1、 本 科 毕 业 设 计 家用电磁灶电源设计 所在学院 专业班级 电子与信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 II 摘要 电磁灶又叫电磁炉，它起源于德国，是现代厨房革命的产物。电磁灶根据其本身的功率大小可分为家用型电磁灶和商用型电磁灶。 电磁灶利用高频 交流电通过线圈从而产生交变磁场，交变磁场会在锅底产生出感应电流 涡流，涡流就会使锅体高速发热，其具有加热均匀、热效率高、加热速度快、节能环保、清洁卫生等一系列优点。本文主要提出了一种家用电磁灶电源的设计方案。基于该方案设计了 单相 PFC、逆变电路以及控制电路。要求逆变电路的逆变频率达到 25KHZ，输出功率达到300W
2、2000W 可调，输入功率因数要达到 0.9 以上，要有过流（输入电流超过 15A）以及过热（温度超过 300 摄氏度）保护措施。 本文主要介绍主电路和控制电路两个方面，详细地阐述了电路的组成结构以及各组成 电路的具体工作原理和作用，并且对各部分元器件的参数作了详细的计算和选择。主电路的设计主要包含整流电路的设计和逆变电路的设计两大部分，整流电路部分采用了 PFC 有源功率校正技术，而逆变电路部分则采用了半桥型逆变器。控制电路的设计主要包含 PFC 电路的控制电路设计和逆变电路的控制电路设计， PFC控制电路是基于控制芯片 MC33262为核心设计的，逆变电路控制电路是基于控制芯片 IR215
3、31 为核心设计的。 文中特别针对 PFC 电路功率因数的提高、控制电路的控制原理以及控制芯片的内部结构，都作了深入的分析和研究。 关键词 ：电磁灶；功率因数；高频 III Abstract DianCiZao also known as induction cookers, which originated in Germany, is a product of the modern kitchen revolution. Induction cooker uses the high frequency alternating current to produce the alternati
4、ng magnetic field when it runs through the coil. Alternating magnetic field in the bottom of a pan will generation induction currents named eddy current, which causes the pan to heat with high speed. Induction cooker has a series of advantages such as heating speed, high efficiency, uniform heating,
5、 sanitation, environmental protection and energy-saving. This paper mainly puts forward a kind of household design of power supply. Based on the scheme design of the single-phase PFC, half bridge type inverter circuit and control circuit. Request the inverter frequency inverter circuits to 25KHZ, ou
6、tput power reached 300W 2000W adjustable, input power factor to 0.9 or more, have over-current (input current exceeds 15A) and thermal (temperature over 300 degrees C) protection measures. In the main text to the main circuit and control circuit are introduced both, a detailed introduction to the co
7、mposition of the circuit structure and the composition of the concrete work of circuit theory, role, and for each of the components detailed calculation of the parameters and options. Main circuit consists mainly of two parts, rectifier circuit and inverter circuit, rectifier circuit uses a PFC acti
