易于使用的感應(yīng)式烹飪表面（爐灶）越來越受到消費(fèi)者的接受，因?yàn)樗鼈冏兊迷絹碓綄?shí)惠。它們明顯更安全，爐灶上沒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)。在相對簡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)字信號處理、電氣保護(hù)和隔離的幾個不同領(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）功率級及其控制信號之間

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隔離要求。本文將討論允許隔離IGBT柵極驅(qū)動器和用戶界面的創(chuàng)新解決方案。

系統(tǒng)說明

與變壓器一樣，電感元件產(chǎn)生磁場。當(dāng)將金屬鍋放置在現(xiàn)場時，會產(chǎn)生渦流。它們的能量以熱量的形式消散，導(dǎo)致鍋 - 并通過傳導(dǎo)，其內(nèi)容物 - 變得熱。從電氣角度來看，電感元件驅(qū)動有損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高效開關(guān)直流電源和一對IGBT開關(guān)產(chǎn)生。開關(guān)由微控制器驅(qū)動，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?。這可以防止損壞功率級（電感板和IGBT），從而根據(jù)需要降低電流水平以避免過流情況。

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，因此人們可能會認(rèn)為可以通過設(shè)置L和C的值來確定感應(yīng)頻率。因此，通過用戶界面選擇的不同加熱水平不能通過固定頻率進(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量，該測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)知道對應(yīng)于每個所需加熱水平的電流，只需對微控制器進(jìn)行編程以調(diào)整PWM頻率，為每個加熱水平提供適當(dāng)?shù)碾娏鳌?/p>

驅(qū)動IGBT的PWM信號的頻率通常約為20 kHz至100 kHz。考慮到IGBT的關(guān)斷特性比MOSFET慢，開關(guān)頻率被限制在幾十千赫茲。來自微控制器的PWM信號具有固定的占空比（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與微控制器和其他數(shù)字電路隔離開來。一種方法是使用隔離式IGBT驅(qū)動器?；?a href="http://www.www27dydycom.cn/tags/adi/" target="_blank">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)動器電路與傳統(tǒng)隔離解決方案相比具有許多優(yōu)勢。?

電流隔離是一種防止電流直接在兩個通信電路之間流動的方法。使用隔離有兩個主要動機(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)都會阻止電流流動，但允許兩個電路之間的數(shù)據(jù)或功率流動。

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高、時序誤差大、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，通過在變壓器線圈之間使用20μm厚的聚酰亞胺絕緣層來實(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)輸入信號轉(zhuǎn)換不存在時，該電路會更新輸出以正確對應(yīng)于輸入狀態(tài)，從而避免了分立變壓器固有的無法達(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)在五個關(guān)鍵領(lǐng)域具有優(yōu)勢：

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)動器，包括2通道ADuM1233（圖3），它在輸出和輸入之間以及兩個輸出之間提供隔離，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，可能需要一個或多個電壓轉(zhuǎn)換級。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)動器必須提供高達(dá)100 mA的峰值驅(qū)動電流，因此需要額外的增益級，如圖4所示。

圖4.使用 i耦合器隔離驅(qū)動 IGBT。

由于兩個通道之間的時序關(guān)系很重要（IGBT由反相PWM信號驅(qū)動），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)生的時序裕量可確保IGBT的完全互補(bǔ)開關(guān)，從而提高功率級和整個系統(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輸出電路之間提供真正的電流隔離。相對于輸入，每個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，微控制器與AD7147或AD7148電容式鍵盤控制器之間的接口可以通過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較低的數(shù)據(jù)速率通信，其中低成本很重要。我2C 語言僅使用兩根雙向?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。因此，來自每根導(dǎo)線的發(fā)射和接收信號必須分開，產(chǎn)生的四根導(dǎo)線用四個光耦合器隔離。此外，還需要一個專門的緩沖器來消除隔離接口內(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旁路電容和兩對上拉電阻（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，請參見AN-913應(yīng)用說明隔離 I2C 接口.

圖6.ADuM1250 雙通道熱插拔I2C 隔離器。

平移檢測

檢測感應(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。通過使用電阻分壓器對這些電壓進(jìn)行采樣，可以將代表它們的信號發(fā)送到微控制器，以檢測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，變化將相反。因此，通過使用ADCMP3xx系列比較器，將電壓變化與固定閾值進(jìn)行比較，可以檢測到電感灶上是否存在平移。如果未檢測到平移，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