TWI640224B - Induction cooker and control circuit and control method therefor - Google Patents

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Abstract

電磁爐及用於電磁爐的控制電路和控制方法，其中該控制電路包含斜坡信號發生器，通過包括在斜坡信號發生器中的諧振波峰控制電路對電磁爐主回路開關的諧振波峰電壓進行採樣，並利用採樣得到的諧振波峰電壓生成第一補償電流，並且通過將諧振波峰控制電路生成的第一補償電流與恆定電流相加利用電容器生成斜坡信號；差分積分電路，將與第一參考電壓和第一電壓信號的電壓之間的電壓差相應的電流進行積分獲得第二電壓信號；比較器，將作為斜坡信號的第三電壓信號的電壓與第二電壓信號的電壓進行比較以輸出第一控制信號以便於控制電磁爐的主回路開關。通過該控制電路，可以有效控制諧振電壓。

Description

電磁爐及用於電磁爐的控制電路和控制方法
本發明涉及家用電器領域，更具體地說，本發明涉及電磁爐及用於電磁爐的控制電路和控制方法。
電磁爐是採用磁場感應渦流原理，它利用高頻的電流通過環形線圈，從而產生無數封閉磁場力，使鍋體本身自行快速發熱，然後再加熱鍋內食物。當線圈1中通過高頻電流時，線圈1周圍產生高頻交變磁場，當磁場磁力線3通過導磁材料(如：鐵質鍋2)的底部在高頻交變磁場的作用下，鐵質鍋2底既會產生無數小渦流4，鍋底迅速釋放出大量的熱量，達到加熱目的，其工作示意圖如第1圖所示。
第2圖是現有技術中電磁爐工作的主回路的示意圖，由全波整流橋、LC濾波器、電磁線圈MC、電容器C0與第一開關W構成。這裡，所述第一開關W為一絕緣閘雙極電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)。
作為輸入的交流電，經過全波整流橋後被全波整流，然後經過LC濾波器，形成正弦半波電壓。第一開關W不斷地導通和斷開，第一開關W導通時經整流後的輸入電壓Vin加在電磁線圈MC兩端，電磁線圈MC流過正向電流增加，第一開關W斷開時電磁線圈MC與並聯的電容器C0形成高頻諧振，電磁線圈MC上電壓反向，流經電磁線圈MC的電流減小，流過電磁線圈MC的電流的改變形成高頻磁場。高頻磁場產生的交變磁力線穿過鍋具，在鐵質鍋體內形成渦流，使鍋發熱，因此交變磁力線對渦流產生了決定性的作用。
下面對第2圖的工作狀態進行分析，瞭解第2圖這種架構是如何產生交變磁場。
工作狀態一：第3圖中示出了第一開關W閉合時電磁爐工作電路的電流流向。
此時，第一開關W閉合，設定第一開關W的導通時間段為導通時間Ton，整流後半波電壓經過電磁線圈MC和閉合的開關形成回路，電磁線圈MC是一個線性電感，流過電磁線圈MC的電流持續增加。
一般而言，由於第一開關W的導通時間Ton較小，因此流過電磁線圈MC的電流近似為線性增加，L．△i L =V input sin θ．T on (1)公式(1)中，通過電磁線圈MC的電流為△i L ，θ為輸入電壓的相位角，Vinput為輸入電壓Vin的峰值。由於輸入電壓為一正弦波形電壓，Vinput‧sinθ為不同相位角下的輸入電壓值。
由公式(1)可得，
工作狀態二：第4圖中示出了第一開關W斷開時電磁爐中電磁線圈MC和電容器C0構成的諧振回路的電流流向。
此時，第一開關W斷開，設定第一開關W的斷開時間段為斷開時間Toff，第一開關W斷開後，儲存在電磁線圈MC中的能量轉移到並聯的諧振電容器C0，形成LC諧振回路。
諧振頻率為：， 其中，L為電磁線圈MC的電感值，C為與電磁線圈MC並聯的諧振電容器C0的電容值。
當儲存在電磁線圈MC中的能量全部轉移到電容器C0上後，電容器C0電壓最高，此時加在第一開關W上的電壓達到諧振波峰。
將公式(2)代入公式(3)，可得：
因此，第一開關W上諧振電壓的波峰VPEAK也和輸入電壓一樣呈現為正弦變化。當電磁爐的功率設定在最大時，第一開關W的導通時間Ton也達到最大，由於交流輸入電壓不穩定，具有一定的波動範圍為176V~264V，若輸入電壓為高壓264V，諧振的波峰會接近1200V，甚至達到開關W的耐壓值，這樣第一開關W有可能會過壓損壞。
當諧振處於波峰時，可能會對第一開關W造成損壞；同樣，當諧振處於波谷時，也可能對第一開關W造成不良影響。
當電容器C0上的能量全部轉移到電感上形成負向的電流，電感的能量又全部轉移到電容器C0上形成反向的電壓，如第5圖所示，第一開關W上的電壓將達到諧振波谷，此時：V VALLEY =2．V input sin θ-V PEAK (5)
將公式(4)代入公式(5)，可得：
其中，VVALLEY為諧振的波谷電壓。從上述公式(6)可見，開關上諧振的波谷電壓也和交流輸入電壓一樣呈現為正弦變化。當電磁爐的功率設定在最小時，開關的導通時間Ton也最短；由於交流輸入電壓不穩定有一定的波動範圍在176V~264V，若輸入電壓為高壓264V，諧振的波谷電壓會超過100V甚至更高，此時如果導通第一開關W，該第一開關W會因損耗過大而被損壞。
