將電磁爐應(yīng)用的IGBT性能提升至最高

　　摘要：當(dāng)尋求將電磁爐應(yīng)用中使用的IGBT的效益提升至最高時，需要顧及幾項參數(shù)，包括IGBT的厚度及裸片尺寸等物理特性， IGBT的飽和電壓、阻斷電壓及開關(guān)損耗等電氣特性。優(yōu)化這些不同參數(shù)中的任何一種，都表示必須在某種程度上損及其它參數(shù)。因此，對于工程師而言，重要的是充分理解各種參數(shù)涉及到的權(quán)衡取舍。

　　電磁爐拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　電磁爐設(shè)計中有兩種常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即諧振半橋和準(zhǔn)諧振反激。圖1及圖2詳細(xì)描繪了這兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電源段。諧振半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通常用于多灶爐具，而準(zhǔn)諧振拓?fù)浞醇そY(jié)構(gòu)通常用于單灶爐具及煮飯煲。

　　就圖1顯示的諧振半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)而言，電容C2用作緩沖器。它調(diào)節(jié)關(guān)閉期間的集電極-射極飽和電壓(VCE)的上升速率，因而影響在此期間損耗的能量。此電容值需要在其限制尖峰的能力與晶體管開關(guān)損耗之前作出平衡，因為此節(jié)點的電壓波形接近于方波。開關(guān)波形如圖2所示。

　　這類轉(zhuǎn)換器通過改變開關(guān)頻率來控制輸出功率。它是串聯(lián)諧振電路，最低功率等級時開關(guān)頻率處于最大值。從圖3中可以看出，電流包含正弦分量，但在波形能完成其正弦過渡之前極性被切換。隨著功率等級上升，頻率下降，電流波形的峰值也上升，為負(fù)載提供更多功率，趨向更接近于真正的正弦波。在電流振蕩周期的正斜坡期間，IGBT1導(dǎo)電。在振蕩周期的負(fù)斜坡期間，IGBT2導(dǎo)電。圖2的波形顯示的是IGBT2的門極和集電極電壓。IGBT的額定阻斷電壓通常約為600V，因為它們直接連接至整流直流電壓(VDC);對于240V系統(tǒng)而言，VDC約為峰值340V。感應(yīng)的任何電壓尖峰都會被跟IGBT共同封裝的二極管鉗位。

　　圖3顯示了用于單灶電磁爐及煮飯煲的準(zhǔn)諧振反激電源段。當(dāng)IGBT導(dǎo)通時，流過IGBT及電感的電流線性上升。當(dāng)IGBT關(guān)閉時，IGBT的電流下降，下降時間由器件的關(guān)閉速度決定。這就為電流IC提供總體上呈三角形的波形。電感電流以基于L1C1時間常數(shù)的周期諧振。當(dāng)L1C1諧振儲能電路振蕩時，電路兩端的電壓呈現(xiàn)正弦波形。因此，在IGBT關(guān)閉時VCE為正弦波形。這種特殊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的諧振電壓幅度可能會高達(dá)1,000V;因此，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使用的IGBT阻斷電壓通常約為1,200V，因為IGBT的集電極連接至諧振儲能電路。

　　圖4顯示了這類轉(zhuǎn)換器的典型開關(guān)波形。這些波形在1,200W功率等級時捕獲。可以看出峰值電壓恰好低于1,000V，峰值集電極電流約為45A。這些電壓及電流電平要求大功率晶體管，如非常適合此應(yīng)用的IGBT。

　　由于單端電磁感應(yīng)系統(tǒng)使用零電壓開關(guān)(ZVS)技術(shù)，導(dǎo)電及關(guān)閉損耗將被證明極為重要。相對而言，導(dǎo)通損耗可以忽略不計，特別是在常規(guī)負(fù)載及滿載條件下。這是因為諧振儲能電感中存儲的感應(yīng)能量在中高負(fù)載時足以使IGBT集電極電壓擺動，使其為零或負(fù)值。出現(xiàn)這種情況時，跟IGBT聯(lián)合封裝的二極管導(dǎo)電，IGBT兩端的電壓為負(fù)值。由于功率損耗是電壓與電流的乘積，IGBT在此種情況下的導(dǎo)通功率損耗極小。

　　在負(fù)載變輕時，導(dǎo)通損耗相對于總功率損耗的比例顯著增大。在較輕負(fù)載條件下，LC儲能電感并未存儲足夠的感應(yīng)能量，在IGBT再次導(dǎo)通前，無法使IGBT的集電極電壓擺動。相應(yīng)地，跟IGBT聯(lián)合封裝的二極管就不導(dǎo)電，導(dǎo)通時的IGBT電壓因此也就更高。在中到大負(fù)載條件下，總功率損耗的主要成因就是導(dǎo)電及關(guān)閉損耗。

　　跟使用非穿通型(NPT)技術(shù)的IGBT相關(guān)的較高飽和電壓是目前市場上電磁爐系統(tǒng)導(dǎo)電損耗較高的主要原因。這些損耗，再加上關(guān)閉損耗及導(dǎo)通損耗，對這類應(yīng)用的IGBT總能耗有嚴(yán)重影響。相反，使用場截止技術(shù)的IGBT較低的飽和電壓使導(dǎo)電損耗能夠降低，并能降低系統(tǒng)功率消耗等級。此外，這種技術(shù)還通過降低漂移區(qū)剩余的電荷載流子的濃度，將IGBT關(guān)閉期間出現(xiàn)的損耗降至最低。安森美半導(dǎo)體的NGTB25N120IHL是一款使用場截止技術(shù)開發(fā)的IGBT器件，專門針對電磁爐應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，能夠用于為電磁爐設(shè)計構(gòu)建更強(qiáng)固、更高性價比的方案。

　　單端電磁爐使用ZVS技術(shù)，導(dǎo)電損耗及關(guān)閉損耗是IGBT總功率損耗的主導(dǎo)成分。能夠通過使IGBT設(shè)計在飽和電壓(VCE(sat))和開關(guān)速度之間提供最優(yōu)折衷取舍，來提升這些應(yīng)用中使用的IGBT的能效。使用基于場截止技術(shù)的IGBT表示能夠提供更低飽和電壓，相應(yīng)地會降低導(dǎo)電損耗。這就使這些器件非常適用于電磁爐應(yīng)用，并將促進(jìn)這些電器在全球市場大幅增多。