新型高频电磁加热热水器的研究与设计

摘要：介绍了一种利用半桥谐振电路实现的新型电磁热水器的设计原理和方法。试验结果表明基于感应加热原理的电磁热水器可稳定工作在1.5kW，30kHz的范围，并使输入谐波降到最低，负载侧功率因数达96％以上，效率达92％。

关键词：感应加热；热水器；半桥电路；谐振

1    引言

    目前，在家庭浴用设施方面尤受人们欢迎的是淋浴热水器。为满足人们的需要，各厂家相继研制出燃气、电加热、太阳能等热水器。然而在使用中，这些热水器都有各自的缺点，燃气和电热水器的安全性较低，太阳能热水器的效率不高，这都造成了它们使用的局限性。采用感应加热原理设计的高频电磁加热热水器和以上几种相比有着突出的优点。它是利用电磁感应产生的交变磁场，在圆柱状的发热体的表面形成涡流达到直接加热的目的，效率比贮水式热水器要高20％，加热时间比相同功率的电热水器要快得多，更值得指出的是，它通过感应线圈使发热体产生涡流达到加热的目的，实现了发热体和主电路之间电气上的隔离，避免了电热水器因绝缘损坏而产生的漏电现象，在安全性上大大提高了。试验表明，我们研制的1.5kW，30kHz的电磁热水器完全符合要求。

2    电路拓扑及设计过程

    电磁热水器电路的系统框图如图1所示。市电交流220V经过滤波整流后变为大约310V直流，通过半桥谐振逆变电路的振荡在线圈中产生交变磁场，在发热体中产生涡流以达到加热的目的。

图1    电路系统框图

2.1    主电路工作过程分析

    主电路的工作过程如图2所示。通过开关管S₁，S₂的开通和关断，感应线圈电感和半桥电路的两个电容在各自的回路形成谐振。在稳态工作下根据开关管、负载、电容上电压电流的波形，电路在一个运行周期中分4个工作模式:

    模式1    如图2(a)所示，开关管S₁开通，电流经S₁，R，L，C₂形成回路，S₁开通时电压为零，减小了开关损耗，实现了零电压开通。

    模式2    如图2（b）所示，开关管S₁关断，负载电压反向，电流通过D₂续流，此时S₂上的电压为零，流过S₁的电流为零。

    模式3    如图2（c）所示，开关管S₂开通，线圈中电流反向，S₂在电压为零时开通，电流流经C₁，L，R，S₂。

    模式4    如图2（d）所示，开关管S₁、S₂都关断，电流经C₁，L，R，D₁形成回路，此时S₁上的电压为零，流过S₂的电流为零。

(a)    模式1    (b)    模式2

(c)    模式3    (d)    模式4

图2    主电路工作过程

    V_L＋V_R＋V_C=V_TH    （1）

    L＋Ri_L＋i_Ldt=±V_in    （2）

    i_L=    （3）

    V_R=R    （4）

    V_L=L×(βcosβt₁－αsinβt₁)－I₁(βsinβt₁＋αcosβt₁)]    （5）

    V_RL=V_R－V_L    （6）

式中：α=R/2L；

            β=；

      R=R_eq＋R_on；

    V₁为RLC谐振回路中电容上的起始电压；

    I₁为RCL谐振回路中电感上的起始电流；

    V_TH在模式2、4为0，模式1为，模式3为；

    V_in=V_ACsinωt，ω为工频下的角频率。

该电路的输出功率为:

    P_out=×cosθ_n    （7）

式中：V_s2为开关管电压；

      i_L为负载电流

2.2    控制方法及实现

    该控制电路的框图如图3所示。

图3    电路控制框图

    开机信号经过RC缓冲后输入到压控振荡器（VCO）的输入端，输出信号经分频后经过驱动电路实现对MOSFET的控制，为降低成本，该电路采用单一频率，电压、电流开环控制，而通过加热水温度的反馈控制起停。为了减少开机时对MOSFET的冲击，采用了RC缓冲软启动电路，以扫频的方式实现开机时功率的逐步增加。

2.3    输入滤波器的设计

    通常输入滤波器采用大电容或大电感使逆变器的输入电压或电流变成直流，但这种设计也带来了很多的问题，例如：逆变器输入功率因数很差，同时逆变器电路的谐波对电网的干扰也成为一个不可忽略的因素。为了减小电路对电网的谐波污染，改善逆变器的功率因数，该电路采用了LC滤波的方式，使电路产生的谐波降到最低，同时使输入电压和电流的包络线同相，从而使负载侧功率因数接近为1。

    图4（a）是采用大电容滤波时输入电流的波形。由图可见，只有当整流后的电压大于电容上的电压时，电网才会向逆变器输入功率。图4（b）采用的是LC滤波，输入电流近似于正弦波，高次谐波明显减少。图4（c）是两种情况下输入电流谐波的比较，白色是采用电容滤波，黑色是LC滤波。由图4可见，采用LC滤波的效果明显好于单一电容滤波。

(a)    大电容滤波时输入电流波形    (b)    LC滤波时输入电流波形

(c)    两种滤波方式下的谐波频谱比较

图4    输入电流及谐波分析

    在滤波电感的设计中，由式（8）可知，

    AP=    （8）

    电感磁芯体积的大小与通过电感的电流成正比。为了减小滤波电感的体积，采用了无气隙环形磁芯的饱和电感，当主电路电流超过一定值时，电感磁芯饱和，电路中只剩下电容滤波。饱和电感电感值与电流的关系由式（9）～式（12）给出。

    L=NS    （9）

    B=f(H)    （10）

    H_l=NI    （11）

    L=    （12）

    仿真和试验结果表明，采用饱和电感后输入电流的谐波有所增加，但整流二极管和开关管上的电流和电压值没有太大的变化，电感的体积减小了很多，仿真结果如图5所示。

(a)    输入电流    (b)    负载电流

图5    采用饱和电感后的波形

    滤波器参数经计算，电感L取300～400μH，电容C取5μF滤波效果最好。由滤波器传递函数

    G(s)=    （13）

得出的伯德图如图6所示。由图6可见，电路工作在频率30kHz时的谐波被完全地滤掉。

图6    滤波器函数的Bode图

3    试验结果及波形

    根据以上思路，设计了一台功率1.5kW，工作频率30kHz的样机，图7是试验波形，试验结果验证了以上推导的特性。

(a)    开关管u_gs，u_ds以及电感电流波形

(b)    输入滤波器后的电压和电感电流波形

图7    试验波形

    图7（a）中，波形1是开关的驱动波形，2是开关管两端的电压波形，4是电感电流波形。图7（b)中，2是输入滤波器后的电压波形，4是电感电流波形。由图7（b）可以看出输入电压和电感电流的包络线同相位，负载侧功率因数接近于1。

4    结语

    由于采用了半桥式谐振电路和LC输入滤波器的设计，在器件的选择、电源效率、对电网的谐波干扰等方面比同类的单管电路提高很多。但在减小开关的导通损耗，防止电路的直通方面尚需进一步改进。