入電流的波形。由圖可見，只有當(dāng)整流后的電壓大于電容上的電壓時，電網(wǎng)才會向逆變器輸入功率。圖4（b）采用的是LC濾波，輸入電流近似于正弦波，高次諧波明顯減少。圖4（c）是兩種情況下輸入電流諧波的比較，白色是采用電容濾波，黑色是LC濾波。由圖4可見，采用LC濾波的效果明顯好于單一電容濾波。

(a)    大電容濾波時輸入電流波形    (b)    LC濾波時輸入電流波形

(c)    兩種濾波方式下的諧波頻譜比較

圖4    輸入電流及諧波分析

    在濾波電感的設(shè)計中，由式（8）可知，

    AP=    （8）

    電感磁芯體積的大小與通過電感的電流成正比。為了減小濾波電感的體積，采用了無氣隙環(huán)形磁芯的飽和電感，當(dāng)主電路電流超過一定值時，電感磁芯飽和，電路中只剩下電容濾波。飽和電感電感值與電流的關(guān)系由式（9）～式（12）給出。

    L=NS    （9）

    B=f(H)    （10）

    H_l=NI    （11）

    L=    （12）

    仿真和試驗結(jié)果表明，采用飽和電感后輸入電流的諧波有所增加，但整流二極管和開關(guān)管上的電流和電壓值沒有太大的變化，電感的體積減小了很多，仿真結(jié)果如圖5所示。

(a)    輸入電流    (b)    負載電流

圖5    采用飽和電感后的波形 

    濾波器參數(shù)經(jīng)計算，電感L取300～400μH，電容C取5μF濾波效果最好。由濾波器傳遞函數(shù)

    G(s)=    （13）

得出的伯德圖如圖6所示。由圖6可見，電路工作在頻率30kHz時的諧波被完全地濾掉。

圖6    濾波器函數(shù)的Bode圖

3    試驗結(jié)果及波形

    根據(jù)以上思路，設(shè)計了一臺功率1.5kW，工作頻率30kHz的樣機，圖7是試驗波形，試驗結(jié)果驗證了以上推導(dǎo)的特性。

(a)    開關(guān)管u_gs，u_ds以及電感電流波形

(b)    輸入濾波器后的電壓和電感電流波形

圖7    試驗波形

    圖7（a）中，波形1是開關(guān)的驅(qū)動波形，2是開關(guān)管兩端的電壓波形，4是電感電流波形。圖7（b)中，2是輸入濾波器后的電壓波形，4是電感電流波形。由圖7（b）可以看出輸入電壓和電感電流的包絡(luò)線同相位，負載側(cè)功率因數(shù)接近于1。

4    結(jié)語

    由于采用了半橋式諧振電路和LC輸入濾波器的設(shè)計，在器件的選擇、電源效率、對電網(wǎng)的諧波干擾等方面比同類的單管電路提高很多。但在減小開關(guān)的導(dǎo)通損耗，防止電路的直通方面尚需進一步改進。