由上可見，若對第一開關W上的諧振電壓進行控制，包括波峰電壓和波谷電壓，將會提高第一開關W的使用壽命，增強電磁爐使用時的安全性。
以上分析在回路阻抗近似為0的條件下進行，當有電磁爐負載接入時，回路阻抗會增加，但分析方法不變。
為了解決上述問題的一個或多個，本發明提出了一種新的對電磁爐主回路開關的諧振電壓的波峰和波谷進行控制的方法。
根據本發明的一方面，提供了一種用於電磁爐的控制電路，包括：第一控制單元，將與第一參考電壓和第一電壓信號的電壓之間的電壓差相應的電流進行積分獲得第二電壓信號，並將作為斜坡信號的第三電壓信號的電壓與第二電壓信號的電壓進行比較以輸出第一控制信號；第二控制單元，將反映第四電壓信號的電壓變化的第五電壓信號的電壓與第一閾值電壓進行比較以輸出第二控制信號；第一邏輯控制單元，基於分別從第一控制單元和第二控制單元輸出的第一控制信號和第二控制信號輸出第三控制信號以對電磁爐主回路開關進行控制，其中，第一控制單元包括：諧振波峰控制電路，對電磁爐主回路開關的諧振波峰電壓進行採樣，利用採樣得到的諧振波峰電壓生成第一補償電流，所述第一控制單元通過將諧振波峰控制電路生成的第一補償電流與恆定電流相加利用電容器生成作為斜坡信號的第三電壓信號。
根據本發明的另一方面，其中，所述第一控制單元還包括：諧振波谷控制電路，對電磁爐主回路開關的諧振波谷電壓進行採樣，利用採樣得到的諧振波谷電壓生成第二補償電流，其中，所述第一控制單元通過將諧振波谷控制電路生成的第二補償電流與恆定電流相減利用電容器生成作為斜坡信號的第三電壓信號。
根據本發明的另一方面，其中，在諧振波峰控制電路中，通過第一RC積分電路將採樣得到的諧振波峰電壓輸入第一電壓控制電流源的正相輸入端，並將第二參考電壓輸入第一電壓控制電流源的反相輸入端以生成第一補償電流。
根據本發明的另一方面，其中，在諧振波谷控制電路中，通過第二RC積分電路將採樣得到的諧振波谷電壓輸入第二電壓控制電流源的正相輸入端，並將第三參考電壓輸入第二電壓控制電流源的反相輸入端以生成第二補償電流。
根據本發明的另一方面，其中，在諧振波峰控制電路和諧振波谷控制電路中，分別利用電壓跟隨器電路將採樣得到的電壓輸入至第一 RC積分電路和第二RC積分電路。
根據本發明的另一方面，其中，在諧振波峰控制電路中，將採樣得到的諧振波峰電壓與第四參考電壓相比較來生成第一脈衝信號，利用第一脈衝信號對經整流的輸入電壓進行採樣，並將整流的輸入電壓和採樣得到的輸入電壓分別輸入到第三電壓控制電流源的正相輸入端和反相輸入端以生成第一補償電流。
根據本發明的另一方面，其中，在諧振波谷控制電路中，將採樣得到的諧振波谷電壓與第五參考電壓相比較來生成第二脈衝信號，利用第二脈衝信號對經整流的輸入電壓進行採樣，並將經整流的輸入電壓和採樣得到的輸入電壓分別輸入到第四電壓控制電流源的正相輸入端和反相輸入端以生成第二補償電流。
根據本發明的另一方面，其中，該第一邏輯控制單元為RS觸發器，第一控制信號輸入到RS觸發器的復位端，而第二控制信號輸入到RS觸發器的置位端，當第一控制信號為高電平時，從第一邏輯控制單元輸出的第三控制信號為低電平，電磁爐主回路開關斷開；當第二控制信號為高電平時，從第一邏輯控制單元輸出的第三控制信號為高電平，電磁爐主回路開關導通。
根據本發明的另一方面，提供了一種控制電路，包括：斜坡信號發生器，通過包括在斜坡信號發生器中的諧振波峰控制電路對電磁爐主回路開關的諧振波峰電壓進行採樣，並利用採樣得到的諧振波峰電壓生成第一補償電流，並且通過將諧振波峰控制電路生成的第一補償電流與恆定電流相加利用電容器生成斜坡信號；差分積分電路，將與第一參考電壓和第一電壓信號的電壓之間的電壓差相應的電流進行積分獲得第二電壓信號；比較器，將作為斜坡信號的第三電壓信號的電壓與第二電壓信號的電壓進行比較以輸出第一控制信號以便於控制電磁爐的主回路開關。
根據本發明的另一方面，其中所述斜坡信號發生器還包括：諧振波谷控制電路，對電磁爐主回路開關的諧振波谷電壓進行採樣，利用採樣得到的諧振波谷電壓生成第二補償電流，其中，所述斜坡信號發生器通過將諧振波谷控制電路生成的第二補償電流與恆定電流相減利用電容器 生成斜坡信號。
根據本發明的另一方面，其中，在諧振波峰控制電路中，通過第一RC積分電路將採樣得到的諧振波峰電壓輸入第一電壓控制電流源的正相輸入端，並將第二參考電壓輸入第一電壓控制電流源的反相輸入端以生成第一補償電流。
根據本發明的另一方面，其中，在諧振波谷控制電路中，通過第二RC積分電路將採樣得到的諧振波谷電壓輸入第二電壓控制電流源的正相輸入端，並將第三參考電壓輸入第二電壓控制電流源的反相輸入端以生成第二補償電流。
根據本發明的另一方面，其中，在諧振波峰控制電路和諧振波谷控制電路中，分別利用電壓跟隨器電路將採樣得到的電壓輸入至第一RC積分電路和第二RC積分電路。
根據本發明的另一方面，其中，在諧振波峰控制電路中，將採樣得到的諧振波峰電壓與第四參考電壓相比較來生成第一脈衝信號，利用第一脈衝信號對經整流的輸入電壓進行採樣，並將經整流的輸入電壓和採樣得到的輸入電壓分別輸入到第三電壓控制電流源的正相輸入端和反相輸入端以生成第一補償電流。
