美的電磁爐各部分電路原理分析

美的電磁爐各部分電路原理分析

在此主要針對美的TM-S1-01A-A板(TM-S1-01A)(主芯片S007)電磁爐做詳細講解,主板各部分電路功能及其控制原理,以及常見故障的快速判斷處理。

電磁爐電路圖

1、TM-S1-01A-A板(TM-S1-01A)(主芯片S007)

TM-S1-01A原理圖

 

2、TM-S1-01D板(主芯片LC87F2L08A)

TM-S1-01D原理圖

 

電磁爐各電路分析

美的電磁爐電路可以從功能模塊上劃分成以下主要的15個電路模塊,本節(jié)將對15個模塊結合美的電磁爐的標準板、TM板、QF板的實際電路原理進行闡述。

(1)、LC振蕩電路;(2)、同步及振蕩電路;(3)、IGBT高壓保護電路;(4)、PWM脈寬調控電路;(5)、IGBT驅動電路;(6)、浪涌保護電路;(7)、電流檢測電路;(8)、電壓檢測電路;(9)、5V電源;(10)、18V電源;(11)、蜂鳴器報警電路;(12)、鍋具溫度檢測電路;(13)、IGBT溫度檢測電路;(14)、風扇驅動電路;(15)、主電源;

一、美的TM-S1-01A電路板電路模塊分析

1、主板和顯示板接口說明

單片機芯片放置在主板上,其中單片機已嵌入了相關比較器及部分電磁爐專用程序函數(shù)。由于單片機芯片端口有限,一般通過串口驅動顯示模塊。顯示模塊放置在顯示板上。為了統(tǒng)一所有產品,規(guī)定標準板和顯示板的排線接口順序。根據(jù)產品的需要,確定了5個接口,其規(guī)定排列順序及說明列表如下:

 

2、電路模塊分析

LC振蕩電路:

 

元件組成:諧振電容C5,線圈盤L,IGBT

LC振蕩電路是整個電路的核心部分,是電能轉換成為電磁能的實現(xiàn)部分。其中L是指接在OUT1和OUT2之間的線圈盤,而C則為并在L之間的電容C5。電路通過IGBT的高頻開關(一般頻率在20K-30K)形成LC振蕩,從而在L上形成高頻變化的電流,變化的電流又使得L產生變化的電磁波。

 

以上波形圖是根據(jù)LC振蕩工作原理,繪制的示意圖:

T1-T2:IGBT控制極為高電平,IGBT飽和導通,電流I1從電源流過線盤L,電能轉換為磁能存儲在線盤上。

T2-T3:IGBT控制極為低電平,關斷IGBT,由于電感不允許電流突變,電流I2流向電容C5,能量轉移到C5,I2減到最小時,也就是線盤的能量全部放完時,VC達到最高。

T3-T4:電容開始通過線盤方向放電,所以此時I3為負向,電容的能量轉移線盤上,VC最低時,反向電流I3最大。

T4-T5:此時IGBT開通,但由于感抗的作用,不允許電流突變,負向電流I4繼續(xù)向電容C5充電直至為0。

所以,在一個高頻的周期里,T2~T3的I2是線盤磁能對電容C5的充電電流,T3~T4的I3逆程脈沖峰壓通過L1放電得電流,T4~T5得I4是線盤兩端的電動勢反向時形成的阻尼電流,因此,IGBT的導通電流實際是I1。

IGBT的電壓變化:在靜態(tài)時,VC為輸入電源經過整流濾波后得直流電源,T1~T2,IGBT飽和導通,VC接近地電位,T4~T5,VC為負壓,T2~T4,也就是LC自由震蕩得半個周期,VC上出現(xiàn)峰值電壓,在T3時VC達到最大值。

以上證明兩個問題:一是在高頻電流得一個周期中,只有I1是電源供給線盤能量的,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(jié)加熱功率,只需要調節(jié)脈沖寬度;二是LC自由震蕩的半個周期是出現(xiàn)峰值電壓的時間亦是IGBT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,如果峰值脈沖還沒有消失,而開關脈沖已提前到來,就會出現(xiàn)很大的瞬間電流導致IGBT燒壞,因此必須保證開關脈沖的前沿與峰值脈沖后沿同步。

 

同步及振蕩電路

元件組成:R3,R19,R17,R14,C8,R4,R5,R32,R37,R15,R14,R24,C9,C30,U1(20,19腳)

