基于电磁场路的IH谐振电压研究与优化

毛朝阳 唐文强 张健

1. 珠海格力电器股份有限公司 广东珠海 519070；2. 空调设备及系统运行节能国家重点实验室 广东珠海 519070

0 引言

IH即电磁感应加热，是将市电整流滤波后控制产生高频电流，高频电流的磁场再作用于被加热金属形成感应涡流，使金属快速发热。IH具有节能环保、可控性强及加热效率高等特点，已被广泛应用于各个领域[1]。

IH控制系统核心为电压谐振电路，由谐振电容、谐振电感和电阻组成，而谐振电感和电阻由线圈盘和被加热金属耦合等效而来。在家用电器中普遍采用由单个IGBT管构成的LC并联谐振电路拓扑，IGBT管在零电压下导通，开关损耗小，系统效率高，同时硬件成本低[2]。但是根据统计，65%的主板故障是IGBT功率开关击穿导致，其中过压击穿是主要的击穿形式。因此，如何降低电路谐振工作时IGBT电压应力以提高电路的可靠性是急需解决的问题。

近年来，随着电磁场和电路仿真软件的普及，越来越多研究学者们借用仿真手段来分析IH问题。其中，采用三维有限元仿真多是用来分析线圈盘结构、磁条结构对输出功率、温度分布及电磁泄漏等方面的影响[3-4]，而未利用仿真来分析结构对负载阻抗参数的影响；采用电路仿真可分析零电压开关同步情况与IGBT电压应力[5]，但在此之前，需要先实验获得线圈等效阻抗作为仿真参数，多次绕制线圈繁琐又费时。因此，进一步基于电磁场路平台研究IH谐振电压应力问题，具有一定的现实意义和应用价值。

本文以家用电磁炉为例，对IH等效负载阻抗进行分析，基于变压器模型推算了阻抗的影响式，并在电磁场仿真软件Maxwell中对阻抗参数进行抽取，作为电路的准确参数来源；然后对并联谐振峰值电压形成原因进行分析，简化电控系统电路，在电路仿真软件Simplorer中搭建IH并联谐振自调频模型，计算IGBT电压应力。通过单项测试验证了场路仿真的准确性，为后续IH谐振电压优化奠定基础。最后基于上述理论-仿真-实验体系搭建的IH谐振电压分析优化平台，对电磁炉IGBT谐振电压过高问题提出解决方案，并通过实验验证，降低了谐振电压，达到了产品安全余量要求。

1 IH负载等效阻抗分析

1.1 理论等效分析

电磁炉的负载就是锅具，工作时锅具切割线圈盘产生磁力线，感应形成反向环形涡流，产生焦耳热；将锅具与线圈盘等效成变压器模型[6]，线圈盘作为变压器的初级，锅具等效成变压器的次级，如图1所示。

图1 锅具-线圈盘等效变压器模型

其中，R1、L1分别为线圈盘的电阻和电感；R2、L2分别为锅具的电阻和电感；M为线圈盘与锅具之间的互感系数。

假设线圈盘输入激励电压为U，频率为ω，线圈侧电流为I1，锅具侧电流为I2，根据克西柯夫定律[6]，线圈与负载方程为：?

将锅具阻抗耦合至线圈盘侧，求解线圈盘侧电流如式（2）：

分解式（2）阻抗，得到线圈盘侧等效电阻、等效电感分别为：

由此可见，感应加热时线圈盘电阻会增大，线圈盘电感会减小。同时，等效电阻Req、电感Leq也受频率和互感系数影响，而互感系数越大，代表着线圈盘与锅具的耦合程度越高，因此电磁炉产品结构对等效电阻、电感参数影响不可忽视，需采用仿真方法进行抽取。

1.2 阻抗参数仿真抽取

1.2.1 Maxwell涡流场理论

Maxwell方程组是支撑所有宏观电磁现象的基础，用于有限元处理电磁问题的微分形式如下：

在线性、均匀、各向同性媒介中，场量之间存在以下关系：

其中，E为电场强度，B为磁感应强度，H为磁场强度，D为电通密度，J为电流密度，ρ为电荷体密度，ε为介质的介电常数，σ为介质的电导率，μ为介质的磁导率。

电磁炉锅具感应产生涡流损耗就是加热源，因此在仿真中通常采用涡流场求解，精度较高，其求解器满足齐次波动方程[7]：

1.2.2 三维有限元仿真

为了便于计算，在不影响结果的前提下，对模型进行处理，去掉电磁炉塑胶外壳、微晶面板、风扇、控制面板等不影响磁场的结构件，留下锅具、线圈盘及底部磁条，并将线圈盘平面螺旋结构简化成同心圆，再切割线圈盘截面，依次添加激励电流形成回路，在Maxwell中建立三维仿真模型如图2所示。