根據本發明的另一方面，其中，在諧振波谷控制電路中，將採樣得到的諧振波谷電壓與第五參考電壓相比較來生成第二脈衝信號，利用第二脈衝信號對經整流的輸入電壓進行採樣，並將經整流的輸入電壓和採樣得到的輸入電壓分別輸入到第四電壓控制電流源的正相輸入端和反相輸入端以生成第二補償電流。
根據本發明的另一方面，提供了一種控制方法，包括：將與第一參考電壓和第一電壓信號的電壓之間的電壓差相應的電流進行積分獲得第二電壓信號，並將作為斜坡信號的第三電壓信號的電壓與第二電壓信號的電壓進行比較以輸出第一控制信號；將反映第四電壓信號的電壓變化的第五電壓信號的電壓與第一閾值電壓進行比較以輸出第二控制信號；基於分別第一控制信號和第二控制信號輸出第三控制信號以對電磁爐主回路開關進行控制；其中，對電磁爐主回路開關的諧振波峰電壓進行採樣，利 用採樣得到的諧振波峰電壓生成第一補償電流；通過將生成的第一補償電流與恆定電流相加，生成作為斜坡信號的第三電壓信號。
根據本發明的另一方面，其中該控制方法還包括：對電磁爐主回路開關的諧振波谷電壓進行採樣，利用採樣得到的諧振波谷電壓生成第二補償電流，通過將生成的第二補償電流與恆定電流相減，生成作為斜坡信號的第三電壓信號。
根據本發明的另一方面，提供了一種控制方法，包括：對電磁爐主回路開關的諧振波峰電壓進行採樣，並利用採樣得到的諧振波峰電壓生成第一補償電流，並且通過將生成的第一補償電流與恆定電流相加，生成斜坡信號；將與第一參考電壓和第一電壓信號的電壓之間的電壓差相應的電流進行積分獲得第二電壓信號；將作為斜坡信號的第三電壓信號的電壓與第二電壓信號的電壓進行比較以輸出第一控制信號以便於控制電磁爐的主回路開關。
根據本發明的另一方面，其中該控制方法還包括：對電磁爐主回路開關的諧振波谷電壓進行採樣，利用採樣得到的諧振波谷電壓生成第二補償電流，通過將生成的第二補償電流與恆定電流相減，生成斜坡信號。
根據本發明的另一方面，還提供了一種包括如上所述的控制電路的電磁爐。
通過採用本發明的技術方案，可以對電磁爐的諧振電壓，包括波峰和波谷電壓，進行及時有效的控制，從而增加了電磁爐的安全性。
610‧‧‧第一控制單元
620‧‧‧第二控制單元
630‧‧‧邏輯控制單元
710‧‧‧差分積分電路
720‧‧‧第一比較器
730‧‧‧斜坡信號發生模組
C0,C1,C2,C3‧‧‧電容器
C4‧‧‧第四電容器
C5‧‧‧第五電容器
C6‧‧‧第六電容器
C7‧‧‧第七電容器
C8‧‧‧第八電容器
C9‧‧‧第九電容器
C10‧‧‧第十電容器
C11‧‧‧第十一電容器
gate‧‧‧控制信號
gm‧‧‧運算跨導放大器
Iin‧‧‧輸入電流
i‧‧‧恆定電流
i1‧‧‧第一補償電流
i2‧‧‧第二補償電流
K1‧‧‧第三開關
K2‧‧‧第四開關
K3‧‧‧第五開關
K4‧‧‧第六開關
K5‧‧‧第七開關
K6‧‧‧第八開關
MC‧‧‧電磁線圈
off‧‧‧第一控制信號
on‧‧‧第二控制信號
Q‧‧‧輸出端
R1‧‧‧第一電阻器
R2‧‧‧第二電阻
R3‧‧‧第三電阻
R4‧‧‧第四電阻
R5‧‧‧第五電阻
Rs‧‧‧電流檢測電阻
ramp‧‧‧斜坡信號
ref1‧‧‧第一參考電壓
ref2‧‧‧第二參考電壓
Ts1,Ts2‧‧‧脈衝信號
Vin‧‧‧輸入電壓
Vw,comp‧‧‧電壓信號
Vcs,Vc1,Vc2,V1,V2‧‧‧電壓
Vref‧‧‧參考電壓
Vth‧‧‧閾值電壓
Vs1‧‧‧波峰電壓
Vs2‧‧‧波谷電壓
vccs1‧‧‧第一電壓控制電流源
vccs2‧‧‧第二電壓控制電流源
vccs3‧‧‧第三電壓控制電流源
vccs4‧‧‧第四電壓控制電流源
W‧‧‧第一開關
W1‧‧‧第二開關
第1圖示出了電磁爐的工作示意圖。
第2圖示出了電磁爐工作的主回路的示意圖。
第3圖示出了在電磁爐主回路的開關導通時主回路的電流流向。
第4圖示出了在電磁爐主回路的開關斷開時電磁爐中電磁線圈和電容器構成的諧振回路的電流流向。
第5圖示出了當電磁爐主回路的開關斷開，因為諧振而在電容器上形成反向電壓時的電流流向。
第6圖示出了根據本發明的電磁爐系統的控制電路的結構框圖。
第7圖示出了第6圖中第一控制單元的示意性結構圖。
第8圖示出了第6圖中第二控制單元的示意性結構圖。
第9圖示出了根據本發明示例性實施例對電磁爐主回路開關上的諧振電壓波峰進行控制前後的波形圖對比。
第10圖示出了根據本發明示例性實施例對電磁爐主回路開關上的諧振電壓波谷進行控制前後的波形圖對比。
第11圖示出了根據本發明第一實施例對電磁爐主回路開關上的諧振電壓的波峰和波谷進行控制的控制電路。
第12A圖示出了根據本發明第一實施例的控制電路下波峰採樣脈衝信號、諧振電壓、控制電磁爐主回路開關導通和斷開的控制信號、斜坡信號的波形圖。
第12B圖示出了根據本發明第一實施例的控制電路下波谷採樣脈衝信號、諧振電壓、控制電磁爐主回路開關導通和斷開的控制信號、斜坡信號的波形圖。