電磁爐功率控制的核心電路,主要作用是從LC振蕩中取得同步信號(注1),根據(jù)同步信號振蕩產生鋸齒波,為IGBT提供前級驅動波形。此電路的輸入信號是線盤兩端(即CN3和CN4)的諧振波形,U1的3腳輸出控制IGBT前級的PWM信號。

如圖所示,其信號取自LC振蕩的電容C5兩端的分壓,一路經過R3、R19、R17、R14和C8得到相位電壓A點,送到單片機20腳;另一路經過R4,R5,R32,R37,R15,R16,R24得到相位電壓B點,送到單片機19腳。單片機得到兩者信號,并經過內部處理,從而得到可控制的同步PWM,并從U1的3腳輸出。

檢鍋

檢鍋就是檢測電磁爐上是否有鍋,臺灣的廠家稱之為負載偵測,也就是把加熱的鍋具視為電磁爐的負載,是電磁爐電路的一部分。我們的檢鍋是脈沖法檢有鍋,就是通過內部信號處理可以檢測是否鍋具。

其檢測過程:開機后,進入功能后PWM(3腳)輸出微米級的高電平使IGBT驅動電路啟動LC振蕩,通過同步反饋網(wǎng)絡到單片機內部進行檢測來確定是否有鍋。

(注1)同步信號:IGBT在導通時,其C極電壓越低,IGBT內部的損耗越小,反之則損耗越大;當IGBT內部損耗過大,則IGBT內部發(fā)熱嚴重而導致燒壞。在理想狀態(tài),C極電壓為零時開通IGBT,其內部損耗W=UcI=0,但實際上在電磁爐上電后,C極電壓不可能為0V,所以,只能取IGBTC極最低的電壓時開通IGBT,使IGBT的開關損耗最小。所以,同步信號就是IGBTC極電壓最低時的檢測信號,也就是最佳的IGBT開通時機。

IGBT高壓保護電路

 

元件組成:R4,R5,R32,R37,R15,R16,R18,U1(18腳)

此部分主要是檢測IGBT C極電壓,保護IGBT在安全的電壓下工作。美的電磁爐采用的IGBT最高耐壓達1200V(如西門子IH20T120和仙童FGA25N120),但設計時一般都留有設計余量,此保護電路IGBT高壓動作的電壓是1100V峰值。即當IGBTC極的電壓超過1100V時,IC(18)腳得到的分壓電壓變高,經過內部檢測將3腳輸出的PWM寬度拉低,縮小IGBT驅動占空比,縮短IGBT導通時間,從而降低IGBTC極電壓,達到保護IGBT的目的。

在一定的條件下,IGBT的C極導通時間越長,電磁爐的功率越大,IGBT的C極就越高。目前我們采用的鍋具有304不銹鋼和430不銹鐵,304不銹鋼的磁阻非常大,430的磁阻小很多,所以,要達到相同的功率,304的驅動脈寬將遠小于430鍋具;使用430鍋具時,IGBT的C極承受的高壓遠大于使用304鍋具。所以,經常反映430鍋具的功率無法達到額定的功率2000W,而304卻輕易達到2500W甚至更高,就是與此電路保護有關。

如圖,IGBTC極電壓經過R4、R5、R32、R37、R15, R16,分壓后再經過R18到U1 18腳。在設計中或生產中,若要提高IGBT保護電壓而提高430的功率,可以減小R16。但不管如何,務必謹慎,確保IGBT的C極高壓不高于1100V,否則,提高了功率卻也提高了產品維修率。

PWM脈寬調控電路

 

元件組成:U1(3腳),C30。

脈寬調控電路是由CPU內部根據(jù)不同檔位單片機3腳并配合同步信號自動輸出PWM脈寬控制IGBT的占空比,從而影響功率的大小,PWM的占空比越大,IGBT驅動脈寬就越寬,則電磁爐的輸出功率就越大,反之越小。

“CPU通過控制PWM脈沖的寬與窄,控制送至振蕩電路的加熱控制電壓,控制IGBT導通時間的長短(脈沖寬度),結果控制了加熱功率的大小。”其中C30,C9,C8用于調相。

IGBT驅動電路

 

元件組成:U1(3腳),Q1,Q2,Q3,R8,R9,R13,C10,R7

振蕩電路產生的驅動信號電壓較低,基本在4~5V之間,不能驅動IGBT,所以,要將這電壓放大到18V以更好地驅動IGBT。

此電路分為兩部分:

⑴、由Q1、Q3組成的推挽電路,驅動波形通過由兩個三極管Q1、Q3組成的推挽電路,將輸出Vout電壓提高到18V。

⑵由Q2組成的IGBT使能控制電路。當Q2基極為高電平時,Q2導通,從而拉低Q3基極,Q3導通則IGBT驅動電路不工作,當Q2基極為低電平時IGBT啟動。

浪涌保護電路

元件組成:U1(1腳),D1,D2,R29,R1,R11,C2,C9,D4,R40

電磁爐在使用過程中,如果電網(wǎng)電壓不穩(wěn),高壓脈沖(一般高于400V)沖擊電磁爐,造成電磁爐IGBT擊穿。浪涌保護電路就是為了防止此浪涌高壓對電磁爐的損壞而設計的。

 

浪涌電路的信號SURGE取樣于電網(wǎng)電壓整流后的信號,市電經過D1,D2整流后,經過R29,R1,R11分壓后,經過R40得到單片機U1 1腳取樣信號。當電源電壓正常時,U1 1腳為低電平(約0.8V),經過U1內部處理后不影響后級IGBT使能控制電路的Q2。當電源突然有浪涌電壓輸入時,造成U1 1腳電壓升高為高電平(約高于2.5V),經過IC內部檢測處理使3腳輸出高電平,這可以使后級IGBT使能控制電路的Q2截止,關斷IGBT,從而起到保護IGBT的作用。

電路中,R1、R11各并上電容主要提高抗干擾能力,避免浪涌保護誤動作,D4為嵌位作用,防止U1 1腳電壓超過5V,損壞U1。

電流檢測電路

 

元件組成:U1(16,17腳),RK1,R2,VR1,C3,C26,C27.

流過康銅絲兩端的電流,變換成電壓,此電壓經過R2,變阻器VR1輸入至單片機U1 AD端口17腳。CPU根據(jù)檢測此電壓信號的變化來檢測電磁爐的輸入電流,從而自動做出各種動作:

1、檢到過鍋后,將會用1秒鐘的時間來檢測電流的變化,通過電流變化的差值確定鍋具的材質、大小尺寸

2、工作時,單片機時刻檢測電流的變化,根據(jù)檢測到的電壓及電流信號,自動調整PWM做功率恒定處理。

3、工作時,單片機時刻檢測電流的變化,當電流變化過大時,做無鍋具的判斷。

VR1是0歐到500歐姆的可調電阻,主要是通過此調節(jié)電阻來調整因為結構誤差引起的功率偏差,通過調節(jié)此電阻來改變電流檢測的基準,達到調節(jié)電磁爐輸出功率大小的目的。當VR1增大時,相應的電流檢測的電壓會提高。在輸入電流一定的情況下,輸出感應出來的電壓相應提高,那么電流檢測的AD值的會提高,根據(jù)軟件恒功的要求,功率會相對下降。

電壓檢測電路

元件組成:U1(10腳),D1,D2,R29, R26,R12,R10,.C14

 

電壓信號取自電磁爐電源交流輸入,交流信號由D1、D2整流的脈動電流電壓通過R29、R26,R12與R10分壓、C14平滑后,得到信號送到單片機AD口,即VOLC U1(10腳)。

CPU根據(jù)檢測此電壓信號的變化來檢測電磁爐的輸入電壓,從而自動做出各種動作:

1、工作時,單片機時刻檢測電壓的變化,若電壓過高或過低時(一般250V~150V電壓為正常),單片機將會發(fā)出保護的指令,停止加熱,并顯示代碼;待電壓恢復正常后,電磁爐自動恢復繼續(xù)工作。

2、工作時,單片機時刻檢測電壓的變化,根據(jù)檢測到的電壓及電流信號,自動調整PWM做功率恒定處理。

電源供電電路

 

元件組成:

D1,D2,R33,D6,C19,U2,U3,R30,D7,D8,D11,DW2,C12,C13,C20,C21,C22,C23,C28,L2

標準板的供電采用開關電源方式,此電源模塊將交流電壓轉換為VDD,18V和5V直流電。其中,VDD給風扇供電,18V電壓給IGBT驅動、。5V電壓用于單片機、顯示板、信號采樣提供基準等電路。

開關電源工作原理:

~220V市電經過D1,D2整流后,經過D6,R33,送至Viper12中5、6、7、8腳。啟動Viper12芯片。

當viper12開通時,脈沖電壓經過變壓器初級線圈,C23整流成約18V左右的VDD電壓,一路經D7給Viper12芯片供電;另一路給風機,IGBT供電。此外VDD電壓經DW2穩(wěn)壓管到Viper12反饋端FB。當電壓高于18V,Z90導通,則有反饋電流輸入Viper12反饋端,Viper12經過內部處理判定是否到達關斷電平。從而達到調整PWM目的。這也使VDD電壓處在18V左右,經過C23大電容濾波穩(wěn)定在18V電平。

