將電磁感應(yīng)加熱應(yīng)用的IGBT功率損耗降至較低

作者：安森美半導(dǎo)體 Alan Ball

近年來(lái)，人們使用的電器產(chǎn)品數(shù)量不斷增多，致使每個(gè)家庭內(nèi)的總能耗穩(wěn)步上升，不僅大多數(shù)西方國(guó)家是這樣，新興國(guó)家亦是如此。與這些能耗相關(guān)的成本也已經(jīng)增加，因?yàn)槿剂腺Y源變得更為緊缺，公用事業(yè)公司因此而漲價(jià)。為了將從電網(wǎng)獲得的功率提升至較高，并因此使電費(fèi)賬單支出受控及減少碳排放，付出更多努力來(lái)為室內(nèi)環(huán)境開發(fā)更高能效的電器就至關(guān)重要了。

電磁感應(yīng)加熱爐具(以下簡(jiǎn)稱“電磁爐”)使用電磁產(chǎn)生的熱能來(lái)烹調(diào)，其能效比我們熟悉的標(biāo)準(zhǔn)家用電熱鍋高得多。此外，由于是通過(guò)感應(yīng)而非傳導(dǎo)來(lái)產(chǎn)生熱量 ，其安全性也被證實(shí)更高，因?yàn)槿魏稳梭w部位置于炊具表面都不會(huì)被燒傷。

電磁感應(yīng)加熱的原理

圖1描繪了電磁感應(yīng)加熱應(yīng)用使用的典型準(zhǔn)諧振反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。電磁能量產(chǎn)生并使用感應(yīng)方式來(lái)傳遞至鍋具。然后在鍋具中轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮�，因而給鍋具加熱。觸發(fā)加熱過(guò)程的感應(yīng)涉及到使用二極管等未受控的開關(guān)器件來(lái)對(duì)相對(duì)低頻的交流線路輸入電壓進(jìn)行整流。在20 kHz至35 kH之間的頻率對(duì)整流電壓進(jìn)行開關(guān)，提供高頻磁通量。鍋具充當(dāng)耗散能量的磁心，將磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換為熱能。產(chǎn)生及傳遞此熱能的主要組件就是鍋具、電感、諧振電容及絕緣門雙極晶體管(IGBT)。

圖1：電磁爐的單端拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)框圖

當(dāng)要產(chǎn)生將熱能傳遞給鍋具所要求的磁場(chǎng)時(shí)，電感繞組的幾何尺寸極為重要。電感繞組為螺旋形，并在水平面彼此纏繞。這種配置增加了磁通量的表面積，并使加熱過(guò)程具有更高能效。通過(guò)使用以相等間距布設(shè)在電感繞組周圍的矩形鐵氧體磁棒，進(jìn)一步增強(qiáng)了鍋具上這些磁通線的稠密度。多個(gè)小型導(dǎo)體的使用將趨膚效應(yīng)(skin effect)減至較小，并減小了線圈中的感抗(IR)損耗。如圖1所示，LR是空心電感，并沒有跟傳統(tǒng)鐵磁心電感相同類型的損耗。鍋具必須采用磁性材料制造，使其能夠充當(dāng)磁心。在電磁爐的開關(guān)頻率范圍內(nèi)，鍋具的厚度極大地影響磁心的能效，而渦電流損耗很大。這些損耗將磁場(chǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽�在鍋具中產(chǎn)生大量的熱并烹調(diào)食物。

阻斷電壓約為1,200 V的IGBT廣泛應(yīng)用于單端感應(yīng)加熱應(yīng)用。IGBT在關(guān)閉期間仍承受著高電壓，且?guī)в袣堄嚯娏�，滋生不小的開關(guān)損耗。在IGBT導(dǎo)通狀態(tài)期間，由其飽和電壓及負(fù)載電流和結(jié)溫(TJ)導(dǎo)致的損耗是總體功率損耗的組成部分。這些損耗降低了應(yīng)用的總能效。理解這些損耗的成因并開發(fā)可靠及相對(duì)快速的方法來(lái)測(cè)量損耗很重要，在為電磁爐設(shè)計(jì)探尋優(yōu)化的IGBT設(shè)計(jì)時(shí)尤為如此。

