美的电磁炉各部分电路原理分析

美的电磁炉各部分电路原理分析

在此主要针对美的TM-S1-01A-A板(TM-S1-01A)(主芯片S007)电磁炉做详细讲解,主板各部分电路功能及其控制原理,以及常见故障的快速判断处理。

电磁炉电路图

1、TM-S1-01A-A板(TM-S1-01A)(主芯片S007)

TM-S1-01A原理图

 

2、TM-S1-01D板(主芯片LC87F2L08A)

TM-S1-01D原理图

 

电磁炉各电路分析

美的电磁炉电路可以从功能模块上划分成以下主要的15个电路模块,本节将对15个模块结合美的电磁炉的标准板、TM板、QF板的实际电路原理进行阐述。

(1)、LC振荡电路;(2)、同步及振荡电路;(3)、IGBT高压保护电路;(4)、PWM脉宽调控电路;(5)、IGBT驱动电路;(6)、浪涌保护电路;(7)、电流检测电路;(8)、电压检测电路;(9)、5V电源;(10)、18V电源;(11)、蜂鸣器报警电路;(12)、锅具温度检测电路;(13)、IGBT温度检测电路;(14)、风扇驱动电路;(15)、主电源;

一、美的TM-S1-01A电路板电路模块分析

1、主板和显示板接口说明

单片机芯片放置在主板上,其中单片机已嵌入了相关比较器及部分电磁炉专用程序函数。由于单片机芯片端口有限,一般通过串口驱动显示模块。显示模块放置在显示板上。为了统一所有产品,规定标准板和显示板的排线接口顺序。根据产品的需要,确定了5个接口,其规定排列顺序及说明列表如下:

 

2、电路模块分析

LC振荡电路:

 

元件组成:谐振电容C5,线圈盘L,IGBT

LC振荡电路是整个电路的核心部分,是电能转换成为电磁能的实现部分。其中L是指接在OUT1和OUT2之间的线圈盘,而C则为并在L之间的电容C5。电路通过IGBT的高频开关(一般频率在20K-30K)形成LC振荡,从而在L上形成高频变化的电流,变化的电流又使得L产生变化的电磁波。

 

以上波形图是根据LC振荡工作原理,绘制的示意图:

T1-T2:IGBT控制极为高电平,IGBT饱和导通,电流I1从电源流过线盘L,电能转换为磁能存储在线盘上。

T2-T3:IGBT控制极为低电平,关断IGBT,由于电感不允许电流突变,电流I2流向电容C5,能量转移到C5,I2减到最小时,也就是线盘的能量全部放完时,VC达到最高。

T3-T4:电容开始通过线盘方向放电,所以此时I3为负向,电容的能量转移线盘上,VC最低时,反向电流I3最大。

T4-T5:此时IGBT开通,但由于感抗的作用,不允许电流突变,负向电流I4继续向电容C5充电直至为0。

所以,在一个高频的周期里,T2~T3的I2是线盘磁能对电容C5的充电电流,T3~T4的I3逆程脉冲峰压通过L1放电得电流,T4~T5得I4是线盘两端的电动势反向时形成的阻尼电流,因此,IGBT的导通电流实际是I1。

IGBT的电压变化:在静态时,VC为输入电源经过整流滤波后得直流电源,T1~T2,IGBT饱和导通,VC接近地电位,T4~T5,VC为负压,T2~T4,也就是LC自由震荡得半个周期,VC上出现峰值电压,在T3时VC达到最大值。

以上证明两个问题:一是在高频电流得一个周期中,只有I1是电源供给线盘能量的,所以I1的大小就决定加热功率的大小,同时脉冲宽度越大,T1~T2的时间就越长,I1就越大,反之亦然,所以要调节加热功率,只需要调节脉冲宽度;二是LC自由震荡的半个周期是出现峰值电压的时间亦是IGBT的截止时间,也是开关脉冲没有到达的时间,这个时间关系是不能错位的,如果峰值脉冲还没有消失,而开关脉冲已提前到来,就会出现很大的瞬间电流导致IGBT烧坏,因此必须保证开关脉冲的前沿与峰值脉冲后沿同步。

 

