基于微控制器HT45F0074的商用半桥电磁炉设计

基于微控制器HT45F0074的商用半桥电磁炉设计

陈定武,  ,陈和辉

珠海格力电器股份有限公司   广东珠海519070

摘要：近年来人们的环保意识越来越强，低碳厨房越来越普及，高档家用与商用大功率电磁炉已慢慢取代传统瓦斯炉，许多大型企业食堂和商场餐饮越来越倾向于使用大功率商用电磁炉，电磁感应加热不仅可以直接加热金属材料，还可以间接加热非金属材料。但是，在实际应用中也遇到了许多问题，商用电磁炉固有的谐振频率因温度、载荷距离和载荷材料而异，从而引起设计问题。为了使逆变器始终在准谐振状态下工作，必须确保负载频率能够自动跟踪和锁定相位角，以实现随负载变化的功能。HT45F0074是一款8位高性能精简指令集ASSP Flash微控制器，专门为半桥电磁炉应用而设计。针对半桥电磁炉产品所需要的功率控制，该微控制器提供了完善的保护机制。内建硬件过电流、浪涌、相位保护，拥有12-bit A/D转换器搭配2通道A/D自动转换，可测量电磁炉电压、电流等重要参数，可实现半桥电磁炉必备功能，也可节省外围元器件，减小产品PCB尺寸。

Abstract: In recent years, people's awareness of environmental protection has become stronger and stronger, low-carbon kitchens have become more and more popular, high-end household and commercial high-power induction cookers have gradually replaced traditional gas stoves, and many large enterprise canteens and shopping malls are increasingly inclined to use high-power commercial induction cookers. Electromagnetic induction heating can not only directly heat metal materials, but also indirectly heat non-metallic materials. However, many problems have also been encountered in practical applications. The inherent resonant frequency of commercial induction cookers varies with temperature, load distance and load material, resulting in design problems. In order to make the inverter work in quasi resonant state all the time, it is necessary to ensure that the load frequency can automatically track and lock the phase angle to achieve the function of changing with the load. HT45F0074 is an 8-bit high-performance reduced instruction set ASSP Flash microcontroller, specifically designed for half bridge induction cooker applications. For the power control required by half bridge induction cooker products, the microcontroller provides a perfect protection mechanism. Built in hardware overcurrent, surge and phase protection, with a 12 bit A/D converter and 2-channel A/D automatic conversion, it can measure the voltage, current and other important parameters of the induction cooker, realize the necessary functions of the half bridge induction cooker, save the surrounding components, and reduce the PCB size of the product.

关键词：串联谐振技术；商用半桥电磁炉；微控制器HT45F0074

引言

应用高频电磁感应加热技术原理设计的商用电磁炉，具有加热速度快、火力大、容易控制温度、加热效率高、占地面积小等诸多优点，在人们的日常生活中得到广泛应用。传统炉灶以明火加热，而电磁炉是采用电磁感应方式加热，使锅具通过自身发热来烹饪食物，相较明火加热方式，热效率可达到90%。以安全性来说，当电磁炉在加热过程中，锅具移除一定时间后会自动关闭不加热，且烹煮过程中电磁炉炉面温度也相对传统炉灶温度低，在清洁上微晶板炉面与锅具比传统炉灶清洁容易。本文目标是设计一款高性价比，智能化半桥型商用电磁炉控制系统。

1.半桥电磁炉串联谐振基本工作原理

220V交流电源经全波整流后变成直流310V，半桥LC串联谐振逆变电路(图 1)，其主要架构是由桥式整流、LC滤波器、 电磁线圈L、电容器C1与C2与开关S1与S2(绝缘闸双极晶体管IGBT)构成逆变电路，功率管导通与否由它的栅极电压控制。主要操作原理是由HT45F0074内部互补式PWM在一个周期内各有半个周期正偏，半个周期反偏(S1和S2正反偏状态互补)，利用电磁线圈L中的电流以一定的频率交换变化产生磁场。谐振电容C1、C2和炉盘线圈L产生谐振，导通时线圈盘就有电流通过，加热锅具，不导通时线圈盘无电流，不加热。谐振频率由电感值和电容值决定，当微控制器MCU发出的PWM驱动频率与谐振电路频率相同时，形成高频振荡，谐振磁力线辐射到导磁锅底产生涡流，加热锅具。

图1商用半桥电磁炉电路示意图

2.电磁炉单相半桥型电压谐振逆变电路设计

半桥电磁炉产品主要有四项功能，功率控制、相位侦测、保护、功率量测和显示，对半桥电磁炉通过互补式信号PWM0、PWM1和二组分别可调整Dead Time来做半桥电磁炉功率控制；在串联的谐振电路中通过电流传感器和PWM信号做相位侦测；在功率控制过程中的过电流、浪涌、相位做停机保护；实现功率量测和显示功能等。