8、ve power compensation technique, inverter circuit uses Half-bridge Inverter. Control circuit consists mainly of the control circuit design of PFC circuit and the inversion circuit, the control circuit design of PFC circuit is core based on the control chip MC33262, and the control circuit design of
9、the inversion circuit is core based on the control chip IR21531. The article specifically PFC power factor improvement circuit, control circuit principle and control chips to control the internal structure, are made in-depth analysis and research. Keywords: induction cookers; power factor; high freq
10、uency IV 目录 前言 1 第 1 章 绪论 2 第 2 章 电源主电路的设计 4 2.1 家用电磁灶的电路结构 4 2.2 家用电磁灶电源主电路设计 4 2.2.1 进线滤波电路 5 2.2.2 单相 桥式整流器 5 2.2.3 单相 PFC 电路 6 2.2.4 半桥逆变电路 10 第 3 章 控制电路设计 12 3.1 控制电路 12 3.1.1 单相 PFC 电路控制电路的设计 12 3.1.2 逆变电路控制电路的设计 14 3.2 控制芯片 15 3.2.1 MC33262 芯片介绍 15 3.2.2 IR21531 芯片介绍 17 3.3 总电路图 18 第 4 章 家用电磁
11、灶电源的研究现状与发展 20 小结 23 致谢 错误 !未定义书签。 参考文献 24 1 前言 在 1831 年，法拉第发现了电磁感应现象 当一个回路中的电流发生变化的时候，靠近它的另外一个闭合回路就会有感应电流产生。电磁感应现象在工业生产中得到了极其广泛的应用，比如利用电磁感应现象中产生的涡流进行冶炼、淬火、焊接等等。在这些应用中，电磁感应产生的加热效果可以被很好的控制。 电磁感应产生的加热效果有非常 多的优点：感应加热快速、清洁、节能、易于实现自动化和在线生产、生产效率高等特点；能在很短的时间内便能产生很大的能量，因为是内部能源，属于非接触加热方式，从而能得到很高的能量密度；在加热的表面和
12、深度上具有很高的灵活选择性，能在各种载气中进行工作（空气、真空等），损耗极低，不会产生任何的物理污染，符合环保和可持续发展方针，是绿色的环保型加热工艺之一，感应加热的过程中不会产生明火，有害气体等，很大程度上避免了安全事故的发生。 电磁灶作为厨具市场的一种新型灶具，是电磁感应现象的一种典型应用。它打破了我们传统的明火烹 调方式，采用磁场感应电流（又称为涡流）的加热原理，电磁灶是通过电子线路板组成部分产生交变磁场、当用含铁质锅具底部放置炉面时，锅具即切割交变磁力线而在锅具底部金属部分产生交变的电流（即涡流），涡流使锅具铁原子高速无规则运动，原子互相碰撞、摩擦而产生热能（电磁灶煮食的所需要的热量源
13、来自于锅具底部而不是电磁灶本身发热传导给锅具，所以热效率要比所有炊具的效率均高出近 1 倍）使器具本身自行高速发热，用来加热和烹饪食物，从而达到煮食的目的。具有升温速度快、热效率高、无明火、无烟尘、无有害气体、对周围环境不产生热辐射、体积 小巧、安全性能高和外观美观等优点，能完成家庭的绝大多数烹饪要求。 如今，随着生活节奏的不断加快，人们生活质量和生产水平的不断提高，对高质量、高效率、高安全性的家电产品的要求也越来越高。电磁灶的诞生，相当程度上解决了人们饮食生活中所面临的一些问题，因此，电磁灶比较普及的一些国家里，它被人们誉之为“烹饪之神”和“绿色炉具”。 当然，除了电磁灶之外，电磁感应现象所
14、产生的加热现象也在人们的日常生活中得到了很大的体现，比如我们常见的电磁热水器、电磁电饭煲等一些家电用品以其高效、快速、清洁、环保、节能等优点吸引着人们的 眼球。 2 第 1 章 绪论 改革开放三十多年以来，随着我国经济的高速发展，高能耗的经济增长体系所带来的能源短缺的危机已成为人们迫切关注的问题。而由此问题引发的能源危机也被当前理论界与实业界所共同关注。对能源危机造成的紧迫感使许多企业致力于高效节能厨具的研究。随着各方面技术飞速的发展，各种各样的新型能源也相继被人们发现，为电磁灶的开发带来了契机。在 1972 年，美国西屋公司首次研发成功出电磁灶，随着相关技术不断的成熟，电磁灶正在引领厨房的绿
