前沿拓展：

論文價值的評定意見：

本論文基于LC振蕩電路基本原理出發，在電路各參數上對減少IGBT在LC并聯振蕩電路因電容諧振電壓與電源電壓正向疊加情況下導致的燒毀率，并從諧振電容，諧振電感與電阻等方面進行實驗，得到結論。論文有重要的應用意義，文章邏輯清晰，實驗數據充分，論證有力，觀點新穎且全面。

毛朝陽1, 2 唐文強1, 2 張健1, 2

1. 珠海格力電器股份有限公司

2. 空調設備及系統運行節能國家重點實驗室

摘要

Abstract

目前IH技術已經被廣泛運用，在家電領域通常采用由單個IGBT構成的并聯諧振拓撲，而在實際使用中，IGBT被過壓擊穿導致主板故障率居高不下。為了研究IH諧振電壓特性，對IH負載等效阻抗進行了分析，并在Maxwell中建立實物三維模型進行有限元仿真，抽取其阻抗參數值；代入在Simplorer搭建的IH并聯諧振自調頻模型中，分析計算IGBT峰值電壓應力，并通過單項測試驗證了場-路仿真的準確性。最后基于上述理論-仿真-實驗體系搭建的IH諧振電壓分析優化平臺，對電磁爐IGBT諧振電壓過高問題提出解決方案，并通過實驗驗證，降低了諧振電壓，達到了產品安全余量要求。

關鍵詞

Keywords

IH；等效阻抗；諧振電壓；場路仿真；優化

DOI:10.19784/j.cnki.issn1672-0172.2022.03.017

0 引言

IH即電磁感應加熱，是將市電整流濾波后控制產生高頻電流，高頻電流的磁場再作用于被加熱金屬形成感應渦流，使金屬快速發熱。IH具有節能環保、可控性強及加熱效率高等特點，已被廣泛應用于各個領域[1]。

IH控制系統核心為電壓諧振電路，由諧振電容、諧振電感和電阻組成，而諧振電感和電阻由線圈盤和被加熱金屬耦合等效而來。在家用電器中普遍采用由單個IGBT管構成的LC并聯諧振電路拓撲，IGBT管在零電壓下導通，開關損耗小，系統效率高，同時硬件成本低[2]。但是根據統計，65%的主板故障是IGBT功率開關擊穿導致，其中過壓擊穿是主要的擊穿形式。因此，如何降低電路諧振工作時IGBT電壓應力以提高電路的可靠性是急需解決的問題。

近年來，隨著電磁場和電路仿真軟件的普及，越來越多研究學者們借用仿真手段來分析IH問題。其中，采用三維有限元仿真多是用來分析線圈盤結構、磁條結構對輸出功率、溫度分布及電磁泄漏等方面的影響[3-4]，而未利用仿真來分析結構對負載阻抗參數的影響；采用電路仿真可分析零電壓開關同步情況與IGBT電壓應力[5]，但在此之前，需要先實驗獲得線圈等效阻抗作為仿真參數，多次繞制線圈繁瑣又費時。因此，進一步基于電磁場路平臺研究IH諧振電壓應力問題，具有一定的現實意義和應用價值。

本文以家用電磁爐為例，對IH等效負載阻抗進行分析，基于變壓器模型推算了阻抗的影響式，并在電磁場仿真軟件Maxwell中對阻抗參數進行抽取，作為電路的準確參數來源；然后對并聯諧振峰值電壓形成原因進行分析，簡化電控系統電路，在電路仿真軟件Simplorer中搭建IH并聯諧振自調頻模型，計算IGBT電壓應力。通過單項測試驗證了場路仿真的準確性，為后續IH諧振電壓優化奠定基礎。最后基于上述理論-仿真-實驗體系搭建的IH諧振電壓分析優化平臺，對電磁爐IGBT諧振電壓過高問題提出解決方案，并通過實驗驗證，降低了諧振電壓，達到了產品安全余量要求。

1 IH負載等效阻抗分析

1.1 理論等效分析

電磁爐的負載就是鍋具，工作時鍋具切割線圈盤產生磁力線，感應形成反向環形渦流，產生焦耳熱；將鍋具與線圈盤等效成變壓器模型[6]，線圈盤作為變壓器的初級，鍋具等效成變壓器的次級，如圖1所示。

圖1 鍋具-線圈盤等效變壓器模型

其中，R1、L1分別為線圈盤的電阻和電感；R2、L2分別為鍋具的電阻和電感；M為線圈盤與鍋具之間的互感系數。

假設線圈盤輸入激勵電壓為U，頻率為ω，線圈側電流為I1，鍋具側電流為I2，根據克西柯夫定律[6]，線圈與負載方程為：

將鍋具阻抗耦合至線圈盤側，求解線圈盤側電流如式（2）：

分解式（2）阻抗，得到線圈盤側等效電阻、等效電感分別為：

由此可見，感應加熱時線圈盤電阻會增大，線圈盤電感會減小。同時，等效電阻Req、電感Leq也受頻率和互感系數影響，而互感系數越大，代表著線圈盤與鍋具的耦合程度越高，因此電磁爐產品結構對等效電阻、電感參數影響不可忽視，需采用仿真方法進行抽取。