第13圖示出了根據本發明第二實施例對電磁爐主回路開關上的諧振電壓的波峰和波谷進行控制的控制電路。
第14A圖示出了不加控制時的諧振電壓波峰包絡、在根據本發明第二實施例的控制電路進行控制時的諧振電壓波峰包絡、當諧振波峰電壓大於第一參考電壓時生成的脈衝信號的波形圖。
第14B圖示出了不加控制時的諧振電壓波谷包絡、在根據本發明第二實施例的控制電路進行控制時的諧振電壓波谷包絡、當諧振波谷電壓大於第二參考電壓時生成的脈衝信號的波形圖。
下面將結合具體的實施例來對本發明進行詳細的描述。本領域技術人員應該理解，本發明所示的實施例只是示例性的，並不作為對本 發明的限制。本領域技術人員應該理解，上述電路可以應用於任何可以應用的場合而不僅限於對電磁爐的功率進行控制。下面，為了描述簡便而將該功率控制電路應用於電磁爐的功率控制。
第6圖中示出了電磁爐系統控制電路的原理圖。該示圖僅是示例，其不應當不當地限制申請專利範圍的範疇。本領域的技術人員在該示圖的基礎上將可進行適應性地變化、替代和修改。
輸入電流Iin是從電網端流入電磁爐系統的電流，當電磁爐主回路上的第一開關W導通時，有輸入電流Iin流入電磁爐系統；當第一開關W斷開時，輸入電流Iin將停止流入電磁爐系統。如第6圖所示，將電流檢測電阻Rs與第一開關W串聯連接以連接到主回路中對輸入電流Iin的大小進行檢測。因為電壓是電阻值和電流的乘積，所以電流檢測電阻Rs上的電壓Vcs也就反映了輸入電流Iin的大小。
如第6圖所示，電磁爐系統控制電路包括第一控制單元610、第二控制單元620和邏輯控制單元630。其中，邏輯控制單元630根據第一控制單元610和第二控制單元620分別輸出的控制信號，輸出用於控制電磁爐主回路上開關W導通和斷開的控制信號gate。
第一控制單元610接收與電磁爐的設定功率相應的參考電壓Vref以及與電磁爐主回路上的電流大小相應的電壓信號(例如，電流檢測電阻Rs上的電壓Vcs)，對與這些信號的電壓差相應的電流進行積分，然後將獲得的電壓與斜坡信號ramp的電壓進行比較以向邏輯控制單元630輸出用於控制第一開關W斷開的第一控制信號off，其中，第一控制信號off是電平信號，當第一控制信號off為高電平時，可控制電磁爐主回路上的第一開關W斷開。
第二控制單元620接收在電磁爐主回路中經由並聯的電磁線圈MC與電容器C0(電磁線圈MC與電容器C0構成諧振電路)施加到第一開關W上的電壓信號Vw，並將與該信號相應的電壓與閾值電壓Vth進行比較以向邏輯控制單元630輸出用於控制第一開關W導通的第二控制信號on。其中，第二控制信號on為電平信號。當第二控制信號on為高電平時，可通過邏輯控制單元630控制第一開關W導通。
邏輯控制單元630基於分別從第一控制單元610和第二控制單元620輸出的第一控制信號off和第二控制信號on輸出用於控制第一開關W的導通和斷開的控制信號gate。
作為示例，邏輯控制單元630是RS觸發器，第一控制單元610的輸出連接到RS觸發器的復位端，而第二控制單元620的輸出連接到RS觸發器的置位端。也就是說，第一控制信號off輸入到RS觸發器的重定端而第二控制信號on輸入到RS觸發器的置位端。RS觸發器的輸出端Q連接至第一開關W的控制端以控制第一開關W的導通和斷開。這裡，僅作為示例而不作為限制，第一開關W可以為絕緣閘雙極電晶體開關。
第7圖中示出了第一控制單元610的示意性結構圖。
作為示例，如第7圖所示，第一控制單元610包括差分積分電路710、第一比較器720和斜坡信號發生模組730。差分積分電路710包括運算跨導放大器gm和電容器C1。根據本發明示例性實施例，將與電磁爐的設定功率相應的參考電壓Vref與反映電磁爐主回路的電流大小的電壓信號(例如電流檢測電阻Rs上的電壓Vcs，下文中為了描述簡便，用電壓Vcs作為示例進行描述)輸入到差分積分電路710以對與這兩個電壓信號的電壓差相應的電流進行積分。其中，與設定功率相應的參考電壓Vref輸入到運算跨導放大器gm的正相輸入端，而電壓Vcs輸入到運算跨導放大器gm的反相輸入端以根據這兩個輸入信號之間的電壓差來調節輸出電流的大小。運算跨導放大器gm的輸出端連接到電容器C1，從而利用電容器C1對通過運算跨導放大器gm輸出的與輸入到運算跨導放大器gm的兩個電壓信號的電壓差相應的電流進行積分，得到電容器C1上的電壓信號comp。另外，電容器C1的一端(也是電容器C1與運算跨導放大器gm的輸出端相連接的一端)連接到第一比較器720的反相輸入端，從而將電壓信號comp輸入到第一比較器720。
第一比較器720的正相輸入端輸入由斜坡信號發生模組730產生的斜坡信號ramp，從而將斜坡信號ramp的電壓與電壓信號comp的電壓進行比較以向邏輯控制單元630輸出第一控制信號off。當斜坡信號ramp的電壓高於電壓信號comp的電壓時，從第一比較器720輸出(也即從第一控制單元610輸出)的第一控制信號off變為高電平，從而使得從邏輯控制單元630 輸出的控制信號gate變為低電平，因此電磁爐主回路上的第一開關W斷開。