15、色革命。由于电磁灶所表现出的各种优点，成功地引起了全世界的极大关注和兴趣， 将它当作取代传统明火厨具的理想产品。电磁灶巨大的潜力也引起了很多世界著名企业的注意，随后他们都投入了相当多的人力、物力来进行深一步的研究与开发。 据相关统计，使用电磁灶平均每月将会比使用燃气灶节约近 35%的费用，电磁灶在节能环保方面的优势表现得淋漓至尽。具体表现如下： 第一，电磁灶作为“第四代”厨房用具，主要是利用了电磁感应加热使锅具直接快速发热的原理，热效率非常高，电磁灶的热效率比普通燃气灶整整高了 35%，达到了 85%以上，能节约一大比钱。 第二，电磁灶是内部能源，没有明火所带来的热量和因煤气燃烧带来的 废气，
16、不仅可以给人们营造出一个良好的烹饪环境而且可以因此减少普通燃气灶所隐藏的安全事故。 第三，全部的电磁灶采用的是变频加热技术，这就表示电磁灶在节能方面拥有极高优势，人们根据系统设定的程序，根据自己的需要调整加热功率，从而有效达到节约能源的目的。 第四，电磁灶对一些技术要求很高，和燃气灶对比，比如钢铁等一些原材料的消耗比较少，而且电磁灶体积小巧，更能减少其制造过程中运输过程的能耗，性价比高。 虽然在 80 年代，我国就有一些厂家从事电磁灶产品的生产与推广，但是，由于电磁灶技术不够成熟，电磁灶也因此未能得到普 及。后 10 年，技术得到日益成熟。在电磁灶行业中，已经涌现出很多专业研发制造厂家，如美的
17、等。美的还建立了一个强大的电磁加热的高技术队伍。随着人们对电磁灶产品不断了解，会有越来越多的人关注电磁灶行业的发展，电磁灶将迎来一个飞速的发展期。电磁灶也将会被人们逐渐接受，一步一步成厨房的主导厨具，款式也将更加多样化。 节能，不仅仅是一种企业行为，更是一种社会行为。一方面，降低产品的成本与能耗，是与国际市场接轨的必要手段；另一方面，会给广大的中国消费带来非常高的利益。出于消费者对节能的需求，越来越多的企业将会将节能运用 到自己的产品中，从而获得一定的市场竞争优势，整个电磁灶行业也将得到健康可持续发展。 实际上，对节能做出相关措施的不仅仅是中国，甚至比中国还早，近年来，很多发达国家在节能方面做
18、出了很大的努力。他们对家用电器产品制定了一系列节能措施，还进行产品认证并进一步制定产品的能效标准。比如，如果想进军美国市场，在没有取得美国节能方面的认可，企业根本去政府采购。可喜的是在中国，针对节能的相关措施也在不断出台，没有达到节能新标准的空调不允许销售。在不远的未来，我们可以看见新的节能产品将引领消费，而那些高耗能的产品将会逐渐被 淘汰。 随着世界经济圈的不断成熟，企业假如想获得更大的发展空间，抢占国际市场成为了突出问题。在越来越多的国家将节能提上日程时，对产品的节能指标也变得更加严格了，如何3 真正把节能做到实处，也是未来企业技术竞争的焦点之一。不可否认，节能认证是提高企业形象、进军国际
19、市场的有力工具。 一些传统的厨房用具的明火烹饪会使环境升温、也没有定时功能需长时间看管、油污也不好清理、散热效率差；还有泄漏、爆炸、等安全隐患。 家用电磁灶的优点： 1) 绿色环保：无废气排放、无噪音、无污染、省能源。 2) 安全可靠：无明火燃烧 、无废气排放、无燃烧泄漏，最大程度上避免人员及环境安全隐患，比传统的厨房用具更安全也扩大了场地使用限制（例如地下室、高层建筑的顶楼厨房）；电磁灶本身也配置很多安全保护措施，避免意外事故的发生。 3) 改善环境：无明火燃烧、无鼓风装置可减少热量散发、提高能源使用效率、降低噪音（厨房噪音的主要来源于炉灶鼓风、烟罩风机和设备马达等）。 4) 减少配套：减少
20、部分送风和排风装置的工程施工量和部分投资。免除了煤气管道的施工和配套费用。 5) 节省场地：体积小巧、热效率高、加热速度快，大大节省了场地使用面积。 6）可以精确温控：拥有先进的智能调节技术、可精确控制烹饪温度，不但节能又可以保证食品的美味。 基于电磁灶的以上优点，这种家用电器在家庭中的使用越来越普及。而其主体的开关电源设计技术也越来越先进。它不仅极大地保护了环境，节省了资源，而且老少皆宜。其安全性能是一般的家用电器无法比拟的。它将会带人们摆脱以往的加热方式，一定程度上的去除了安全隐患。 电磁灶的主电路是一个 AC-DC-AC（交流 -直流 -交流）变换器，由桥式整流器和电压谐振变换器构成。市
21、电的交流电源经桥式整流器变换为直流电，再经电压谐振变换器变换成频率为 20-40KHZ 的交流电。这个高频交流电通过在圆形平面上绕制的线圈盘耦合到锅具的底部，在锅具底部产生旋涡状电流，使锅具快速生热。电磁灶感应加热原理如图 1.1 所示。 图 1.1 电磁灶感应加热原理 4 第 2 章 电源主电路的设计 2.1 家用电磁灶的电路结构 日常生活中常见的家用电磁灶电源，通常由整流电路和逆变电路这两大部分组成。电磁灶的电源结构一般直接采用电容滤波单相桥式不可控整流电路作为输入部分。下图 2.1 所示的是家用电磁灶电源的结构框图。 图 2.1 家用电磁灶电源的结构框图 2.2 家用电磁灶电源 主电路设