同步及振荡电路

元件组成:R3,R19,R17,R14,C8,R4,R5,R32,R37,R15,R14,R24,C9,C30,U1(20,19脚)

电磁炉功率控制的核心电路,主要作用是从LC振荡中取得同步信号(注1),根据同步信号振荡产生锯齿波,为IGBT提供前级驱动波形。此电路的输入信号是线盘两端(即CN3和CN4)的谐振波形,U1的3脚输出控制IGBT前级的PWM信号。

如图所示,其信号取自LC振荡的电容C5两端的分压,一路经过R3、R19、R17、R14和C8得到相位电压A点,送到单片机20脚;另一路经过R4,R5,R32,R37,R15,R16,R24得到相位电压B点,送到单片机19脚。单片机得到两者信号,并经过内部处理,从而得到可控制的同步PWM,并从U1的3脚输出。

检锅

检锅就是检测电磁炉上是否有锅,台湾的厂家称之为负载侦测,也就是把加热的锅具视为电磁炉的负载,是电磁炉电路的一部分。我们的检锅是脉冲法检有锅,就是通过内部信号处理可以检测是否锅具。

其检测过程:开机后,进入功能后PWM(3脚)输出微米级的高电平使IGBT驱动电路启动LC振荡,通过同步反馈网络到单片机内部进行检测来确定是否有锅。

(注1)同步信号:IGBT在导通时,其C极电压越低,IGBT内部的损耗越小,反之则损耗越大;当IGBT内部损耗过大,则IGBT内部发热严重而导致烧坏。在理想状态,C极电压为零时开通IGBT,其内部损耗W=UcI=0,但实际上在电磁炉上电后,C极电压不可能为0V,所以,只能取IGBTC极最低的电压时开通IGBT,使IGBT的开关损耗最小。所以,同步信号就是IGBTC极电压最低时的检测信号,也就是最佳的IGBT开通时机。

IGBT高压保护电路

 

元件组成:R4,R5,R32,R37,R15,R16,R18,U1(18脚)

此部分主要是检测IGBT C极电压,保护IGBT在安全的电压下工作。美的电磁炉采用的IGBT最高耐压达1200V(如西门子IH20T120和仙童FGA25N120),但设计时一般都留有设计余量,此保护电路IGBT高压动作的电压是1100V峰值。即当IGBTC极的电压超过1100V时,IC(18)脚得到的分压电压变高,经过内部检测将3脚输出的PWM宽度拉低,缩小IGBT驱动占空比,缩短IGBT导通时间,从而降低IGBTC极电压,达到保护IGBT的目的。

在一定的条件下,IGBT的C极导通时间越长,电磁炉的功率越大,IGBT的C极就越高。目前我们采用的锅具有304不锈钢和430不锈铁,304不锈钢的磁阻非常大,430的磁阻小很多,所以,要达到相同的功率,304的驱动脉宽将远小于430锅具;使用430锅具时,IGBT的C极承受的高压远大于使用304锅具。所以,经常反映430锅具的功率无法达到额定的功率2000W,而304却轻易达到2500W甚至更高,就是与此电路保护有关。

如图,IGBTC极电压经过R4、R5、R32、R37、R15, R16,分压后再经过R18到U1 18脚。在设计中或生产中,若要提高IGBT保护电压而提高430的功率,可以减小R16。但不管如何,务必谨慎,确保IGBT的C极高压不高于1100V,否则,提高了功率却也提高了产品维修率。

PWM脉宽调控电路

 

元件组成:U1(3脚),C30。

脉宽调控电路是由CPU内部根据不同档位单片机3脚并配合同步信号自动输出PWM脉宽控制IGBT的占空比,从而影响功率的大小,PWM的占空比越大,IGBT驱动脉宽就越宽,则电磁炉的输出功率就越大,反之越小。

“CPU通过控制PWM脉冲的宽与窄,控制送至振荡电路的加热控制电压,控制IGBT导通时间的长短(脉冲宽度),结果控制了加热功率的大小。”其中C30,C9,C8用于调相。

IGBT驱动电路

 

元件组成:U1(3脚),Q1,Q2,Q3,R8,R9,R13,C10,R7

振荡电路产生的驱动信号电压较低,基本在4~5V之间,不能驱动IGBT,所以,要将这电压放大到18V以更好地驱动IGBT。

此电路分为两部分:

⑴、由Q1、Q3组成的推挽电路,驱动波形通过由两个三极管Q1、Q3组成的推挽电路,将输出Vout电压提高到18V。

⑵由Q2组成的IGBT使能控制电路。当Q2基极为高电平时,Q2导通,从而拉低Q3基极,Q3导通则IGBT驱动电路不工作,当Q2基极为低电平时IGBT启动。

浪涌保护电路

元件组成:U1(1脚),D1,D2,R29,R1,R11,C2,C9,D4,R40

电磁炉在使用过程中,如果电网电压不稳,高压脉冲(一般高于400V)冲击电磁炉,造成电磁炉IGBT击穿。浪涌保护电路就是为了防止此浪涌高压对电磁炉的损坏而设计的。

 

浪涌电路的信号SURGE取样于电网电压整流后的信号,市电经过D1,D2整流后,经过R29,R1,R11分压后,经过R40得到单片机U1 1脚取样信号。当电源电压正常时,U1 1脚为低电平(约0.8V),经过U1内部处理后不影响后级IGBT使能控制电路的Q2。当电源突然有浪涌电压输入时,造成U1 1脚电压升高为高电平(约高于2.5V),经过IC内部检测处理使3脚输出高电平,这可以使后级IGBT使能控制电路的Q2截止,关断IGBT,从而起到保护IGBT的作用。

电路中,R1、R11各并上电容主要提高抗干扰能力,避免浪涌保护误动作,D4为嵌位作用,防止U1 1脚电压超过5V,损坏U1。

电流检测电路

 

元件组成:U1(16,17脚),RK1,R2,VR1,C3,C26,C27.

流过康铜丝两端的电流,变换成电压,此电压经过R2,变阻器VR1输入至单片机U1 AD端口17脚。CPU根据检测此电压信号的变化来检测电磁炉的输入电流,从而自动做出各种动作:

1、检到过锅后,将会用1秒钟的时间来检测电流的变化,通过电流变化的差值确定锅具的材质、大小尺寸

2、工作时,单片机时刻检测电流的变化,根据检测到的电压及电流信号,自动调整PWM做功率恒定处理。

3、工作时,单片机时刻检测电流的变化,当电流变化过大时,做无锅具的判断。

VR1是0欧到500欧姆的可调电阻,主要是通过此调节电阻来调整因为结构误差引起的功率偏差,通过调节此电阻来改变电流检测的基准,达到调节电磁炉输出功率大小的目的。当VR1增大时,相应的电流检测的电压会提高。在输入电流一定的情况下,输出感应出来的电压相应提高,那么电流检测的AD值的会提高,根据软件恒功的要求,功率会相对下降。

电压检测电路

元件组成:U1(10脚),D1,D2,R29, R26,R12,R10,.C14

 

电压信号取自电磁炉电源交流输入,交流信号由D1、D2整流的脉动电流电压通过R29、R26,R12与R10分压、C14平滑后,得到信号送到单片机AD口,即VOLC U1(10脚)。

CPU根据检测此电压信号的变化来检测电磁炉的输入电压,从而自动做出各种动作:

1、工作时,单片机时刻检测电压的变化,若电压过高或过低时(一般250V~150V电压为正常),单片机将会发出保护的指令,停止加热,并显示代码;待电压恢复正常后,电磁炉自动恢复继续工作。

2、工作时,单片机时刻检测电压的变化,根据检测到的电压及电流信号,自动调整PWM做功率恒定处理。

电源供电电路

 

元件组成:

D1,D2,R33,D6,C19,U2,U3,R30,D7,D8,D11,DW2,C12,C13,C20,C21,C22,C23,C28,L2

标准板的供电采用开关电源方式,此电源模块将交流电压转换为VDD,18V和5V直流电。其中,VDD给风扇供电,18V电压给IGBT驱动、。5V电压用于单片机、显示板、信号采样提供基准等电路。

开关电源工作原理:

~220V市电经过D1,D2整流后,经过D6,R33,送至Viper12中5、6、7、8脚。启动Viper12芯片。

当viper12开通时,脉冲电压经过变压器初级线圈,C23整流成约18V左右的VDD电压,一路经D7给Viper12芯片供电;另一路给风机,IGBT供电。此外VDD电压经DW2稳压管到Viper12反馈端FB。当电压高于18V,Z90导通,则有反馈电流输入Viper12反馈端,Viper12经过内部处理判定是否到达关断电平。从而达到调整PWM目的。这也使VDD电压处在18V左右,经过C23大电容滤波稳定在18V电平。

当viper12关断时,变压器4脚电压经过D11整理形成约9V直流电压。此电压输入7805 IC后转换成5V电压个系统芯片供电。

D8是续流二极管,作用是Viper12关断时,电流经过变压器L2的2脚,负载,D8,变压器L2的1脚.形成完整回路。

L7805是电压调整IC,内置电流限制保护,热保护功能。本板电路是将10V电压转换成5V电压。

L7805简图

 

蜂鸣器报警电路

 

元件组成:BZ1,C6,U1(6脚)

采用的蜂鸣器为交流驱动。电路的驱动端口连接单片机的输出口,C6为隔直电容,当单片机驱动端口输出方波信号时,蜂鸣器鸣叫报警。采用的蜂鸣器驱动频率为4KHz,若频率合适,则蜂鸣器鸣叫声音悦耳,若频率偏低,则鸣叫声沉闷甚至不响,若频率偏高,则鸣叫声尖锐难听甚至不响。

锅具温度检测电路

 

元件组成:R28,C25,U1(12脚),热敏电阻TOP

加热锅具锅底的温度通过陶瓷板传到紧贴在其下面的热敏电阻,具有负温度特性的热敏电阻的阻值的变化间接反映了锅具温度的变化。锅具热敏电阻与R1并接后与R2分压输出信号TEMP_MAIN,根据热敏电阻的负温度特性可知,温度越高,热敏电阻阻值就越小,分压所的的电压TEMP_MAIN就越大,单片机就是通过检测TEMP_MAIN电压的变化间接检测锅具的温度的变化,从而做出相应的动作:

1、过热保护:根据不同的功能,当检测到的温度过高时,电磁炉将会停止加热或保护显示保护代码E3;

2、干烧保护:当锅具处于干烧状态时,锅具温度上升很快,电磁炉将会停止加热并显示保护代码EA;

3、热敏异常保护:当热敏电阻异常时,短路、短路或感应不到温度,电磁炉将不能启动或停止加热,同时显示保护代码;

4、工作时,单片机时刻检测锅具温度,根据锅具温度做相应的火力调整。

IGBT温度检测电路

该检测热敏电阻紧贴在IGBT散热片上面,具有负温度特性的热敏电阻的阻值的变化间接反映了IGBT温度的变化。IGBT热敏电阻与R3分压输出信号TEMP_IGBT,根据热敏电阻的负温度特性可知,温度越高,热敏电阻阻值就越小,分压所的的电压TEMP_IGBT就越大,单片机就是通过检测TEMP_IGBT电压的变化间接检测IGBT的温度的变化,从而做出相应的动作:

 

元件组成:R27,R34,C24,U1(11脚),热敏电阻RT1

1、高温保护:当检测到IGBT温度高于90℃-100℃时,电磁炉将会停止加热待到温度下降到60℃--70℃-后恢复加热;当IGBT温度高于110℃时,电磁炉将会立即停止加热并保护显示高温代码E6,保护IGBT;

2、热敏异常保护:当热敏电阻异常时,短路、短路,电磁炉将不能启动或保护显示保护代码。

风扇驱动电路

 

元件组成:D3,Q5,R20,R35,U1(6脚),风扇

风扇使用18V的风扇,电路由D3、Q5和R20,R35构成。当FAN口为高时,Q1导通,风扇工作,当FAN口为低时,Q1截止,风扇关断。由于风扇为感性负载,Q1关断后,风扇仍有电流,电流可通过D3放掉。在电磁炉很多方案中,风扇驱动控制口FAN和蜂鸣器驱动端口BUZ复用同一个单片机端口,所以,在蜂

鸣器鸣叫时输出方波,风扇会暂时减慢,但由于鸣叫时间很短(短于1S),而风扇转动时存在惯性,所以转动减慢不明显,并不影响实际效果。

主电源

 

