易于使用的感應(yīng)式烹飪表面（爐灶）越來(lái)越受到消費(fèi)者的接受，因?yàn)樗鼈冏兊迷絹?lái)越實(shí)惠。它們明顯更安全，爐灶上沒(méi)有火焰或其他直接熱源，并且具有更好的整體性能，包括更快的加熱時(shí)間。

盡管感應(yīng)技術(shù)已經(jīng)得到充分的基礎(chǔ)和驗(yàn)證，但驅(qū)動(dòng)感應(yīng)板的設(shè)備設(shè)計(jì)（導(dǎo)致金屬鍋加熱）需要設(shè)計(jì)人員了解各種物理原理和設(shè)計(jì)技術(shù)。在相對(duì)簡(jiǎn)單的電感爐灶框圖的表面之下，所需的技術(shù)包括模擬和數(shù)字信號(hào)處理、電氣保護(hù)和隔離的幾個(gè)不同領(lǐng)域。

例如，安全標(biāo)準(zhǔn)要求用戶界面和電源之間隔離。有三個(gè)主要的隔離位點(diǎn)：

用于控制邏輯的低壓電源

在絕緣柵雙極晶體管（IGBT）功率級(jí)及其控制信號(hào)之間

在用戶控件和系統(tǒng)控制器之間

安全系統(tǒng)必須至少滿足其中兩個(gè)隔離要求。本文將討論允許隔離IGBT柵極驅(qū)動(dòng)器和用戶界面的創(chuàng)新解決方案。

系統(tǒng)說(shuō)明

與變壓器一樣，電感元件產(chǎn)生磁場(chǎng)。當(dāng)將金屬鍋放置在現(xiàn)場(chǎng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生渦流。它們的能量以熱量的形式消散，導(dǎo)致鍋 - 并通過(guò)傳導(dǎo)，其內(nèi)容物 - 變得熱。從電氣角度來(lái)看，電感元件驅(qū)動(dòng)有損LC諧振電路，損耗產(chǎn)生熱量。圖1顯示了感應(yīng)加熱系統(tǒng)的元件。

圖1.感應(yīng)加熱系統(tǒng)。

電感電流波形由一個(gè)高效開(kāi)關(guān)直流電源和一對(duì)IGBT開(kāi)關(guān)產(chǎn)生。開(kāi)關(guān)由微控制器驅(qū)動(dòng)，微控制器響應(yīng)反饋環(huán)路，迫使傳感器監(jiān)控的條件與用戶建立的設(shè)置相對(duì)應(yīng)，并保持在安全范圍內(nèi)。

主傳感器是與感應(yīng)板串聯(lián)的變壓器，用于監(jiān)控通過(guò)感應(yīng)板的電流值，以便為所選烹飪水平保持適當(dāng)?shù)碾娏髦怠＿@可以防止損壞功率級(jí)（電感板和IGBT），從而根據(jù)需要降低電流水平以避免過(guò)流情況。

由于電感板、平移和變壓器的電感和電容構(gòu)成了諧振LC電路，因此人們可能會(huì)認(rèn)為可以通過(guò)設(shè)置L和C的值來(lái)確定感應(yīng)頻率。因此，通過(guò)用戶界面選擇的不同加熱水平不能通過(guò)固定頻率進(jìn)行設(shè)置。設(shè)置這些工作電平的更有效方法是基于電流測(cè)量，該測(cè)量提供了耗散功率的度量。反饋環(huán)路允許微控制器調(diào)整電流水平以對(duì)應(yīng)于所選的加熱水平。微控制器調(diào)整脈寬調(diào)制 （PWM） 波形的頻率以適應(yīng)平移。感應(yīng)爐灶設(shè)計(jì)人員已經(jīng)知道對(duì)應(yīng)于每個(gè)所需加熱水平的電流，只需對(duì)微控制器進(jìn)行編程以調(diào)整PWM頻率，為每個(gè)加熱水平提供適當(dāng)?shù)碾娏鳌?/p>