22、计 从家用电磁灶的电源结构框图中我们可以看出，高功率因数的家用电磁灶电源的主电路设计主要由单相 PFC 电路的设计和半桥式高频逆变电路的设计两大部分组成。不管是单相 PFC电路的设计还是逆变电路的设计都有许多种设计方案，但是考虑到电磁灶运行的特点，本次设计我们采用的是由升压斩波电路所构成的单相 PFC电路和由电力 MOSFET所构成的半桥式高频逆变电路。 设计主电路原理图如图 2.2 所示： 5 图 2.2 家用电磁灶电源主电路原理图 单相市电进入电磁灶的电源中后，首先经过 LC 滤波后，再经过桥式整流器进行整流，将交 流电转换成直流电。然后经过 PFC 电路的进一步校正，从而提高功率因数。之
23、后，再经过高频逆变电路又将直流电转换成交流电，该交流电通过加热线圈，就会其中 PFC 电路和逆变电路分别由其对应的控制电路及驱动电路控制和驱动。 2.2.1 进线滤波电路 单相市电进入电磁灶电源，首先经过的是进线滤波电路 。 进线滤波电路又称 EMI 滤波器，一般分为高频差模滤波器和共模滤波器两部分，主要是抑制电力电子开关电路所引起的高频共模和差模干扰。如图 2.2 所示，电感 L1 L3、电容 C1 C5构成了 EMI 滤波器。 进线滤波电路的电感电容参 数选择如下： L1、 L2的电感值一般为几百微亨至几个毫亨， L1取 2 mH， L2取 2 mH。 C1通常取 0.22 uF，即取 C
24、1为 0.22uF。 L3一般为 0.3 40 mH，取 L3为 20 mH。 C2 C5一般取 2200 4700 pF， C2取 2200 pF， C3取 3000 pF， C4取 3800 pF， C5取 4700 pF。 2.2.2 单相桥式整流器 交流市电经过进线滤波电路滤波后，通过单相桥式整流器，将交流电转换成直流电。 单相桥式整流电路是将交流电转换为直流电的最基本的电路，如图 2.2 所示。整流电 路中的二极管是具有单向导通性的，二极管相当于整个整流电路中的开关。桥式整流器的工作原理就是利用 4 个整流二极管的分组导通性来实现的。当交流正弦波处于正半周时，二极管6 VD1、 VD
25、3导通，输出将会得到正弦波的正半周；反之，当交流正弦波处于负半周时，二极管 VD2、VD4 导通，输出将会得到正弦波的负半周；输出得到正负半周经过合成，就会得到一个同方向的单相脉动电压，即单相脉动直流电压。这样就将正弦交流电转换成了脉动直流电。 单相桥式整流器的二极管参数选择如下： 整流电路输入电压为工频正弦，流过的电流也近似为工频正弦，输 入功率因数约为 1。因此，二极管 VD1 VD4承受的最高电压为输入最大的相电压峰值，依据逆变输出的功率和估算的电路效率可以大致计算出输入电流的有效值，这样就可以很容易地确定输入整流二极管的参数要求。 电磁灶负载的最大功率为 2000W、输入输出的变换效率
26、为 =0.85、输入功率因数为 0.9，U 为交流输入电压有效值，其值为 220V。 整流二极管反向重复峰值电压为： RRMU = 2 .0 3 .0 2 U（ ） （ 2-1） 2 .0 3 .0 2 2 0 2 （ ） =622.2933.4V 这里，整流二极管反向重复峰电压取 800V。 直流侧电压 0.9 200dU U V （ 2-2） 整流二极管正向通态平均电流为： F A V 1I = 1 . 5 2 . 0 1 . 5 7 2oP U （ ） （ ）（ 2-3） 2 0 0 0 1= 1 . 5 2 . 0 7 . 9 5 1 0 . 6 01 . 5 7 0 . 8 5 2
27、0 0 2 A（ ） 这里，整流二极管正向通态平均电流取 10A。 直流侧直流电流 2000 1 1 .7 60 .8 5 2 0 0dIA（ 2-4） 直流侧电感 1 . 4 6 2 0 02 4 8 . 3 01 1 . 7 6 0 . 1L m h （ 2-5） 这里我们直流侧电感取 250mh。 直流侧电容 3 31 1 . 7 6 5 1 0 2 . 9 1 020ItC u fu （ 2-6） 在上面计算中， t 我们取半个波头。 直流侧电容取两个 2200 uF 的电容，电容电压取 450V 2.2.3 单相 PFC 电路 当接通 AC 线路后，由于电容 C6容值一般仅为 1uF 2uF，由于设计的需要，这里只能用作高频电路滤波电容，故桥式整流输出的是 100Hz 的正弦半波脉动电压。脉动电压经过一个由电感 T1中的电力 MOSFET 管 VT1、初级绕组电感 L1、二极管 VD6、电容 C10和 C12构成的升压斩波电路使电路电压提高。之所以 PFC 电路会应用 升压型式电路，主要是因为电路在输出功率一定时会产生较小的输出电流，从而可以将输出电容容量和体积减少，同时也可以将升压电感
