电磁感应加热应用的IGBT功率损耗降至最低的方案

近年来，人们使用的电器产品数量不断增加，导致每个家庭的总能耗稳步上升，不仅在大多数西方国家，而且在新兴国家。与这些能耗相关的成本也增加了，因为燃料资源变得更加稀缺，公用事业公司提高了价格。为了最大限度地提高从电网获得的电力，控制和减少电费账单支出的碳排放，为室内环境开发更高能效的电器至关重要。

电磁感应加热炉（以下简称电磁炉)用电磁产生的热能烹饪，其能效远高于我们熟悉的标准家用电热锅。此外，由于热量是通过感应而不是传导产生的，其安全性得到了更高的证实，因为炊具表面的任何人体部位都不会被烧伤。

电磁感应加热的原理

图1描述了电磁感应加热应用中使用的典型准谐振反激拓扑结构。电磁能量产生并通过感应传输到锅中。然后在锅中转化为热能，从而加热锅。触发加热过程的感应涉及使用二极管等无法控制的开关设备来整流相对低频交流线路的输入电压。在20 kHz至35 kH整流电压之间的频率开关，提供高频磁通量。锅具作为消耗能量的磁心，将磁场转化为热能。产生和传递这种热能的主要部件是锅、电感、谐振电容和绝缘门的双极晶体管(IGBT)。

当产生将热能传递给锅所需磁场时，电感绕组的几何尺寸非常重要。电感绕组为螺旋形，并在水平面上相互缠绕。该配置增加了磁通量的表面积，并使加热过程具有更高的能效。矩形铁氧体磁棒用于电感绕组周围的等距间距，进一步提高了锅上这些磁线的密度。使用多个小导体会产生皮肤效应(skin effect)尽量减少线圈中的感抗(IR)损失如图1所示，LR它是一种空心电感，没有与传统铁磁心电感相同类型的损失。锅必须由磁性材料制成，才能充当磁心。在电磁炉的开关频率范围内，锅的厚度极大地影响了磁心的能效，而涡流电流损很大。这些损失将磁场转化为热能，在锅中产生大量的热量并烹饪食物。

阻断电压约为1，200 V的IGBT广泛应用于单端感应加热。IGBT在关闭过程中，它仍然承受着高电压和残余电流，导致开关损耗大。IGBT在导通状态下，饱和电压、负载电流和结温(TJ)损失是整体功率损失的一部分。这些损失降低了应用程序的总能效。了解这些损失的原因，开发可靠和相对快速的方法来测量损失是非常重要的，并探索电磁炉设计的优化IGBT尤其是在设计上。

在此应用中IGBT总功率损耗包括导电损耗、导电损耗、关闭损耗和二极管损耗。如果使用零电压开关，则可以忽略二极管损耗在总功率损耗中的比例(ZVS)该技术可以大大降低导通损耗。然而，并非所有电磁炉的工作功率等级都能实现ZVS。由于储能电路(tank circuit)一端连接到整流输入电压，零态开关只在谐振储能电路中使其电压达到0 V当功率等级出现时。储能电路电压在某些轻载条件下IGBT集电极不会达到0 V，因此，如果不实现零态开关，导通功率损耗将增加。

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导电损耗

由于总功率损耗的主要组成部分通常是导电和关闭损耗，我们现在将逐一更详细地检查这些损耗。IGBT数学表达式的平均耗散功率如下：

对于导电损耗，此等式可改写为以下等式：

由此可见，导电损耗取决于负载电流，VCE(sat)及占空比。饱和电压VCE(sat)值不是恒定的，而是随着时间的推移而变化的。导电损耗也取决于负载电流和IGBT的TJ值。在该电磁炉的应用中，控制电路以与烹饪功率需求成直接比例的方式发生变化。因此，当烹饪功率等级最高时，导电损失处于最大值，因为等式 2中的所有参数都显示在这个功率等级中的最大值。

图2显示了TJ = 67 °C条件下VCE(sat)及ICE在选定开关周期内的变化。图2中的数据来自市场上购买的电磁炉。它使用钳位电路测量 VCE(sat)。当IGBT关闭时，10 V时钳位VCE，示波器可以使用每小格的低压值(volt/div)只有这样准确测量设置VCE。

关闭损耗

从图3中可以清楚地看到电磁炉关闭损耗波形。影响这些损失的因素包括IGBT残余电流、VCE扭曲率和开关频率。IGBT关闭后漂移区留下的少量载流子。影响这些少量电荷载流子结合率的因素包括掺杂深度、缓冲层厚度及使用的掺杂技术。开关频率由所要求的炊具功率等级及应用的开关控制算法决定。重要的是在设计及开发过程的每一个阶段确认目标应用中的IGBT性能。通过测量应用程序可以确认性能IGBT实现损失。

电磁炉已被证明比传统电热锅具有约25%的能效。在软开关电磁炉的应用中，当寻求指定系统时IGBT导电损失和关闭损失是最重要的损失，它们占总体损失的主要比例。准确测量这些损失有助于在系统开发过程中提供必要的数据进行评估IGBT因此，确保能效水平最高化。