當viper12關斷時,變壓器4腳電壓經過D11整理形成約9V直流電壓。此電壓輸入7805 IC后轉換成5V電壓個系統(tǒng)芯片供電。

D8是續(xù)流二極管,作用是Viper12關斷時,電流經過變壓器L2的2腳,負載,D8,變壓器L2的1腳.形成完整回路。

L7805是電壓調整IC,內置電流限制保護,熱保護功能。本板電路是將10V電壓轉換成5V電壓。

L7805簡圖

 

蜂鳴器報警電路

 

元件組成:BZ1,C6,U1(6腳)

采用的蜂鳴器為交流驅動。電路的驅動端口連接單片機的輸出口,C6為隔直電容,當單片機驅動端口輸出方波信號時,蜂鳴器鳴叫報警。采用的蜂鳴器驅動頻率為4KHz,若頻率合適,則蜂鳴器鳴叫聲音悅耳,若頻率偏低,則鳴叫聲沉悶甚至不響,若頻率偏高,則鳴叫聲尖銳難聽甚至不響。

鍋具溫度檢測電路

 

元件組成:R28,C25,U1(12腳),熱敏電阻TOP

加熱鍋具鍋底的溫度通過陶瓷板傳到緊貼在其下面的熱敏電阻,具有負溫度特性的熱敏電阻的阻值的變化間接反映了鍋具溫度的變化。鍋具熱敏電阻與R1并接后與R2分壓輸出信號TEMP_MAIN,根據(jù)熱敏電阻的負溫度特性可知,溫度越高,熱敏電阻阻值就越小,分壓所的的電壓TEMP_MAIN就越大,單片機就是通過檢測TEMP_MAIN電壓的變化間接檢測鍋具的溫度的變化,從而做出相應的動作:

1、過熱保護:根據(jù)不同的功能,當檢測到的溫度過高時,電磁爐將會停止加熱或保護顯示保護代碼E3;

2、干燒保護:當鍋具處于干燒狀態(tài)時,鍋具溫度上升很快,電磁爐將會停止加熱并顯示保護代碼EA;

3、熱敏異常保護:當熱敏電阻異常時,短路、短路或感應不到溫度,電磁爐將不能啟動或停止加熱,同時顯示保護代碼;

4、工作時,單片機時刻檢測鍋具溫度,根據(jù)鍋具溫度做相應的火力調整。

IGBT溫度檢測電路

該檢測熱敏電阻緊貼在IGBT散熱片上面,具有負溫度特性的熱敏電阻的阻值的變化間接反映了IGBT溫度的變化。IGBT熱敏電阻與R3分壓輸出信號TEMP_IGBT,根據(jù)熱敏電阻的負溫度特性可知,溫度越高,熱敏電阻阻值就越小,分壓所的的電壓TEMP_IGBT就越大,單片機就是通過檢測TEMP_IGBT電壓的變化間接檢測IGBT的溫度的變化,從而做出相應的動作:

 

元件組成:R27,R34,C24,U1(11腳),熱敏電阻RT1

1、高溫保護:當檢測到IGBT溫度高于90℃-100℃時,電磁爐將會停止加熱待到溫度下降到60℃--70℃-后恢復加熱;當IGBT溫度高于110℃時,電磁爐將會立即停止加熱并保護顯示高溫代碼E6,保護IGBT;

2、熱敏異常保護:當熱敏電阻異常時,短路、短路,電磁爐將不能啟動或保護顯示保護代碼。

風扇驅動電路

 

元件組成:D3,Q5,R20,R35,U1(6腳),風扇

風扇使用18V的風扇,電路由D3、Q5和R20,R35構成。當FAN口為高時,Q1導通,風扇工作,當FAN口為低時,Q1截止,風扇關斷。由于風扇為感性負載,Q1關斷后,風扇仍有電流,電流可通過D3放掉。在電磁爐很多方案中,風扇驅動控制口FAN和蜂鳴器驅動端口BUZ復用同一個單片機端口,所以,在蜂

鳴器鳴叫時輸出方波,風扇會暫時減慢,但由于鳴叫時間很短(短于1S),而風扇轉動時存在慣性,所以轉動減慢不明顯,并不影響實際效果。

主電源

 