在此應(yīng)用中IGBT的總功率損耗包含導(dǎo)通損耗、導(dǎo)電損耗、關(guān)閉損耗及二極管損耗。二極管損耗在總功率損耗中所占比例可以忽略不計(jì)，而如果使用了零電壓開關(guān)(ZVS)技術(shù)，可以大幅降低導(dǎo)通損耗。然而，并非在電磁爐所有工作功率等級(jí)條件下都能實(shí)現(xiàn)ZVS。由于儲(chǔ)能電路(tank circuit)的一端連接至整流輸入電壓，零態(tài)開關(guān)僅在諧振儲(chǔ)能電路使其電壓到達(dá)0 V的功率等級(jí)時(shí)出現(xiàn)。在某些輕載條件下，儲(chǔ)能電路電壓在IGBT的集電極不會(huì)到達(dá)0 V，因此未實(shí)現(xiàn)零態(tài)開關(guān)，導(dǎo)通功率損耗將增加。

導(dǎo)電損耗

由于總功率損耗的較主要構(gòu)成部分通常是導(dǎo)電及關(guān)閉損耗，我們現(xiàn)在就來(lái)更詳細(xì)地逐個(gè)審視這些損耗。IGBT平均耗散的功率的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下所示：

由此可見，導(dǎo)電損耗取決于負(fù)載電流、VCE(sat)及占空比。飽和電壓VCE(sat)的值并不恒定，而是隨著時(shí)間變化。導(dǎo)電損耗還取決于負(fù)載電流及IGBT的TJ值。此電磁爐應(yīng)用中，控制電路以與烹調(diào)功率需求成直接比例的方式改變占空比。相應(yīng)地，烹調(diào)功率等級(jí)較高時(shí)導(dǎo)電損耗就處在較大值，因?yàn)榈仁?中的所有參數(shù)在此功率等級(jí)時(shí)都呈現(xiàn)出其較大值。

圖2：VCE(sat) 及ICE的變化曲線

圖2顯示了TJ = 67 °C條件下VCE(sat)及ICE在在選定開關(guān)周期內(nèi)的變化。圖2中的數(shù)據(jù)是從在市場(chǎng)上購(gòu)得的電磁爐獲得的，它使用一個(gè)鉗位電路來(lái)測(cè)量VCE(sat)。當(dāng)IGBT關(guān)閉時(shí)，此電路在10 V時(shí)鉗位VCE，使示波器能夠使用每小格低電壓值(volt/div)的設(shè)置，這樣才能精確地測(cè)量VCE。

圖3：關(guān)閉損耗測(cè)量結(jié)果

關(guān)閉損耗

從圖3中可以清晰地看到電磁爐的關(guān)閉損耗波形。影響這些損耗的因素包括IGBT殘余電流、VCE歪曲率及開關(guān)頻率。殘余電流來(lái)自于IGBT關(guān)閉后漂移區(qū)留下的少量載流子。影響這些少量電荷載流子結(jié)合率的因素包括摻雜深度、緩沖層厚度及使用的摻雜技術(shù)。開關(guān)頻率由所要求的炊具功率等級(jí)及應(yīng)用的開關(guān)控制算法決定。重要的是在設(shè)計(jì)及開發(fā)過(guò)程的每一個(gè)階段確認(rèn)目標(biāo)應(yīng)用中的IGBT性能。性能的確認(rèn)可以通過(guò)測(cè)量應(yīng)用中IGBT損耗來(lái)實(shí)現(xiàn)。

電磁爐已經(jīng)被證明擁有比傳統(tǒng)電熱鍋高出約25%的能效。在軟開關(guān)電磁爐應(yīng)用中，當(dāng)尋求為系統(tǒng)指定IGBT時(shí)，導(dǎo)電損耗及關(guān)閉損耗是要考慮的較重要損耗，它們?cè)诳傮w損耗中占主要比例。精確地測(cè)量這些損耗，能夠幫助在系統(tǒng)開發(fā)過(guò)程期間提供必要的數(shù)據(jù)來(lái)評(píng)估IGBT性能，因而確保將能效等級(jí)提升至較高。

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