IGBT在電磁爐應(yīng)用研究

1、IGBT在電磁爐應(yīng)用研究引言電磁爐作為清潔衛(wèi)生、高效節(jié)能、使用方便的廚房電器，已走進(jìn)中國(guó)的千家萬(wàn)戶，為中國(guó)老百姓帶來(lái)生活上的方便，提高老百姓生活素質(zhì)。針對(duì)電磁爐普及范圍的不斷加大，電磁爐的市場(chǎng)份額也在不斷的加大，相關(guān)電磁爐的質(zhì)量也出現(xiàn)了參 差不齊的情況。電磁爐控制線圈產(chǎn)生高速交變磁場(chǎng)，高速交變磁場(chǎng)作用于鍋具產(chǎn)生渦電流，電流的焦耳熱就可以加熱食物，這種加熱方式由于減少了中間過(guò)程的熱傳導(dǎo)。從而具備相當(dāng)高的熱效率。電磁爐的控制高速交變磁場(chǎng)的產(chǎn)生、主要通過(guò)電磁爐的功率開(kāi)關(guān)器件IGBT來(lái)實(shí) 現(xiàn)，IGBT的性能及控制方式對(duì)電磁爐的質(zhì)量起到尤為 關(guān)鍵的作用。實(shí)際使用過(guò)程中，電磁爐出現(xiàn)故障，IGBT擊穿短路占

2、了很大一部份比重。IGBT什么情況下會(huì)出 現(xiàn)擊穿呢？如何提高IGBT勺可靠性及安全性？成為電磁 爐開(kāi)發(fā)過(guò)程中急需解決一個(gè)問(wèn)題。主要內(nèi)容IGBT參數(shù)IGBT屬于三端器件，具有柵極 G、集電極c及發(fā) 射極E,結(jié)合了 GTR和GTO的優(yōu)點(diǎn)，具備開(kāi)關(guān)速度快，通流能力強(qiáng)，輸放阻抗高，熱穩(wěn)定性好，驅(qū)動(dòng)功率小，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。成為中小功率電力電子設(shè)備主導(dǎo)器件。IGBT的主要參數(shù)：最大集射極間電壓，最大集電極電流，最大集電極功耗。IGBT的驅(qū)動(dòng)電路IGBT可采用以下幾種驅(qū)動(dòng)方式：分立元件驅(qū)動(dòng)方式 （互補(bǔ)三極管直接驅(qū)動(dòng)），變壓器隔離驅(qū)動(dòng)方式，專用驅(qū)動(dòng)芯片方式等。分立元件驅(qū)動(dòng)方式，用互補(bǔ)三極管組成驅(qū)動(dòng)電路，一

3、般用于不用隔離、IGBT的集電極電流不用過(guò)大的電路中。如需達(dá)到隔離效果，可在前端增加光耦進(jìn)行隔離， 此驅(qū)動(dòng)方式電路簡(jiǎn)單、成本低， 但容易出現(xiàn)IGBT導(dǎo)通與關(guān)斷過(guò)程中出現(xiàn)較大振蕩的情形，可靠性較低。變壓器隔離驅(qū)動(dòng)方式，采用一個(gè)變壓器達(dá)到芯片輸出與驅(qū)動(dòng)信號(hào)的良好隔離，此方式可以很好地達(dá)到隔離的效果，可以有效地避免IGBT高頻大電流對(duì)芯片的干擾，但由于變壓器的存在，屬于感性元件，信號(hào)的同步性不是很好。專門(mén)驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)方式，采用專用芯片驅(qū)動(dòng)IGBT，由于驅(qū)動(dòng)芯片電流驅(qū)動(dòng)能力大，關(guān)斷速度快，在IGBT 導(dǎo)通與關(guān)斷過(guò)程中振蕩較小，可靠性較高，驅(qū)動(dòng)芯片 一般不帶隔離功能，如需達(dá)到隔離的效果，需要增加 光耦或

4、者采用帶隔離功能的驅(qū)動(dòng)芯片。IGBT在電磁爐的應(yīng)用電磁爐運(yùn)行需要產(chǎn)生高速交變的磁場(chǎng)，主要通過(guò)IGBT控制線盤(pán)的充放電來(lái)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)由于電磁爐的線 盤(pán)屬于電感器件，一般應(yīng)用于電磁爐IGBT內(nèi)部都集成 了一個(gè)阻尼二極管用于續(xù)流作用，如內(nèi)部未集成阻尼二極管則需外接阻尼二極管，針對(duì)IGBT對(duì)線盤(pán)的控制將電磁爐的控制方式分為：?jiǎn)喂茈娐?、半橋電路、全橋電路幾種方式，其原理如圖1、圖 2、圖 3 所示。單管控制電路線盤(pán)與電容組成LC并聯(lián)諧振，其控制方式按照如 下方式進(jìn)行工作：IGBT導(dǎo)通時(shí)，電流通過(guò)電感L1向線 圈盤(pán)充電，線圈盤(pán)電流增加。當(dāng)IGBT截止時(shí)，線圈盤(pán) 電流向電容c1 充電，線圈盤(pán)電流逐慚減少，C1