2.1硬件电路设计

图2为商用半桥电磁炉电路原理图，主要由主电路、控制电路、功率调节单元、功率显示单元和故障单元组成。220V单相电源首先通过EMC滤波器，不仅减轻电磁炉加热对电网或电网电气设备产生的高频电磁干扰效果，而且减轻电网受到短路影响，例如闪电，而且在连接到较大负荷时，可能会在电源线上产生瞬态电压脉冲，即电压高达1000V或数千伏。因此，重要的是要提供电涌保护，以避免对设备和人员造成风险。通过滤波器的整流电路和LC滤波电路，220V交流电流变为310V直流电流。使用光耦合隔离器作为 IGBT 驱动电路与电平转换功能，搭配互补式 PWM 控制，串联谐振式半桥变换器将控制电路作用下的直流310V电压转换为频率最快为50kHz高频交流电流，并转换为感应式加热所需频率的电压，即DC/AC变换。交流电流通过加热线圈产生可变磁场，可变磁场在锅具底部产生自旋涡流，从而使锅具发热。负载电流采样电路是在半桥变频器中设计的，因此可以跟踪负载电流进行自动控制、限流和过流保护，检测到的电流信号将发送到微控制器。电流检测电路是在控制电路的电流输入过程中设计的，有助于防止电流过大而损坏主控制芯片。

微控制器HT45F0074提供了两组相位侦测电路，分别为Phase Detector 0和Phase Detector 1， Phase Detector 0侦测OVP0INT和PWM0输入信号，Phase0 为其输出信号， Phase Detector 1侦测OVP1INT和PWM1输入信号，Phase1为输出信号。如果OVPnINT(电流)信号落后于PWMn (电压)信号，此时在相位侦测 n 电路会有phase n信号，利用phase n宽度可用来计算电流落后电压相位宽度来调整电磁炉输出功率。当电流信号和电压信号没有相位差此时phase宽度为0，半桥电磁炉输出功率最大。如果电流信号领先电压信号，此时在相位侦测电路会无法侦测到phase宽度，保护机制电路就会启动。

图2商用半桥电磁炉电路原理图

2.2 IGBT缓冲电路设计

在两个IGBT构成的半桥逆变电路中，由于存在杂散电感与电容，IGBT会承受较高浪涌电压。主要原因：（1）当IGBT关断时，由于杂散电感的存在，杂散电感会诱发较高的冲击电压，这样IGBT在关断时就会承受很大的浪涌电压。（2）在续流二极管反向恢复时，IGBT两端电压也会突然升高，此时在IGBT也会承受浪涌电压的冲击。由于浪涌电压的存在，会使得IGBT开关损耗增加、温度升高，最终可能造成IGBT损坏。为提高IGBT工作的安全性和可靠性，需要增加缓冲电路来保护IGBT。缓冲电路由1个大功率电阻与1个快速恢复二极管组成。大功率电阻用来消耗电容的能量，快速恢复二极管用来抑制杂散电感和电容产生的振荡问题，这样能够很好的抑制浪涌电压对IGBT的影响。

2.3模拟信号检测电路

信号检测电路把来自传感器的模拟信号经过处理后，送到微控制器HT45F0074的ADC模块，用于控制过程、执行计算和显示等。传感器可测量多个物理量，如电压、电流、温度等，但是有的传感器信号不能直接送到微控制器，因为传感器输出信号是相当小的电压或电流信号。因此，传感器输出信号在送到微控制器之前必须进行放大滤波处理。

2.4控制系统的设计

1）功率调节方式在众多的控制策略中，主要采用了脉冲宽度调制（pulsewidthmodulation,PWM）方式与锁相环及调频控制相结合的控制策略。2）调频调功方法业界对商用电磁炉的功率调节方式主要采用以下3种，即脉宽调功、脉冲密度调功和调频调功。3）调频锁相控制策略当将频率调到负载谐振频率时，系统就工作在软开关状态，这时其输出达到最大功率。但是，在实际应用中往往负载会受外界环境因素的影响进入容性工作状态，产生很大的尖峰电流，冲击IGBT开关管，最终导致其失效。所以采用锁相环控制技术，将负载工作频率锁定在略大于谐振频率的感性工作状态。

HT45F0074控制互补式PWM输出频率高低来决定半桥电磁炉功率的大小，当PWM频率越高串联谐振电感性越强，电流相位落后电压越多，电感性越强电流与功率越小，PWM操作频率由高频往低频扫，到达设定的功率PWM就固定，若当发现相位消失时，电压的相位等于电流的相位，此时操作频率称为谐振频率，电流最大功率也最大。一般功率控制PWM频率不会小于或等于谐振频率，会比谐振频率大一个安全的角度，确保操作频率操作串联谐振电感区。

在PWM互补信号生成电路中设计了死区插入电路。若无死区插入功能，则可

能会出现外部驱动电路晶体管对在转态时瞬间导通即上下臂MOS都开启，产生短路电流的情况。为了消除这种危险，此单片机内置了二组死区插入电路，各自具有12-bit死区时间控制，分别对两路PWM信号进行控制。通过对死区 时间的合理设置可确保输出转态的过程中，两个晶体管不会处于都导通的状态。