驅(qū)動(dòng)IGBT的PWM信號(hào)的頻率通常約為20 kHz至100 kHz。考慮到IGBT的關(guān)斷特性比MOSFET慢，開(kāi)關(guān)頻率被限制在幾十千赫茲。來(lái)自微控制器的PWM信號(hào)具有固定的占空比（例如50%）;其頻率將根據(jù)用戶選擇的加熱水平所需的功率進(jìn)行調(diào)整。

由于大電流電感電路中可能產(chǎn)生高電壓，因此在系統(tǒng)的關(guān)鍵點(diǎn)提供電氣隔離非常重要。特別是，必須將電感灶的功率級(jí)與微控制器和其他數(shù)字電路隔離開(kāi)來(lái)。一種方法是使用隔離式IGBT驅(qū)動(dòng)器。基于ADI創(chuàng)新i耦合器技術(shù)的一系列低成本隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器電路與傳統(tǒng)隔離解決方案相比具有許多優(yōu)勢(shì)。?

電流隔離是一種防止電流直接在兩個(gè)通信電路之間流動(dòng)的方法。使用隔離有兩個(gè)主要?jiǎng)訖C(jī)。首先是保護(hù)可能暴露在高工作電壓或電流浪涌中的人員和設(shè)備。第二是避免接地環(huán)路和破壞性接地電流，其中互連涉及不同的接地電位。在這兩種情況下，隔離技術(shù)都會(huì)阻止電流流動(dòng)，但允許兩個(gè)電路之間的數(shù)據(jù)或功率流動(dòng)。

我耦合器技術(shù)（圖2）是一種基于變壓器的隔離方法。它集成了微變壓器和電子電路，具有光耦合器、分立變壓器和半導(dǎo)體技術(shù)的所有優(yōu)點(diǎn)，但沒(méi)有光耦合器和分立變壓器的缺點(diǎn)。光耦合器的限制包括功耗過(guò)高、時(shí)序誤差大、數(shù)據(jù)速率限制和溫度敏感性。在基于耦合器的產(chǎn)品中，通過(guò)在變壓器線圈之間使用20μm厚的聚酰亞胺絕緣層來(lái)實(shí)現(xiàn)滿足安全機(jī)構(gòu)要求的絕緣。它能夠?qū)崿F(xiàn)大于 5 kV rms 的隔離額定值。該技術(shù)使用獲得專利的刷新電路，當(dāng)輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換不存在時(shí)，該電路會(huì)更新輸出以正確對(duì)應(yīng)于輸入狀態(tài)，從而避免了分立變壓器固有的無(wú)法達(dá)到正確的直流電平。

圖2.i耦合器技術(shù)的剖析。

i耦合器技術(shù)在五個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域具有優(yōu)勢(shì)：

集成（尺寸/成本）

性能

功耗

易于使用

可靠性

使用i耦合器技術(shù)隔離IGBT

我耦合器技術(shù)可用于一系列隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器，包括2通道ADuM1233（圖3），它在輸出和輸入之間以及兩個(gè)輸出之間提供隔離，因此可用于隔離IGBT的控制。

圖3.ADuM1233的功能圖

輸入電路的電源由隔離電源提供，可能需要一個(gè)或多個(gè)電壓轉(zhuǎn)換級(jí)。微控制器和系統(tǒng)其余部分需要5 V電源，IGBT電路需要15 V才能高效運(yùn)行。i耦合器隔離柵極驅(qū)動(dòng)器必須提供高達(dá)100 mA的峰值驅(qū)動(dòng)電流，因此需要額外的增益級(jí)，如圖4所示。

圖4.使用 i耦合器隔離驅(qū)動(dòng) IGBT。

由于兩個(gè)通道之間的時(shí)序關(guān)系很重要（IGBT由反相PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)），因此與LED和光電二極管相比，i耦合器技術(shù)的速度、穩(wěn)定性和可靠性特別有利。圖5中的曲線顯示，在100 V至1 V輸出和12.18 V至4.5 V輸入電源范圍內(nèi)，兩個(gè)通道上升沿的傳播延遲匹配約5 ps，下降沿的傳播延遲優(yōu)于5 ns。