斜坡信號發生模組730可包括電容器C2、電流源、第二開關W1和諧振電壓控制模組。諧振電壓控制模組用於根據諧振的電壓值，提供用於對電容器C2進行充電的補償電流。斜坡信號ramp與控制信號gate同步變化。當第一開關W導通時，也即控制信號gate輸出高電平時，第二開關W1斷開，電流源輸出的恆定電流i與諧振電壓控制模組輸出的補償電流一併對電容器C2充電，斜坡信號ramp的電壓逐漸上升；當第一開關W斷開時，也即控制信號gate輸出低電平時，第二開關W1導通，通過第二開關W1對電容器C2快速放電，斜坡信號ramp的電壓急劇下降為0。
第8圖中示出了第二控制單元620的示意性結構圖。
作為示例，第二控制單元620包括第二比較器、電容器C3、第一電阻器R1、第二電阻器R2和第三電阻R3。其中，第二電阻器R2一端輸入施加到第一開關W上的電壓信號Vw，另一端連接至第三電阻R3與由電容器C3和第一電阻器R1所形成的串聯電路構成的並聯電路。第一電阻器R1與電容器C3相連接的節點連接到第二比較器的反相輸入端，第二比較器的正相輸入端輸入閾值電壓Vth。第二比較器的輸出端連接至邏輯控制單元630以將從其輸出的第二控制信號on輸入到邏輯控制單元630。這裡，電壓信號Vw經過第二電阻器R2分壓後的電壓，經過電容器C3微分後產生代表諧振電壓(第一開關W斷開後的電壓信號Vw)斜率的電流，該電流流過第一電阻器R1產生電壓，因而，該流過第一電阻器R1產生的電壓同樣代表了諧振電壓的斜率。該電壓與閾值電壓Vth一起送入第二比較器，當該電壓小於閾值電壓Vth時，代表諧振到了或接近波谷，第二比較器輸出的第二控制信號on變為高電平，使得邏輯控制單元630上輸出的控制信號gate變為高電平，從而使電磁爐主回路上的第一開關W導通。
根據本發明示例性實施例，在第一開關W斷開之後，由電磁線圈MC和電容器C0構成的諧振電路產生諧振，第二控制單元620將反映施加到第一開關W上的電壓信號的變化速率的電壓(例如，第一電阻器R1上的電壓)與閾值電壓Vth進行比較，當該電壓小於閾值電壓Vth時，則表示諧振到了或接近波谷，第二控制單元620輸出的第二控制信號on變為高電 平，從而使得邏輯控制單元630輸出的控制信號gate變為高電平，因此第一開關W導通。
從前述的公式(4)、公式(6)可見，第一開關W的諧振電壓的波峰和波谷是導通時間Ton的函數，具體而言，諧振電壓的波峰和波谷隨導通時間Ton的增加分別增大和減小。當第一開關W的諧振電壓波峰超過第一參考電壓時，增大斜坡信號ramp的斜率，使斜坡信號ramp的電壓超過電壓信號comp的電壓所需的導通時間Ton縮短，從而減小第一開關W上的諧振電壓波峰；當第一開關W的諧振電壓的波谷超過第二參考電壓時，減小斜坡信號ramp的斜率，使斜坡信號ramp的電壓超過電壓信號comp的電壓所需的導通時間Ton延長，從而減小第一開關W上的諧振電壓的波谷。
第9圖示出了根據本發明示例性實施例對電磁爐主回路上的第一開關W的諧振電壓波峰進行控制前後的波形圖對比。若不加入諧振電壓的波峰控制，第一開關W上諧振電壓的波峰包絡隨經整流後的輸入電壓Vin的變化而呈現為正弦波；當輸入電壓Vin處於波峰時，諧振電壓也將處於諧振電壓波峰包絡的波峰位置，此時諧振電壓將會超過預先設定的第一參考電壓。當加入波峰電壓控制後，若諧振電壓的波峰超過第一參考電壓，將會通過增大斜坡信號ramp的斜率而減小導通時間Ton，使諧振電壓的波峰被保持於第一參考電壓。
第10圖示出了根據本發明示例性實施例對電磁爐主回路上的第一開關W的諧振電壓波谷進行控制前後的波形圖對比。若不對諧振電壓的波谷進行控制，第一開關W上諧振電壓的波谷隨輸入電壓Vin的變化而呈現為正弦波；當輸入電壓Vin處於波峰時，諧振電壓也將處於諧振電壓波谷包絡的波峰位置，此時的諧振電壓將會超過第二參考電壓。當加入波谷電壓控制後，若諧振電壓的波谷超過第二參考電壓，將會通過減小斜坡信號ramp的斜率而延長導通時間Ton，使得諧振電壓的波谷控制於第二參考電壓。
由於在進行諧振電壓的控制時，電磁爐系統需保持預先設定的功率，因此電磁爐中的電路系統會自動調節，使諧振的波峰電壓和波谷電壓分別保持於第一參考電壓和第二參考電壓附近的時間，相比較於未進 行諧振電壓控制的條件下諧振電壓的波峰和波谷分別超過第一參考電壓和第二參考電壓的時間要更長。反映到波形圖上，可以直觀地看到，在加入諧振電壓控制後，諧振波峰電壓和波谷電壓分別將更快地上升到第一參考電壓和第二參考電壓，並且分別從第一參考電壓和第二參考電壓下降的速度也將更快。
第11圖是根據本發明示例性實施例的第6圖中諧振電壓控制模組的一種具體實現電路。本領域技術人員應該理解，第11圖所示的電路結構僅是示例，其不應當不當地限制申請專利範圍的範疇。本領域的技術人員在實施例的基礎上將可進行適應性地變化、替代和修改。
該諧振電壓控制模組包含諧振波峰控制部分和諧振波谷控制部分；諧振波峰控制部分中各信號的波形如第12A圖所示，諧振波谷控制部分中各信號的波形如第12B圖所示。