2.5串口通讯电路设计

HT45F0074有一个通用串行接口模块（USIM），包括三种易与外部设备通信的串行接口：四线SPI、两线I2C或两线UART接口。这三种接口具有相当简单的通信协议，单片机可以通过这些接口与传感器、闪存或 EEPROM内存等硬件设备通信。 因为USIM接口引脚是与其它I/O引脚共用，因此在使用USIM功能前，要先 通过相应的引脚共用功能选择寄存器选定USIM引脚功能。因为这三种接口共用引脚和寄存器，所以要先通过SIMC0寄存器中的UART模式选择位UMD和

SPI/I2C工作模式控制位SIM2~SIM0选择哪一种通信接口。若USIM功能使能，

可通过上拉电阻控制寄存器选择与输入/输出口共用的USIM脚的上拉电阻。本文选择两线I2C接口作为Slave端与显示板Master端进行通讯，主要是传送量测功率、温度与故障发生信息给显示板，接收显示板的开关控制与设定功率的参数。

3.电路功能

3.1检锅和加热信号输出

开机后，选择功能键，控制器主芯片HT45F0074第2脚产生6us宽度的方波检锅信号，如果整机工作正常，会在6、7脚收到正常的反馈脉冲信号；如果检不到锅，则报无锅。IGBT栅极有一个保护18V稳压二极管，可以防止过冲电压烧毁IGBT管。

3.2 AC电压采集与输入过压保护电路取样

AC电压信号采集是使用线性光隔离器(PC817)组成隔离式AC电压测量电路，此电路须考虑到线性光隔离器电流传输率(CTR)特性进行设计。220V电源经D1和D2整流后变成310V直流电，这个电压经电阻分压送入微控制器18脚采样。

3.3 AC电流采集与过流保护电路取样

AC电流信号采集是使用电流互感器组成隔离式AC电流量测电路，此电路须考虑到额定输入电流与比流值和输出负载电阻，在负载电阻选配上必须考虑电流互感器输出线性特性来做设计，而过流保护是利用HT45F0074内部OVP3来做过流保护侦测。电流互感器取市电母线上的小部分电流，转变成直流低压经电阻分压送入微控制器20脚，当电源突然有浪涌电流输入时，微控制器根据8脚取样值暂停加热，待浪涌电压过后，取样值恢复正常，控制器再重新发出检锅和加热指令。

3.4 NTC温度采集电路

此电路主要由NTC热敏电阻与一般电阻分压电路组成，用来测量半桥电磁炉 IGBT、线盘及锅底的温度，根据温度的变化NTC阻值也跟着改变，因此可以依据分压电路的电压值判断温度。

例如IGBT上方安装的热敏电阻常温下阻值是10kΩ，5V电源电压经电阻分压送入HT45F0074微控制器第13脚。该IGBT产生的温度通过散热片传至紧贴其上的负温度系数热敏电阻，该电阻阻值的变化间接反映了IGBT的温度变化。温度高时，阻值小，13脚上的电压就变低。温度下降时，13脚上的电压就会升高[4]。微控制器通过监测该电压的变化，发出相应的动作指令：1）IGBT结温>95℃时，调整PWM的输出，使IGBT结温下降。2）当IGBT结温由于某种原因（如散热片故障）而高于97℃时，立即停止加热并报警。3）当热敏电阻（IGBTsensor）开路或短路时，发出不启动指令并报警，显示故障代码E6。4）关机时如IGBT温度>50℃，CPU发出风扇继续运转指令，直至温度降至等于或小于50℃，还要继续运转3分钟后再行判断，直至温度不再超过50℃。

表1HT45F0074引脚功能

3.5浪涌保护功能

为了保护集成电路和其它弱电元件，就要在出现浪涌电压时迅速停止加热。HT45F0074第9脚用于监测交流供电电源220V的涌动情况，220V电源经D1和D2整流后变成310V直流电，这个电压经电阻分压送入9、18脚，当电源突然有浪涌电压输入时，微控制器根据9脚取样值暂停加热，待浪涌电压过后，取样值恢复正常，控制器再重新发出检锅和加热指令。

4.电磁炉谐振电压优化

商用半桥电磁炉制样后，测试发现峰值电压高达1181V，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74.4μH，等效电阻为2.34Ω，电路谐振电容为0.27μF。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。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。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2.4μH，电阻增大0.12Ω，代入电路仿真谐振峰值电压降低87V，谐振电压仍然较高，增大电容至0.33μF时，仿真发现谐振电压才满足安全要求。主要结论包括：（1）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。

结束语

半桥感应电磁炉广泛应用于家用和商用环境，具有效率、清洁、安全和良好的电源控制等优点，并逐步取代传统加热工具。分析和试验表明，采用本文控制方法设计的商用半桥电磁炉符合预定设计要求。同时，本设计原型在实际调试中具有较高的保护电参数探测精度，保护速度快，还实现了减少感应电磁炉运行过程中电磁污染和电能浪费的双重目标，符合国家节能低碳政策。

参考文献

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