圖5.傳播延遲通道匹配與電源電壓的關(guān)系。

a） 輸出電源。（b） 投入供應(yīng)。

由此產(chǎn)生的時(shí)序裕量可確保IGBT的完全互補(bǔ)開(kāi)關(guān)，從而提高功率級(jí)和整個(gè)系統(tǒng)的效率。

如前所述，ADuM1233在輸入電路和器件輸出之間以及兩個(gè)輸出電路之間提供真正的電流隔離。相對(duì)于輸入，每個(gè)隔離輸出的工作電壓最高可達(dá)±700 V，從而支持低側(cè)電源的負(fù)電壓（圖4中的–HV）。高壓側(cè)和低壓側(cè)電源軌（+HV和–HV）之間的差異不得大于700 V;但是，這與通常用于為感應(yīng)烹飪供電的電壓軌兼容。

采用i耦合器技術(shù)隔離用戶界面

如果使用電容式鍵盤(pán)，微控制器與AD7147或AD7148電容式鍵盤(pán)控制器之間的接口可以通過(guò)SPI（串行外設(shè)接口，源自摩托羅拉）或I串行實(shí)現(xiàn)。2C（內(nèi)部集成電路，飛利浦半導(dǎo)體商標(biāo)）。雙向 I?2C 接口用于短距離上相對(duì)較低的數(shù)據(jù)速率通信，其中低成本很重要。我2C 語(yǔ)言僅使用兩根雙向?qū)Ь€即可實(shí)現(xiàn)低成本。然而，這種低成本優(yōu)勢(shì)被否定了，當(dāng)2C總線與光耦合器隔離，光耦合器是單向的，不能處理雙向信號(hào)。因此，來(lái)自每根導(dǎo)線的發(fā)射和接收信號(hào)必須分開(kāi)，產(chǎn)生的四根導(dǎo)線用四個(gè)光耦合器隔離。此外，還需要一個(gè)專門的緩沖器來(lái)消除隔離接口內(nèi)的鎖定和毛刺。額外的組件增加了成本和復(fù)雜性，并且占用了寶貴的電路板空間。

i耦合器技術(shù)提供的集成隔離解決方案以低成本降低了空間要求和設(shè)計(jì)復(fù)雜性。圖1250所示的ADuM6和ADuM1251實(shí)現(xiàn)了真正的雙向隔離，并集成了一個(gè)緩沖器以消除毛刺和鎖相。這種全面集成度將所需的外部元件限制為兩個(gè)旁路電容和兩對(duì)上拉電阻（在 I 中指定2C 標(biāo)準(zhǔn)）— 并提供 I2低成本的C接口。有關(guān)應(yīng)用這些器件的詳細(xì)信息，請(qǐng)參見(jiàn)AN-913應(yīng)用說(shuō)明隔離 I2C 接口.

圖6.ADuM1250 雙通道熱插拔I2C 隔離器。

平移檢測(cè)

檢測(cè)感應(yīng)灶上平底鍋的存在很重要。IGBT必須管理連接到其集電極（+HV）的高壓軌。通過(guò)使用電阻分壓器對(duì)這些電壓進(jìn)行采樣，可以將代表它們的信號(hào)發(fā)送到微控制器，以檢測(cè)IGBT集電極上電壓的任何變化。如果用戶選擇加熱水平并將平底鍋放在感應(yīng)灶上，則由此產(chǎn)生的能量傳輸和電流尖峰將在集電極上產(chǎn)生電壓變化，從而在電阻分壓器輸出端產(chǎn)生電壓變化。當(dāng)平底鍋從感應(yīng)灶上取下時(shí)，變化將相反。因此，通過(guò)使用ADCMP3xx系列比較器，將電壓變化與固定閾值進(jìn)行比較，可以檢測(cè)到電感灶上是否存在平移。如果未檢測(cè)到平移，則向微控制器發(fā)送中斷，微控制器將調(diào)整PWM頻率，直到IGBT停止向電感元件提供電流。這提供了額外的安全性，以防用戶忘記關(guān)閉感應(yīng)爐灶。

結(jié)論

電感式烹飪技術(shù)是ADI公司耦合器數(shù)字隔離器件眾多實(shí)用應(yīng)用中的一個(gè)示例。如今，i耦合器產(chǎn)品系列可用于一般數(shù)字隔離和專業(yè)應(yīng)用。

審核編輯：郭婷