元件组成:FUSE1,RZ1,R38,C1, BG1,L1,C4

AC220V50/60Hz交流电经过保险丝FUSE1、EMC防护电路(C1、RZ1)、整流桥BG1和滤波电路(L1、C4),得到直流电提供给主功率电路。

保险丝FUSE1在电路烧坏的情况下自动切断电磁炉与电网的连接,以保护电网。

EMC防护电路主要作用是提供品质因数、抑制骚扰电压和抗击雷电冲击。

整流桥BG1,其作用是将~220V转换成直流电压,为电磁炉谐振电路提供工作的直流电。

滤波电路由扼流线圈和滤波电容组成,将直流脉动电压转换为平滑的直流电,对后面LC振荡电路的电能转化起储能的作用,同时也防止LC振荡回路的高频电流干扰电网。

二、美的TM-S1-01D电路板电路模块分析

1、主板及显示板简介

TM-S1-01D电路板为美的电磁炉继TM-S1-01A电路板后的新一代集成方案功率板。较之于以前的非集成方案而言就是将相关比较器,放大器集成到主控芯片内部,从而使功率板外围电路更简单。美的TM-S1-01D功率主板主控芯片为美的与日本三洋合作开发的电磁炉专用控制芯片。主控芯片位于主板上,结合位于显示板上的显示芯片实现电磁炉按键操作以及显示功能。

显示芯片通信与主控芯片通信口有以下两种:

 

 

维修注意点:

1.针对炸机情况的维修

维修中如果接到客户所送维修机保险管炸裂、桥堆和IGBT烧毁,请注意以下原件的检查,以免造成上电再次炸机。

(1)请确认18V稳压二极管DW1是否损坏。详细请参看第二部分电路模块分析第(3)条。

(2)请检查滤波电容C4是否异常。如果C4电容短路,可能再次上电炸机。详细请参看第二部分电路模块分析第(10)条。

(3)请检查主控芯片U1的2脚4脚是否异常。检测方法为:万用表打在测量通路的这一档,红表笔接2脚,黑表笔接4脚,如果万用表显示为二极管特性(数显万用表约600多),则将表笔交换,如果万用表显示断路,则可通电做进一步测试维修;如果两次测量万用表显示这两脚短路,或着红表笔在4脚黑表笔在2脚时万用表显示两脚之间从在一定电阻,则说明此电路板主控芯片已损,请勿通电维修。

2.如果经检查磁炉其它部分一切良好无异常,但是整机不能加热,请检查谐振电容C5是否异常。一般谐振电容如果容值变化,外观也会有相应变化,明显变化目测可知。

如果磁炉炸机请检查滤波电容C4是否短路。检测方法为拆掉已损坏的IGBT测量C4电容两端是否短路。

以上两种情况可能会在电磁炉使用很长一段时间后出现。

3.如果发现有风机不转现象,更换风机仍然不转,请检查Q5是否正常。检测方法为:上电测量Q5与R20连接点是否电压大于3.0V,如果大于3.0V,请更换Q5。如果电压为0V,检查电阻R20是否断路,检查单片机27脚到R20之间的铜箔是否断开。

4.维修时静态测量SURGE点的电压应该小于1.4V,如果该点电压明显高于这个电压,磁炉不能正常工作,检查相应的电阻阻值有没有明显变化。钳位二极管是否对+5V短路。

5.如果整机功率偏低,可检查RK1(康铜丝)是否明显浮起或者明显受潮生锈。如果康铜丝有明显异常,可更换康铜丝检查功率。

6.维修时测量Vc静态电压应该为1.1V。如果静态电压明显大于设计值1.1V,则整机功率可能偏低或者不加热,此时需要测量相关元件电阻是否变质。一般为电阻R4阻值变小。

7.如果遇到炸机情况维修,请确认18V稳压二极管DW1是否损坏。如果稳压二极管反向不是高阻状态,则与电阻R6并联导致R6分压降低不足以维持IGBT正常导通,上电后会再次炸机。

8.Va与Vb之间静态压差必须大于100mV,否则电磁炉不能加热。

9.D8为续流二极管,型号为:BYV26C。注意与UF4007的区别,不可混用。若18V和5V电压输出异常,可查此元件。