將電磁感應加熱應用的IGBT功率損耗降至最低

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

　　電磁感應加熱爐具(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“電磁爐”)使用電磁產(chǎn)生的熱能來(lái)烹調，其能效比我們熟悉的標準家用電熱鍋高得多。此外，由于是通過(guò)感應而非傳導來(lái)產(chǎn)生熱量 ，其安全性也被證實(shí)更高，因為任何人體部位置于炊具表面都不會(huì )被燒傷。

　　電磁感應加熱的原理

　　圖1描繪了電磁感應加熱應用使用的典型準諧振反激拓撲結構。電磁能量產(chǎn)生并使用感應方式來(lái)傳遞至鍋具。然后在鍋具中轉變?yōu)闊崮?，因而給鍋具加熱。觸發(fā)加熱過(guò)程的感應涉及到使用二極管等未受控的開(kāi)關(guān)器件來(lái)對相對低頻的交流線(xiàn)路輸入電壓進(jìn)行整流。在20 kHz至35 kH之間的頻率對整流電壓進(jìn)行開(kāi)關(guān)，提供高頻磁通量。鍋具充當耗散能量的磁心，將磁場(chǎng)轉換為熱能。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(mén)雙極晶體管(IGBT)。

　　當要產(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在電感繞組周?chē)木匦舞F氧體磁棒，進(jìn)一步增強了鍋具上這些磁通線(xiàn)的稠密度。多個(gè)小型導體的使用將趨膚效應(skin effect)減至最小，并減小了線(xiàn)圈中的感抗(IR)損耗。如圖1所示，L_R是空心電感，并沒(méi)有跟傳統鐵磁心電感相同類(lèi)型的損耗。鍋具必須采用磁性材料制造，使其能夠充當磁心。在電磁爐的開(kāi)關(guān)頻率范圍內，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)轉變?yōu)闊崮?，在鍋具中產(chǎn)生大量的熱并烹調食物。

　　阻斷電壓約為1,200 V的IGBT廣泛應用于單端感應加熱應用。IGBT在關(guān)閉期間仍承受著(zhù)高電壓，且帶有殘余電流，滋生不小的開(kāi)關(guān)損耗。在IGBT導通狀態(tài)期間，由其飽和電壓及負載電流和結溫(T_J)導致的損耗是總體功率損耗的組成部分。這些損耗降低了應用的總能效。理解這些損耗的成因并開(kāi)發(fā)可靠及相對快速的方法來(lái)測量損耗很重要，在為電磁爐設計探尋優(yōu)化的IGBT設計時(shí)尤為如此。

　　在此應用中IGBT的總功率損耗包含導通損耗、導電損耗、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，而如果使用了零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)技術(shù)，可以大幅降低導通損耗。然而，并非在電磁爐所有工作功率等級條件下都能實(shí)現ZVS。由于儲能電路(tank circuit)的一端連接至整流輸入電壓，零態(tài)開(kāi)關(guān)僅在諧振儲能電路使其電壓到達0 V的功率等級時(shí)出現。在某些輕載條件下，儲能電路電壓在IGBT的集電極不會(huì )到達0 V，因此未實(shí)現零態(tài)開(kāi)關(guān)，導通功率損耗將增加。

　　導電損耗

　　由于總功率損耗的最主要構成部分通常是導電及關(guān)閉損耗，我們現在就來(lái)更詳細地逐個(gè)審視這些損耗。IGBT平均耗散的功率的數學(xué)表達式如下所示：