元件組成:FUSE1,RZ1,R38,C1, BG1,L1,C4

AC220V50/60Hz交流電經過保險絲FUSE1、EMC防護電路(C1、RZ1)、整流橋BG1和濾波電路(L1、C4),得到直流電提供給主功率電路。

保險絲FUSE1在電路燒壞的情況下自動切斷電磁爐與電網(wǎng)的連接,以保護電網(wǎng)。

EMC防護電路主要作用是提供品質因數(shù)、抑制騷擾電壓和抗擊雷電沖擊。

整流橋BG1,其作用是將~220V轉換成直流電壓,為電磁爐諧振電路提供工作的直流電。

濾波電路由扼流線圈和濾波電容組成,將直流脈動電壓轉換為平滑的直流電,對后面LC振蕩電路的電能轉化起儲能的作用,同時也防止LC振蕩回路的高頻電流干擾電網(wǎng)。

二、美的TM-S1-01D電路板電路模塊分析

1、主板及顯示板簡介

TM-S1-01D電路板為美的電磁爐繼TM-S1-01A電路板后的新一代集成方案功率板。較之于以前的非集成方案而言就是將相關比較器,放大器集成到主控芯片內部,從而使功率板外圍電路更簡單。美的TM-S1-01D功率主板主控芯片為美的與日本三洋合作開發(fā)的電磁爐專用控制芯片。主控芯片位于主板上,結合位于顯示板上的顯示芯片實現(xiàn)電磁爐按鍵操作以及顯示功能。

顯示芯片通信與主控芯片通信口有以下兩種:

 

 

維修注意點:

1.針對炸機情況的維修

維修中如果接到客戶所送維修機保險管炸裂、橋堆和IGBT燒毀,請注意以下原件的檢查,以免造成上電再次炸機。

(1)請確認18V穩(wěn)壓二極管DW1是否損壞。詳細請參看第二部分電路模塊分析第(3)條。

(2)請檢查濾波電容C4是否異常。如果C4電容短路,可能再次上電炸機。詳細請參看第二部分電路模塊分析第(10)條。

(3)請檢查主控芯片U1的2腳4腳是否異常。檢測方法為:萬用表打在測量通路的這一檔,紅表筆接2腳,黑表筆接4腳,如果萬用表顯示為二極管特性(數(shù)顯萬用表約600多),則將表筆交換,如果萬用表顯示斷路,則可通電做進一步測試維修;如果兩次測量萬用表顯示這兩腳短路,或著紅表筆在4腳黑表筆在2腳時萬用表顯示兩腳之間從在一定電阻,則說明此電路板主控芯片已損,請勿通電維修。

2.如果經檢查磁爐其它部分一切良好無異常,但是整機不能加熱,請檢查諧振電容C5是否異常。一般諧振電容如果容值變化,外觀也會有相應變化,明顯變化目測可知。

如果磁爐炸機請檢查濾波電容C4是否短路。檢測方法為拆掉已損壞的IGBT測量C4電容兩端是否短路。

以上兩種情況可能會在電磁爐使用很長一段時間后出現(xiàn)。

3.如果發(fā)現(xiàn)有風機不轉現(xiàn)象,更換風機仍然不轉,請檢查Q5是否正常。檢測方法為:上電測量Q5與R20連接點是否電壓大于3.0V,如果大于3.0V,請更換Q5。如果電壓為0V,檢查電阻R20是否斷路,檢查單片機27腳到R20之間的銅箔是否斷開。

4.維修時靜態(tài)測量SURGE點的電壓應該小于1.4V,如果該點電壓明顯高于這個電壓,磁爐不能正常工作,檢查相應的電阻阻值有沒有明顯變化。鉗位二極管是否對+5V短路。

5.如果整機功率偏低,可檢查RK1(康銅絲)是否明顯浮起或者明顯受潮生銹。如果康銅絲有明顯異常,可更換康銅絲檢查功率。

6.維修時測量Vc靜態(tài)電壓應該為1.1V。如果靜態(tài)電壓明顯大于設計值1.1V,則整機功率可能偏低或者不加熱,此時需要測量相關元件電阻是否變質。一般為電阻R4阻值變小。

7.如果遇到炸機情況維修,請確認18V穩(wěn)壓二極管DW1是否損壞。如果穩(wěn)壓二極管反向不是高阻狀態(tài),則與電阻R6并聯(lián)導致R6分壓降低不足以維持IGBT正常導通,上電后會再次炸機。

8.Va與Vb之間靜態(tài)壓差必須大于100mV,否則電磁爐不能加熱。

9.D8為續(xù)流二極管,型號為:BYV26C。注意與UF4007的區(qū)別,不可混用。若18V和5V電壓輸出異常,可查此元件。