图2 仿真简化模型

在仿真设置中，锅具材料设定sus430不锈钢，线圈盘材料设定铜，磁条材料设定铁氧体。网格划分时，因为在高频下锅具底部会产生集肤效应，锅具外表面感应涡流密度大，靠近内表面会呈指数减小，故在锅具外表面选择基于集肤深度的加密网格剖分设置，综合考虑仿真时间和仿真精度，设定3层剖分，网格划分结果如图3 a），网格总数为313213。

图3 锅具网格及涡流功率云图

求解完成后，锅具涡流功率云图如图3 b），可见锅具中间涡流远大于边缘。采用场计算器对仿真结果进行后处理，提取损耗及阻抗结果如表1所示。

表1 仿真计算结果

1.3 阻抗参数验证

1.3.1 验证方案

为验证仿真的准确性，制定相同工况下的实验方案。根据式（3）、（4）可知，等效阻抗参数除了线圈盘及锅具本身外，还受频率和互感系数的影响，故分别通过频率和结构变动进行验证。

频率上，电磁炉工作频率通常在20 kHz～30 kHz之间，为实现工作频率上的全覆盖验证，设计实验频率范围15 kHz～35 kHz，每5 kHz记录一次，记录点为：15 kHz、20 kHz、25 kHz、30 kHz、35 kHz。

结构上，在使用电磁炉时，经常会有锅具放置不居中的情况，根据微晶面板加热区域标识范围，设计实验中心偏移量0 mm～40 mm，每10 mm记录一次，记录点为：0 mm、10 mm、20 mm、30 mm、40 mm。

测量等效阻抗参数的实验仪器采用同惠TH2832电桥，搭建测试场景如图4所示。

图4 阻抗实验测试

1.3.2 验证结果

（1）频率变化

将锅具居中放置，记录频率变化后实验结果，并进行相同工况仿真，结果对比如表2、表3。表2为等效电感随频率变化，表3为等效电阻随频率变化。

表2 等效电感结果对比（频率变化）

表3 等效电阻结果对比（频率变化）

（2）结构变化

将频率设置为25 kHz，记录结构变化后实验结果，并进行相同工况仿真，结果对比如表4、表5。表4为等效电感随中心偏移量变化，表5为等效电阻随中心偏移量变化。

表4 等效电感结果对比（中心偏移）

表5 等效电阻结果对比（中心偏移）

综合频率变化及中心偏移结果，等效电感平均仿真误差为4.3%，等效电阻平均仿真误差为7.5%，三维仿真抽取等效参数与实验数据基本吻合，印证了模型准确性，因此仿真负载等效阻抗可作为谐振电路分析依据。

2 IH电路谐振电压分析

2.1 并联谐振原理

锅具及线圈盘耦合形成的等效阻抗就是谐振电感与电阻，其与谐振电容构成并联谐振主电路如图5所示[8]。当IGBT导通时，电源电压加载在等效电感与电阻上，电感、电阻电流呈指数上升；开通一定时间后，IGBT关断，电感释放能量，电容充电，此时谐振电容Cr两端左负右正，电容电压与电源电压叠加在IGBT集电极，形成峰值电压。此后电容向电感放电，电压逐渐下降，电感电位反向，IGBT反偏。等到下一个开通信号，电路又重复此过程，能量持续消耗在电阻上，完成加热。

图5 并联谐振主电路拓扑

在电感与电容谐振时，电感电流会跟随整流后的市电波形，形成周期性包络，所以在市电电压达到正弦峰值时，IGBT集电极电压也会达到最大值，此是导致IGBT过压击穿的主要原因。

