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將電磁爐應用的IGBT性能提升至最高

作者:AlanBall 時間:2013-09-23 來源:電子產(chǎn)品世界 收藏

  摘要:當尋求將應用中使用的的效益提升至最高時,需要顧及幾項參數(shù),包括的厚度及裸片尺寸等物理特性, 的飽和電壓、阻斷電壓及開關損耗等電氣特性。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)涉及到的權衡取舍。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/170170.htm

  拓撲結構

  設計中有兩種常用的拓撲結構,即和準諧振反激。圖1及圖2詳細描繪了這兩種拓撲結構的電源段。拓撲結構通常用于多灶爐具,而準諧振拓撲反激結構通常用于單灶爐具及煮飯煲。

  就圖1顯示的拓撲結構而言,電容C2用作緩沖器。它調(diào)節(jié)關閉期間的集電極-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。開關波形如圖2所示。

  這類轉(zhuǎn)換器通過改變開關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,電流波形的也上升,為負載提供更多功率,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導電。在振蕩周期的負斜坡期間,IGBT2導電。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340V。感應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諧振反激電源段。當IGBT導通時,流過IGBT及電感的電流線性上升。當IGBT關閉時,IGBT的電流下降,下降時間由器件的關閉速度決定。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關閉時VCE為正弦波形。這種特殊拓撲結構的諧振電壓幅度可能會高達1,000V;因此,這種拓撲結構使用的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)換器的典型開關波形。這些波形在1,200W功率等級時捕獲。可以看出電壓恰好低于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,如非常適合此應用的IGBT。

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

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

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

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

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