1.2 阻抗參數仿真抽取

1.2.1 Maxwell渦流場理論

Maxwell方程組是支撐所有宏觀電磁現象的基礎，用于有限元處理電磁問題的微分形式如下：

在線性、均勻、各向同性媒介中，場量之間存在以下關系：

其中，E為電場強度，B為磁感應強度，H為磁場強度，D為電通密度，J為電流密度，ρ為電荷體密度，ε為介質的介電常數，σ為介質的電導率，μ為介質的磁導率。

電磁爐鍋具感應產生渦流損耗就是加熱源，因此在仿真中通常采用渦流場求解，精度較高，其求解器滿足齊次波動方程[7]：

1.2.2 三維有限元仿真

為了便于計算，在不影響結果的前提下，對模型進行處理，去掉電磁爐塑膠外殼、微晶面板、風扇、控制面板等不影響磁場的結構件，留下鍋具、線圈盤及底部磁條，并將線圈盤平面螺旋結構簡化成同心圓，再切割線圈盤截面，依次添加激勵電流形成回路，在Maxwell中建立三維仿真模型如圖2所示。

圖2 仿真簡化模型

在仿真設置中，鍋具材料設定sus430不銹鋼，線圈盤材料設定銅，磁條材料設定鐵氧體。網格劃分時，因為在高頻下鍋具底部會產生集膚效應，鍋具外表面感應渦流密度大，靠近內表面會呈指數減小，故在鍋具外表面選擇基于集膚深度的加密網格剖分設置，綜合考慮仿真時間和仿真精度，設定3層剖分，網格劃分結果如圖3 a），網格總數為313213。

圖3 鍋具網格及渦流功率云圖

求解完成后，鍋具渦流功率云圖如圖3 b），可見鍋具中間渦流遠大于邊緣。采用場計算器對仿真結果進行后處理，提取損耗及阻抗結果如表1所示。

表1 仿真計算結果

1.3 阻抗參數驗證

1.3.1 驗證方案

為驗證仿真的準確性，制定相同工況下的實驗方案。根據式（3）、（4）可知，等效阻抗參數除了線圈盤及鍋具本身外，還受頻率和互感系數的影響，故分別通過頻率和結構變動進行驗證。

頻率上，電磁爐工作頻率通常在20 kHz～30 kHz之間，為實現工作頻率上的全覆蓋驗證，設計實驗頻率范圍15 kHz～35 kHz，每5 kHz記錄一次，記錄點為：15 kHz、20 kHz、25 kHz、30 kHz、35 kHz。

結構上，在使用電磁爐時，經常會有鍋具放置不居中的情況，根據微晶面板加熱區域標識范圍，設計實驗中心偏移量0 mm～40 mm，每10 mm記錄一次，記錄點為：0 mm、10 mm、20 mm、30 mm、40 mm。

測量等效阻抗參數的實驗儀器采用同惠TH2832電橋，搭建測試場景如圖4所示。

圖4 阻抗實驗測試

1.3.2 驗證結果

（1）頻率變化

將鍋具居中放置，記錄頻率變化后實驗結果，并進行相同工況仿真，結果對比如表2、表3。表2為等效電感隨頻率變化，表3為等效電阻隨頻率變化。

表2 等效電感結果對比（頻率變化）

表3 等效電阻結果對比（頻率變化）

（2）結構變化

將頻率設置為25 kHz，記錄結構變化后實驗結果，并進行相同工況仿真，結果對比如表4、表5。表4為等效電感隨中心偏移量變化，表5為等效電阻隨中心偏移量變化。

表4 等效電感結果對比（中心偏移）

表5 等效電阻結果對比（中心偏移）

綜合頻率變化及中心偏移結果，等效電感平均仿真誤差為4.3%，等效電阻平均仿真誤差為7.5%，三維仿真抽取等效參數與實驗數據基本吻合，印證了模型準確性，因此仿真負載等效阻抗可作為諧振電路分析依據。

2 IH電路諧振電壓分析

2.1 并聯諧振原理

鍋具及線圈盤耦合形成的等效阻抗就是諧振電感與電阻，其與諧振電容構成并聯諧振主電路如圖5所示[8]。當IGBT導通時，電源電壓加載在等效電感與電阻上，電感、電阻電流呈指數上升；開通一定時間后，IGBT關斷，電感釋放能量，電容充電，此時諧振電容Cr兩端左負右正，電容電壓與電源電壓疊加在IGBT集電極，形成峰值電壓。此后電容向電感放電，電壓逐漸下降，電感電位反向，IGBT反偏。等到下一個開通信號，電路又重復此過程，能量持續消耗在電阻上，完成加熱。

