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ADI的iCoupler技術(shù)實(shí)現電磁爐和用戶(hù)接口的安全隔離
作者：
時(shí)間：2013-04-07
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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電磁爐由于操作簡(jiǎn)單且價(jià)格低廉，已日益為消費者所接受。電磁爐不需要使用明火或者其它直接熱源，而且它們的整體性能更佳，能夠迅速加熱，安全性更高。
雖然目前電感技術(shù)得到了良好的發(fā)展和驗證，但是在設計電磁爐應用電路時(shí)，設計人員必須掌握不同范圍的物理原理和設計技術(shù)。雖然電磁爐實(shí)現的原理相對簡(jiǎn)單，但是其技術(shù)卻涉及眾多不同的領(lǐng)域，包括模擬和數字信號處理、電氣保護和隔離。
例如，安全標準規定用戶(hù)接口和電源之間的隔離，其中需要實(shí)現三個(gè)方面的隔離：
·控制邏輯所需的低壓電源的隔離
·絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）功率級與其控制信號之間的隔離
·用戶(hù)控制和系統控制器之間的隔離
一個(gè)安全的系統必須能夠滿(mǎn)足至少上述兩個(gè)條件。本文將討論幾種創(chuàng )新的解決方案，它們能夠實(shí)現IGBT門(mén)級驅動(dòng)器與用戶(hù)接口之間的隔離。
系統說(shuō)明
電感元件與變壓器類(lèi)似，能夠產(chǎn)生磁場(chǎng)。在將金屬鍋置于磁場(chǎng)中時(shí)，則會(huì )產(chǎn)生渦電流，電能轉換為熱能，通過(guò)金屬的熱傳導來(lái)加熱食物。由電學(xué)的觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，電感元件驅動(dòng)有損LC諧振電路，損耗產(chǎn)生了熱量。圖1所示電感加熱系統框圖。
圖1 電感加熱系統
電感中的電流由一個(gè)高效率的開(kāi)關(guān)直流電源和一對IGBT開(kāi)關(guān)產(chǎn)生。IGBT開(kāi)關(guān)由微控制器驅動(dòng)，微控制器響應反饋回路的信號進(jìn)行操作，反饋回路根據用戶(hù)設置的條件調整傳感器的監測，使它保持在安全限度內。
變壓器是主傳感器，它與電磁爐磁板串聯(lián)連接，監測流過(guò)磁板的電流值，以便于針對用戶(hù)選擇的烹飪選項保持適當的電流值。在必要時(shí)降低電流，以避免出現過(guò)流條件，這可以防止損壞功率級，即電磁爐的磁板和IGBT。
由于磁板、鍋和變壓器的電感和電容構成了諧振LC電路，因此某些人可能認為設定L和C的值即能夠確定感應頻率。但是，電感和電容值以及由此導致的諧振頻率取決于用戶(hù)使用的鍋的尺寸、形狀和材料。因此，通過(guò)用戶(hù)接口選擇的不同的加熱等級不能由固定頻率設定。一種更有效的方法是通過(guò)電流測量確定的功耗，以此設定加熱的等級。微控制器通過(guò)反饋回路調節電流，使其對應于用戶(hù)選擇的加熱等級。微控制器調節脈寬調制（PWM）波形的頻率，以適應鍋的特征。電磁爐的設計人員應事先了解每個(gè)加熱等級所對應的電流大小，繼而只需簡(jiǎn)單地對微控制器編程以調節PWM頻率，提供適當的電流。
驅動(dòng)IGBT的PWM信號的典型頻率范圍約20 kHz~100 kHz。相比于MOSFET，IGBT的關(guān)斷特性較慢，其開(kāi)關(guān)頻率僅為數十千赫。微控制器提供的PWM信號的占空比是固定的（如50%），通過(guò)用戶(hù)選擇的加熱等級要求的功率來(lái)調節該PWM信號的頻率。
由于在大電流電感電路中可能會(huì )產(chǎn)生大電壓，因此在系統中的關(guān)鍵位置提供電氣隔離是十分重要的。特別是電磁爐的功率級與微控制器和其它數字電路隔離。一種隔離方法是使用隔離IGBT驅動(dòng)器。與傳統的隔離解決方案相比，基于ADI公司創(chuàng )新的iCoupler?技術(shù)的低成本隔離門(mén)級驅動(dòng)器串聯(lián)電路具有很多優(yōu)點(diǎn)。
電流隔離是一種用于防止電流在兩個(gè)連通的電路之間直接流動(dòng)的技術(shù)。使用隔離的主要原因有兩個(gè)，第一個(gè)原因是在人員和設備暴露于大電壓或電流浪涌時(shí)，對他們進(jìn)行保護。第二個(gè)原因是在電路互連牽涉到不同的地電位時(shí)，避免地回路和破壞性的地電流。在這兩種情況中，隔離技術(shù)可以防止電流流動(dòng)，但是允許在兩個(gè)電路之間傳遞數據或功率。
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