諧振波峰控制部分中，第三開關K1的一端輸入電磁爐主回路上的開關電壓信號Vw，第三開關K1另一端與第四電容器C4相連，第四電容器C4的另一端接地。作為示例，第四電容器C4的電容值可為10pF。第三開關K1與第四電容器C4相連的一端，與第一跟隨器電路的正相輸入端相連。第三開關K1受波峰採樣信號控制而導通或斷開，波峰採樣信號為一脈衝信號，如第12A圖所示，當電壓信號Vw在每個週期內處於電壓信號Vw的波峰位置時，該波峰採樣信號為高電平，第三開關K1導通。當第三開關K1導通時，第四電容器C4與第三開關K1相連的一端為諧振電壓信號Vw的波峰電壓Vs1的瞬時值；當第三開關K1斷開，第四電容器C4上仍保持該波峰電壓Vs1，並輸入第一跟隨器電路的正相輸入端。第一跟隨器電路的輸出端與其反相輸入端相連，並連接至一個由第四電阻R4和第五電容器C5構成的RC積分電路，其中第四電阻R4與第五電容器C5相連接的節點與第一電壓控制電流源vccs1的正相輸入端相連。第五電容器C5上的電壓Vc1輸入第一電壓控制電流源vccs1的正相輸入端。第一參考電壓ref1輸入第一電壓控制電流源vccs1的反相輸入端，第一電壓控制電流源vccs1生成與電壓Vc1與第一參考電壓ref1之間的電壓差值成正比例的第一補償電流i1，第一補償電流i1與電流源輸出的恆定電流i相加之後，對電容器C2充電生成斜坡信號ramp。
作為另一示例，在上述諧振波峰控制部分中，也可以不需要該第一跟隨器電路，其餘部分的電路不變。即，第三開關K1與第四電容器C4相連的一端，直接與第四電阻R4和第五電容器C5組成的RC積分電路相連，第五電容器C5上的電壓Vc1輸入第一電壓控制電流源vccs1的正相輸入端。
在諧振波谷控制部分中，第四開關K2的一端輸入電磁爐主回路上的開關電壓信號Vw，另一端與第六電容器C6相連，第六電容器C6的另一端接地。作為示例，第六電容器C6的電容值可為10pF。第四開關K2與第六電容器C6相連的一端，與第二跟隨器電路的正相輸入端相連。第四開關K2受波谷採樣信號控制而導通或斷開，波谷採樣信號為一脈衝信號，如第12B圖所示，當控制電磁爐主回路的第一開關W的控制信號gate的低電平在每個週期內接近於結束時，該波谷採樣信號為高電平，第四開關K2導通。當第四開關K2導通時，第六電容器C6與第四開關K2相連的一端為諧振電壓信號Vw的波谷電壓Vs2；當第四開關K2斷開，第六電容器C6上仍保持該波谷電壓Vs2，並輸入第二跟隨器電路的正相輸入端。第二跟隨器電路的輸出端與其反相輸入端相連，並連接至由第五電阻R5和第七電容器C7構成的RC積分電路，其中第五電阻R5與第七電容器C7相連接的節點與第二電壓控制電流源vccs2的正相輸入端相連。第七電容器C7上的電壓Vc2輸入第二電壓控制電流源vccs2的正相輸入端。第二參考電壓ref2輸入第二電壓控制電流源vccs2的反相輸入端，第二電壓控制電流源vccs2生成與電壓Vc2與第二參考電壓ref2之間的電壓差值成正比例的第二補償電流i2，第二補償電流i2與電流源輸出的恆定電流i相減之後，對電容器C2充電生成斜坡信號ramp。
在上述諧振波峰控制部分中，也可以不需要該第二跟隨器電路，其餘部分的電路不變。即，第五開關K3與第六電容器C6相連的一端，直接與第五電阻R5和第七電容器C7組成的RC積分電路相連，第七電容器C7上的電壓Vc2輸入第二電壓控制電流源vccs2的正相輸入端。
該第一實施例中，通過閉環的方法調節斜坡信號ramp的斜率，從而將諧振電壓的波峰和波谷分別控制在第一參考電壓ref1和第二參考電壓ref2附近。其中諧振波峰和波谷控制部分中RC積分電路參數的選取， 以及通過第一、第二電壓控制電流源vccs1、vccs2產生第一、第二補償電流i1、i2的比例選取將會影響到最終的波峰電壓和波谷電壓的控制效果。
第13圖是根據本發明第二實施例的第6圖中諧振電壓控制模組的一種具體實現電路。本領域技術人員應該理解，第13圖所示的電路結構僅是示例，其不應當不當地限制申請專利範圍的範疇。本領域的技術人員在該實施例的基礎上可進行適應性的變化、替代和修改。
該第二實施例中的控制電路包含諧振波峰控制部分和諧振波谷控制部分；諧振波峰控制部分中各信號的波形如第14A圖所示，諧振波谷控制部分中各信號的波形如第14B圖所示。
在諧振波峰控制部分中，第五開關K3的一端輸入電磁爐主回路上的開關電壓信號Vw，另一端與第八電容器C8相連，第八電容器C8的另一端接地。作為示例，第八電容器C8的電容值可為10pF。第五開關K3與第八電容器C8相連的一端，與第三比較器的正相輸入端相連。第五開關K3受波峰採樣信號控制而導通或斷開，與第一實施例相同，該波峰採樣信號為一脈衝信號，當電壓信號Vw在每個週期內處於波峰位置時，該波峰採樣信號為高電平，第五開關K3導通。當第五開關K3導通時，第八電容器C8與第五開關K3相連的一端為諧振電壓信號Vw的波峰電壓Vs1的瞬時值；當第五開關K3斷開時，第八電容器C8上仍保持該波峰電壓Vs1，並輸入第三比較器的正相輸入端。第一參考電壓ref1輸入第三比較器的反相輸入端。