圖5 并聯諧振主電路拓撲

在電感與電容諧振時，電感電流會跟隨整流后的市電波形，形成周期性包絡，所以在市電電壓達到正弦峰值時，IGBT集電極電壓也會達到最大值，此是導致IGBT過壓擊穿的主要原因。

2.2 電路諧振電壓仿真

電磁爐電控系統由主電路、驅動電路、控制電路、保護電路、輔助電源電路及顯示電路組成[9]，為了便于計算，仿真只保留主電路和控制電路并進行簡化，在Simplorer軟件中直接調用正弦交流電源、比較器及理想開關替代實際電路，搭建仿真電路圖如圖6所示。

圖6 仿真電路圖

在仿真電路中，采用電阻分壓實現采樣，利用電容充放電特性實現同步的鋸齒波，再通過與可調電源相比較形成IGBT的開通脈沖信號。元器件參數設置與實際電路一致，求解耗時30 s，結果如圖7所示。圖7 a)為電感電流包絡波形，圖7 b)為IGBT集電極電壓波形。可見，電路仿真模型可快速、便捷地預測電路電流及電壓應力大小。

圖7 仿真波形圖

2.3 電路參數驗證

2.3.1 驗證方案

為驗證仿真的準確性，制定相同工況下的實驗方案。根據并聯諧振原理可知，IGBT集電極上峰值電壓是由諧振電容電壓與電源電壓正向疊加所產生，在無法改變電源電壓的情況下，可通過改變電容參數進行驗證。

電磁爐電容通常取0.3 μF，根據電容規格，實驗取0.24 μF、0.27 μF、0.3 μF、0.33 μF進行測試，每次測試將電磁爐功率開到最大，記錄市電峰值下電感電流和IGBT集電極電壓。

記錄電路參數的實驗儀器采用安捷倫DSO7054B示波器，搭建測試場景如圖8。

圖8 電路參數測試

2.3.2 驗證結果

將鍋具居中放置，采取最大功率輸出，記錄電容變化后實驗結果，并進行相同工況仿真，結果對比如表6、表7。表6為峰值電壓隨電容變化，表7為電感電流隨電容變化。

表6 峰值電壓結果對比（電容變化）

表7 電感電流結果對比（電容變化）

可見，仿真和實驗趨勢一致，峰值電壓平均仿真誤差約為2.1%，電感電流平均仿真誤差為1.3%，仿真與實驗誤差較小，反映了仿真電路的準確性。結合負載等效阻抗抽取仿真，可實現IH設備并聯諧振電壓調試全仿真替代，為產品諧振電壓分析及優化打下基礎。

3 電磁爐諧振電壓優化

某新品電磁爐制樣后，測試發現峰值電壓高達1131 V，影響電磁爐安全運行。實測等效阻抗參數后進行仿真建模并驗證，其等效電感為74.4 μH，等效電阻為2.34 Ω，電路諧振電容為0.27 μF。利用電路仿真模型定性分析阻抗參數對諧振峰值電壓影響趨勢，如圖9所示。

圖9 阻抗變化對峰值電壓影響

因此，可以從三個方面降低諧振峰值電壓：增大電容、減小電感、增大電阻。根據式（3）、（4），電感、電阻均與線圈盤-鍋具相關聯，可通過增加耦合系數達到減小電感、增大電阻效果，增大耦合系數方式有：縮短線圈盤與鍋具間距、增加磁條、將內圈繞線改至外圈。

對于本樣機，由于微晶面板厚度限制，線圈盤與鍋具間距已經達到最小，而增加磁條會額外增加成本，且影響線圈盤散熱，故采用將內圈繞線改至外圈方案，通過磁場仿真發現電感減小2.4 μH，電阻增大0.12 Ω，代入電路仿真諧振峰值電壓降低87 V，諧振電壓仍然較高，增大電容至0.33 μF時，仿真發現諧振電壓才滿足安全要求。

按照最終仿真方案改進，圖10中顯示實驗測得峰值諧振電壓降至985 V，實現了優化效果，達到了產品安全余量要求。

圖10 優化前后峰值電壓

4 結論

本文重點分析了IH電磁場路特性，基于理論-仿真-實驗搭建IH諧振電壓分析優化平臺，實現了IH系統等效阻抗參數抽取以及諧振電壓仿真預測，并總結了諧振電壓優化方向，能為IH產品設計提供參考依據，節約開發時間。主要結論包括：（1）IH電路負載由線圈盤-被加熱體耦合形成，等效阻抗會受自身材料、頻率、相對結構影響；（2）頻率越高，等效電感越小，等效電阻越大；（3）鍋具越偏移中心，等效電感越大，等效電阻越小；（4）增大諧振電容、減小諧振電感、增大電阻都可以降低諧振峰值電壓；（5）對線圈盤-被加熱體結構進行調整，可以較小代價改變等效阻抗參數，實現諧振電壓優化。

參考文獻

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（責任編輯：張蕊）

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