2.2 电路谐振电压仿真

电磁炉电控系统由主电路、驱动电路、控制电路、保护电路、辅助电源电路及显示电路组成[9]，为了便于计算，仿真只保留主电路和控制电路并进行简化，在Simplorer软件中直接调用正弦交流电源、比较器及理想开关替代实际电路，搭建仿真电路图如图6所示。

图6 仿真电路图

在仿真电路中，采用电阻分压实现采样，利用电容充放电特性实现同步的锯齿波，再通过与可调电源相比较形成IGBT的开通脉冲信号。元器件参数设置与实际电路一致，求解耗时30 s，结果如图7所示。图7 a)为电感电流包络波形，图7 b)为IGBT集电极电压波形。可见，电路仿真模型可快速、便捷地预测电路电流及电压应力大小。

图7 仿真波形图

2.3 电路参数验证

2.3.1 验证方案

为验证仿真的准确性，制定相同工况下的实验方案。根据并联谐振原理可知，IGBT集电极上峰值电压是由谐振电容电压与电源电压正向叠加所产生，在无法改变电源电压的情况下，可通过改变电容参数进行验证。

电磁炉电容通常取0.3 μF，根据电容规格，实验取0.24 μF、0.27 μF、0.3 μF、0.33 μF进行测试，每次测试将电磁炉功率开到最大，记录市电峰值下电感电流和IGBT集电极电压。

记录电路参数的实验仪器采用安捷伦DSO7054B示波器，搭建测试场景如图8。

图8 电路参数测试

2.3.2 验证结果

将锅具居中放置，采取最大功率输出，记录电容变化后实验结果，并进行相同工况仿真，结果对比如表6、表7。表6为峰值电压随电容变化，表7为电感电流随电容变化。

表6 峰值电压结果对比（电容变化）

表7 电感电流结果对比（电容变化）

可见，仿真和实验趋势一致，峰值电压平均仿真误差约为2.1%，电感电流平均仿真误差为1.3%，仿真与实验误差较小，反映了仿真电路的准确性。结合负载等效阻抗抽取仿真，可实现IH设备并联谐振电压调试全仿真替代，为产品谐振电压分析及优化打下基础。

3 电磁炉谐振电压优化

某新品电磁炉制样后，测试发现峰值电压高达1131 V，影响电磁炉安全运行。实测等效阻抗参数后进行仿真建模并验证，其等效电感为74.4 μH，等效电阻为2.34 Ω，电路谐振电容为0.27 μF。利用电路仿真模型定性分析阻抗参数对谐振峰值电压影响趋势，如图9所示。

图9 阻抗变化对峰值电压影响

因此，可以从三个方面降低谐振峰值电压：增大电容、减小电感、增大电阻。根据式（3）、（4），电感、电阻均与线圈盘-锅具相关联，可通过增加耦合系数达到减小电感、增大电阻效果，增大耦合系数方式有：缩短线圈盘与锅具间距、增加磁条、将内圈绕线改至外圈。

对于本样机，由于微晶面板厚度限制，线圈盘与锅具间距已经达到最小，而增加磁条会额外增加成本，且影响线圈盘散热，故采用将内圈绕线改至外圈方案，通过磁场仿真发现电感减小2.4 μH，电阻增大0.12 Ω，代入电路仿真谐振峰值电压降低87 V，谐振电压仍然较高，增大电容至0.33 μF时，仿真发现谐振电压才满足安全要求。

按照最终仿真方案改进，图10中显示实验测得峰值谐振电压降至985 V，实现了优化效果，达到了产品安全余量要求。

图10 优化前后峰值电压

4 结论

本文重点分析了IH电磁场路特性，基于理论-仿真-实验搭建IH谐振电压分析优化平台，实现了IH系统等效阻抗参数抽取以及谐振电压仿真预测，并总结了谐振电压优化方向，能为IH产品设计提供参考依据，节约开发时间。主要结论包括：（1）IH电路负载由线圈盘-被加热体耦合形成，等效阻抗会受自身材料、频率、相对结构影响；（2）频率越高，等效电感越小，等效电阻越大；（3）锅具越偏移中心，等效电感越大，等效电阻越小；（4）增大谐振电容、减小谐振电感、增大电阻都可以降低谐振峰值电压；（5）对线圈盘-被加热体结构进行调整，可以较小代价改变等效阻抗参数，实现谐振电压优化。