當波峰電壓Vs1大於第一參考電壓ref1時，第三比較器輸出一高電平的脈衝信號Ts1，輸入電壓Vin通過第六開關K4輸入第九電容器C9，第九電容器C9的另一端接地。作為示例，第九電容器C9的電容值可為10pF。該脈衝信號Ts1控制該第六開關K4的導通和斷開。當該脈衝信號Ts1為高電平時，第六開關K4導通，第九電容器C9上的電壓(也即第九電容器C9與第六開關K4相連的一端的電壓)為輸入電壓Vin的電壓V1瞬時值；當第六開關K4斷開，第九電容器C9上仍保持該電壓V1，並輸入第三電壓控制電流源vccs3的反相輸入端。該輸入電壓Vin輸入第三電壓控制電流源vccs3的正相輸入端。第三電壓控制電流源vccs3生成與輸入電壓Vin與電壓V1之間的差值成正比例的第一補償電流i1，第一補償電流i1與電流源輸出的恆定電流i相加之後，對電容器 C2充電生成斜坡信號ramp。
在諧振波谷控制部分中，第七開關K5的一端輸入電磁爐主回路上的第一開關W的電壓信號Vw，另一端與第十電容器C10相連，第十電容器C10的另一端接地。作為示例，第十電容器C10的電容值可為10pF。第七開關K5與第十電容器C10相連的一端，與第四比較器的正相輸入端相連。第七開關K5受波谷採樣信號控制而導通或斷開，與第一實施例相同，該波谷採樣信號為一脈衝信號，當控制電磁爐主回路的第一開關W的控制信號gate的低電平在每個週期內接近於結束時，該波谷採樣信號為高電平，第七開關K5導通。當第七開關K5導通時，第十電容器C10與第七開關K5相連的一端為諧振電壓信號Vw的波谷電壓Vs2；當第七開關K5斷開時，第十電容器C10上仍保持該波谷電壓Vs2，並輸入第四比較器的正相輸入端。第二參考電壓ref2輸入第四比較器的反相輸入端。當波谷電壓Vs2大於第二參考電壓ref2時，第四比較器輸出一高電平的脈衝信號Ts2。輸入電壓Vin通過第八開關K6與第十一電容器C11相連，第十一電容器C11的另一端接地。作為示例，第十一電容器C11的電容值可為10pF。該脈衝信號Ts2控制該第八開關K6的導通和斷開。當該脈衝信號Ts2為高電平時，第八開關K6導通，第十一電容器C11與第八開關K6相連的一端為輸入電壓V2的瞬時值；當第八開關K6斷開，第十一電容器C11上仍保持該電壓V2，並輸入第四電壓控制電流源vccs4的反相輸入端。輸入電壓Vin輸入第四電壓控制電流源vccs4的正相輸入端。第四電壓控制電流源vccs4生成與輸入電壓Vin與電壓V2之間的差值成正比例的第二補償電流i2，第二補償電流i2與電流源輸出的恆定電流i相減之後，對電容器C2充電生成斜坡信號ramp。
若不加控制時的諧振電壓的波峰越高，加入波峰控制時，諧振電壓的波峰被「削平」得越多，為了保證電磁爐的功率不發生改變，反映到「削平」後的諧振電壓的波形圖上，波峰電壓Vs1上升到第一參考電壓ref1的時間將更短。基於上述原因，若不加控制時的諧振電壓的波峰越高，當加入波峰控制時，波峰電壓Vs1超過第一參考電壓ref1時的時刻，即脈衝信號Ts1為高電平的時刻，對應於輸入電壓Vin的相位角越小。由於在相位角越小時，電壓變化越快，因此相位角越小，疊加到恆定電流i上的第一 補償電流i1越大，導通時間Ton減小得越多；基於相同的原因，若不加控制時的諧振電壓的波谷越高，諧振電壓的波谷超過第二參考電壓ref2的時刻的相位角就會越小，與恆定電流i相減的第二補償電流i2越大，導通時間Ton增加得越多。
因此，第二實施例的控制電路下，電流補償量的大小與不加入補償條件下諧振電壓的波峰和波谷的高低是相關的。輸入第三、第四電壓控制電流源vccs3、vccs4的兩個電壓的差值與產生第一、第二補償電流i1、i2的比例，將影響到諧振電壓的控制效果。
本領域技術人員應該理解，第11圖和第13圖所示的諧振控制模組包括諧振峰值控制部分和諧振谷底控制部分只是示例，諧振峰值控制部分和諧振谷底控制部分是相對獨立的電路，本發明可以只包括諧振峰值控制部分或者諧振谷底控制部分。
上述兩種實施例中的控制電路，可適用於不同功率等級的電磁爐，實現在全電壓輸入範圍內諧振電壓的波峰和/或波谷的控制。在實踐中，上述的第一實施例和第二實施例的適用環境有所區別；在對諧振電壓的波峰和波谷最大值的精度要求比較高，且能提供較大濾波RC時間常數的條件下，可以採用第一實施例的方式進行諧振電壓的控制；在對諧振電壓的波峰和波谷最大值的精度要求不高，且無法提供較大濾波RC時間常數的情況下，可以採用第二實施例的方式進行諧振電壓的控制。
本發明的技術方案適用於不同功率等級的電磁爐系統，可在不影響電磁爐輸出功率的前提下，有效的控制諧振電壓的波峰，避免電磁爐主回路上的開關因為過壓而損壞，同時還可以控制諧振電壓的波谷，減小主回路上開關的開通損耗，避免電磁爐的開關炸機。
以上描述了本發明的優選實施例，但是，該實施例僅是示例性的，而不是要限制本發明的範圍，本發明的範圍由所附申請專利範圍及其等同物限定。此外，儘管已經詳細描述了本發明及其優勢，但應該理解，可以在不脫離所附申請專利範圍限定的本發明主旨和範圍的情況下，進行各種不同的改變、替換和更改；而且，本發明的範圍並不僅限於本說明書中描述的系統、方法和步驟的實施例。作為本發明普通技術人員應理解， 通過本發明，現有的或今後開發的用於執行和根據本發明所採用的技術方案基本相同的方式或獲得基本相同結果的方法和步驟根據本發明可以被使用。

