即便已經(jīng)存在一個世紀(jì)左右，電磁爐熱依然不斷升溫。不管是印度市場還是國際市場，電磁爐的人氣頗高，被認(rèn)為是炊具領(lǐng)域最先進(jìn)的技術(shù)創(chuàng)新之一。在亞太新興經(jīng)濟(jì)體地區(qū)，電磁爐是相對較新的電炊具。隨著人們對電磁爐的認(rèn)識水準(zhǔn)提高，亞太區(qū)和東歐地區(qū)的城鎮(zhèn)化步伐提速，電磁爐市場高速增長可期。
電磁爐是一種利用電磁線圈使鍋具加熱的電炊具，電磁爐的優(yōu)點(diǎn)在於炊具內(nèi)部產(chǎn)生熱量而爐具表面並不燙手。此外，電磁爐烹飪速度快，能效高，無明火，更加安全。
電磁爐是如何工作的?
電磁鍋是通過電磁感應(yīng)在鐵磁體鍋具內(nèi)部產(chǎn)生渦流，從而產(chǎn)生熱量。電磁感應(yīng)原理早在1831年就被邁克爾法拉第首次發(fā)現(xiàn)。電磁感應(yīng)是因某一電路的電流變化而在附近閉合電路產(chǎn)生電流的現(xiàn)象。
鐵磁體鍋具置於電磁爐的陶瓷板或玻璃板檯面上面，而檯面下面是諧振線圈，如圖1所示。電磁爐臺面和鍋具可看作是變壓器，鍋具相當(dāng)於短接的二次側(cè)(負(fù)載)。高頻交變電流通過諧振線圈，產(chǎn)生振盪磁場，磁場在鍋具內(nèi)部感應(yīng)出電流。
電磁爐只相容具有某些屬性的材料製成的鍋具。為了讓磁場能夠使鍋具加熱，鍋具的材質(zhì)必須是鐵磁體，例如，不銹鋼或鐵。
電磁爐的天生優(yōu)勢
「沒鍋就不用電」—只有爐臺上有鍋時，電磁爐才會耗電。與燃?xì)庠罨蚱胀姞t不同，電磁爐本身不產(chǎn)生熱量。假如爐面上沒有炊具時啟動電磁爐或在電磁爐運(yùn)行時取下鍋具，諧振線圈將會認(rèn)為沒有負(fù)載(開路)，不會有電能傳輸。如果沒有鍋具，電磁爐就會進(jìn)入睡眠模式，最小待機(jī)功耗小於1W。
為什麼電磁爐使用諧振功率轉(zhuǎn)換拓?fù)洌渴褂媚囊环N諧振功率轉(zhuǎn)換拓?fù)洌?/strong>
在各種電源中，半導(dǎo)體元器件通常用作開關(guān)元件。電磁爐系統(tǒng)採用絕緣柵雙極電晶體(IGBT)。在功率轉(zhuǎn)換部分，為取得最低的功耗相，「軟開關(guān)」比「硬開關(guān)」更有效。軟開關(guān)方法是在開關(guān)操作時使諧振開關(guān)上的電壓或電流為零值，軟開關(guān)技術(shù)又分為兩類：零壓開關(guān)(ZVS)和零電流開關(guān)(ZCS)。
| 圖2 : 硬開關(guān)與軟開關(guān)對比 |
|
ZVS和ZCS開關(guān)方法各有優(yōu)劣點(diǎn)，應(yīng)用也不盡相同。通過使用L-C 諧振電路產(chǎn)生諧振頻率，可以強(qiáng)制開關(guān)上的電壓或電流為零值，採用這種技術(shù)的功率轉(zhuǎn)換器叫做「諧振轉(zhuǎn)換器」拓?fù)洹ｋ姶艩t常用兩種諧振功率轉(zhuǎn)換拓?fù)洌?
? 準(zhǔn)諧振轉(zhuǎn)換器
? 半橋諧振轉(zhuǎn)換器
表 1 : 準(zhǔn)諧振轉(zhuǎn)換器與半橋諧振轉(zhuǎn)換器對比
參數(shù) |
準(zhǔn)諧振(QR)轉(zhuǎn)換器 |
半橋(HB)轉(zhuǎn)換器 |
開關(guān)電路 |
需要1支 IGBT |
需要2支IGBT |
散熱器和PCB尺寸 |
較小 |
較大 |
價(jià)格 |
較低 |
較高 |
開關(guān)電路穩(wěn)定性 |
較不穩(wěn)定 |
穩(wěn)定 |
額定功率 |
< 2000W |
< 5000W |
IGBT額定電壓範(fàn)圍 |
1200-1350V; |
600-650V; |
市場 |
家用 |
商用 |
控制演算法:
電磁爐是按照LC諧振轉(zhuǎn)換器的原理工作。諧振頻率不僅取決於諧振電路，還與鍋具大小和材質(zhì)有關(guān)。諧振轉(zhuǎn)換器使系統(tǒng)產(chǎn)生振盪的諧振頻率。為控制系統(tǒng)的功率輸出(傳遞到鍋具)，採用微控制器監(jiān)視輸入交流電流和電壓，通過調(diào)整系統(tǒng)開關(guān)頻率來調(diào)整功率輸出。
基於準(zhǔn)諧振拓?fù)涞碾姶艩t
我們開發(fā)的1.8KW準(zhǔn)諧振電磁爐系統(tǒng)採用了兩個意法半導(dǎo)體晶片：STGWT20IH125DF— 1250V 20A IH溝柵場截止技術(shù) IGBT和 STM8S003F3—超值系列8位元微控制器。技術(shù)成熟水準(zhǔn)達(dá)到生產(chǎn)級。系統(tǒng)內(nèi)置全面的保護(hù)機(jī)制，以處理瞬變電壓和不同的鍋具。圖2是系統(tǒng)框圖，圖4是實(shí)際系統(tǒng)。
| 圖4 : 1800W準(zhǔn)諧振電磁爐 生產(chǎn)級解決方案 |
|
基於半橋諧振拓?fù)涞碾姶艩t
我們開發(fā)的3.5KW 半橋諧振電磁爐系統(tǒng)評估板採用了意法半導(dǎo)體的STGW40H65DFB—半橋系列650V、40A高速、溝柵場截止IGBT、L6491高壓高低邊4 A柵極驅(qū)動器和STM32F072—32位微控制器。系統(tǒng)內(nèi)置全面的保護(hù)機(jī)制，以處理瞬變電壓和不同的炊具/容器。圖5是系統(tǒng)框圖，圖6是實(shí)際系統(tǒng)。
表2.準(zhǔn)諧振和半橋諧振電磁爐系統(tǒng)功能比較
特性 |
準(zhǔn)諧振(QR)磁爐: |
半橋(HB)電磁爐 |
輸入電壓 |
150V至280V交流 |
150V至280V交流 |
功率檔位 |
8個功率功率檔位，最高1.8KW |
8個功率功率檔位，最高3.5KW |
軟啟動 |
|
|
功耗 – 睡眠模式 |
0.5W |
0.5W |
IGBT額定電壓範(fàn)圍 |
1250V |
650V |
結(jié)論
電磁爐是一項(xiàng)前景很好的電炊具技術(shù)，能效高於標(biāo)準(zhǔn)電炊具，對於看重廚房環(huán)保的人士來說是一項(xiàng)不錯的選擇，從成本效益和碳足跡角度看，選擇電磁爐優(yōu)於鋪設(shè)燃?xì)夤艿馈?/span>
（本文作者Akshat JAIN, Ranajay MALLIK任職於意法半導(dǎo)體印度分公司AMG中央實(shí)驗(yàn)室）