Claims (6)

  1. 一種用於電磁爐的控制電路，該電磁爐具有由全波整流橋、LC濾波器、電磁線圈、與該電磁線圈並聯的電容器、以及開關所構成的電磁爐主回路及流經該電磁爐主回路的電流，用於該電磁爐的該控制電路包括：第一控制單元，將與第一參考電壓和第一電壓信號的電壓之間的電壓差相應的電流進行積分獲得第二電壓信號，並將作為斜坡信號的第三電壓信號的電壓與該第二電壓信號的電壓進行比較以輸出第一控制信號，該第一電壓信號與該電磁爐主回路上的電流大小相應；第二控制單元，將反映第四電壓信號的電壓變化的第五電壓信號的電壓與第一閾值電壓進行比較以輸出第二控制信號；第一邏輯控制單元，基於分別從該第一控制單元和該第二控制單元輸出的該第一控制信號和該第二控制信號輸出第三控制信號以對該電磁爐主回路的該開關進行控制，其中，該第一控制單元包括：諧振波峰控制電路，對該電磁爐主回路的該開關的諧振波峰電壓進行採樣，通過第一RC積分電路將採樣得到的該諧振波峰電壓輸入第一電壓控制電流源的正相輸入端，並將第二參考電壓輸入該第一電壓控制電流源的反相輸入端以生成第一補償電流，該第一控制單元通過將該諧振波峰控制電路生成的該第一補償電流與恆定電流相加利用電容器生成作為斜坡信號的該第三電壓信號；諧振波谷控制電路，對該電磁爐主回路的該開關的諧振波谷電壓進行採樣，通過第二RC積分電路將採樣得到的該諧振波谷電壓輸入第二電壓控制電流源的正相輸入端，並將第三參考電壓輸入該第二電壓控制電流源的反相輸入端以生成第二補償電流，該第一控制單元通過將該諧振波谷控制電路生成的該第二補償電流與該恆定電流相減利用該電容器生成作為斜坡信號的該第三電壓信號。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的控制電路，其中，在該諧振波峰控制電路和該諧振波谷控制電路中，分別利用電壓跟隨器電路將採樣得到的電壓輸入至該第一RC積分電路和該第二RC積分電路。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的控制電路，其中，在該諧振波峰控制電路中，將採樣得到的該諧振波峰電壓與第四參考電壓相比較來生成第一脈衝信號，利用該第一脈衝信號對經整流的輸入電壓進行採樣，並將該經整流的輸入電壓和採樣得到的輸入電壓分別輸入到第三電壓控制電流源的正相輸入端和反相輸入端以生成該第一補償電流。
  4. 如申請專利範圍第1項或第3項所述的控制電路，其中，在該諧振波谷控制電路中，將採樣得到的該諧振波谷電壓與第五參考電壓相比較來生成第二脈衝信號，利用該第二脈衝信號對該經整流的輸入電壓進行採樣，並將該經整流的輸入電壓和採樣得到的輸入電壓分別輸入到第四電壓控制電流源的正相輸入端和反相輸入端以生成該第二補償電流。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的控制電路，其中，該第一邏輯控制單元為RS觸發器，該第一控制信號輸入到該RS觸發器的復位端，而該第二控制信號輸入到該RS觸發器的置位端，當該第一控制信號為高電平時，從該第一邏輯控制單元輸出的該第三控制信號為低電平，該電磁爐主回路的該開關斷開；當該第二控制信號為高電平時，從該第一邏輯控制單元輸出的該第三控制信號為高電平，該電磁爐主回路的該開關導通。
  6. 一種用於電磁爐的控制電路之控制方法，該電磁爐具有由全波整流橋、LC濾波器、電磁線圈、與該電磁線圈並聯的電容器、以及開關所構成的電磁爐主回路及流經該電磁爐主回路的電流，用於控制該電磁爐的該控制電路之該控制方法包括：將與第一參考電壓和第一電壓信號的電壓之間的電壓差相應的電流進行積分獲得第二電壓信號，並將作為斜坡信號的第三電壓信號的電壓與該第二電壓信號的電壓進行比較以輸出第一控制信號，該第一電壓信號與該電磁爐主回路上的電流大小相應；將反映第四電壓信號的電壓變化的第五電壓信號的電壓與第一閾值電壓進行比較以輸出第二控制信號；基於分別該第一控制信號和該第二控制信號輸出第三控制信號以對該電磁爐主回路的該開關進行控制；其中，對該電磁爐主回路的該開關的諧振波峰電壓進行採樣，通過第 一RC積分電路將採樣得到的該諧振波峰電壓輸入第一電壓控制電流源的正相輸入端，並將第二參考電壓輸入該第一電壓控制電流源的反相輸入端以生成第一補償電流，並通過將生成的該第一補償電流與恆定電流相加，生成作為斜坡信號的該第三電壓信號；其中，對該電磁爐主回路的該開關的諧振波谷電壓進行採樣，通過第二RC積分電路將採樣得到的該諧振波谷電壓輸入第二電壓控制電流源的正相輸入端，並將第三參考電壓輸入該第二電壓控制電流源的反相輸入端以生成第二補償電流，並通過將生成的該第二補償電流與該恆定電流相減，生成作為斜坡信號的該第三電壓信號。
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