5、 電壓逐漸增加，當(dāng)線圈盤(pán)電流減少至0 時(shí)， C1 兩端電壓達(dá)到最大。 接著 C1 向線圈盤(pán)放電，線圈盤(pán)電流從0 開(kāi)始反向增大，直至C1放電完畢，接著，由于IGBT阻尼 二極管的存在，線圈盤(pán)向C2充電，從而完成一個(gè)震蕩 周期。從而通過(guò)控制IGBT的通斷，達(dá)到產(chǎn)生一個(gè)持續(xù) 震蕩電流，從而達(dá)到加熱的目的。半橋控制電路線盤(pán)與電容組成LC串聯(lián)諧振，首先上橋IGBT導(dǎo) 通，下橋IGBT截止時(shí)，電源對(duì)線盤(pán)進(jìn)行充電，接下來(lái) 上下橋IGBT同時(shí)截止，線盤(pán)繼續(xù)對(duì)電容進(jìn)行充電，電 流逐漸變小，直至電流為零，電容兩端電壓達(dá)到最大。接下來(lái)下橋IGBT與通，上橋IGBT截止，電容對(duì)線盤(pán) 進(jìn)行放電。接下來(lái)上下橋IGBT同時(shí)

6、截止，線盤(pán)對(duì)上橋 電容進(jìn)行充電，電容下端電壓下降。從而完成一個(gè)振蕩過(guò)程。該電路IGBT驅(qū)動(dòng)需有滿足要求死區(qū)控制，防 止上下橋同時(shí)導(dǎo)通，出現(xiàn)短路現(xiàn)象。在線盤(pán)充電過(guò)程中， 線盤(pán)兩端的電壓由于串聯(lián)電容的存在，逐漸減小，電流值上升幅度逐漸減小。全橋控制電路線盤(pán)不單獨(dú)串聯(lián)或并聯(lián)電容，而是通過(guò)IGBT及內(nèi)部的阻尼二極管與電源電容形成充放電的過(guò)程，其振蕩過(guò)程如下：首先其中一對(duì)角IGBT v1 v3同時(shí)與通， 另一對(duì)角IGBT V2 V4同時(shí)截止，電源對(duì)線盤(pán)進(jìn)行充 電，電感兩端電壓不變，電流逐漸增大，接下來(lái)4 個(gè)IGBT同時(shí)截止時(shí)，線盤(pán)通過(guò)阻尼二極管反向?qū)﹄娫措?容進(jìn)行充電，接下來(lái)其中一對(duì)角IGBTv2 v4

7、同時(shí)與通， 另一對(duì)角IGBTvl v3同時(shí)截止，線盤(pán)進(jìn)行放電，接下 來(lái)4個(gè)IGBT同時(shí)截止。以上循環(huán)進(jìn)行，完成一個(gè)振蕩 過(guò)程。該電路IGBT驅(qū)動(dòng)需要滿足要求的死區(qū)控制，防止同一位置上下橋同時(shí)導(dǎo)通，出現(xiàn)短路現(xiàn)象。在線盤(pán)充電過(guò)程中，線盤(pán)兩端的電壓為電源電壓。電流理論 上可達(dá)到無(wú)限大。各種控制方式的優(yōu)缺點(diǎn)分析單管控制電路只使用一個(gè)IGBT,成本低，但LC為并聯(lián)諧振，在線盤(pán)放電過(guò)程中會(huì)對(duì)電容進(jìn)行充電，從而使IGBT反壓高，功率受到一定的限制，一般最大 功率都在3000W以下，同時(shí)需判斷IGBT的集電極電 壓是否已在零點(diǎn)或以下，如不在零點(diǎn)或以下，由于電容的存在，如此時(shí)IGBT導(dǎo)通將會(huì)產(chǎn)生很大沖擊電流，

8、從而使IGBT容易出現(xiàn)擊穿情形，使其外圍電路較復(fù)雜。半橋控制電路，使用到兩個(gè)IGBT， 成本偏中，IGBT反壓低，可以滿足大功率的開(kāi)發(fā)要求，外圍電路較簡(jiǎn)單，LC屬于串聯(lián)諧振，由于電容的存在，線盤(pán)兩端的電壓在充電過(guò)程中處于下降過(guò)程，最大電流出現(xiàn)在充電過(guò)程中電容電壓等于電源電壓，功率提升受到一定的限制，但相對(duì)單管，功率還是有較大的提高，其最大功率可達(dá)到幾萬(wàn)w。全橋控制電路，用到4個(gè)IGB1成本最高，IGBT反壓低，外圍電路簡(jiǎn)單，由于線盤(pán)在充電過(guò)程中，兩端電壓基本上等于電源電壓，故理論上，電流可達(dá)到無(wú)限大，在所有三種電路中，全橋電路可達(dá)到最大功率要求，一般最大功率可達(dá)幾十萬(wàn) Wo由于在充電過(guò)程中電流

9、可達(dá)到很大，一般需要增加限流電路以避免驅(qū)動(dòng)異常而使電流過(guò)大，出現(xiàn)IGBT擊穿的情況。IGBT&單管電磁爐應(yīng)用的故除分析由于目前大部分家用電磁爐對(duì)功率要求不是很高，為節(jié)約成本，大部分采用的為單管控制方式，由于單管電路本身存在的一些缺陷，同時(shí)由于電路的復(fù)雜性，使其控制器存在一定的不可靠性，其最大的故障出現(xiàn)在IGBT工作期間，由于控制電路本身的局限性及控制 精度，可能存在IGBT出現(xiàn)擊穿的情形，其擊穿原因可 分為以下幾種情形：IGBT4當(dāng)IGBT溫度超過(guò)100度，IGBT的集電極耐電流能 力急劇下降，當(dāng)其溫度達(dá)到200度左右時(shí)，IGBT將會(huì) 出現(xiàn)熱擊穿，故IGBT必須散熱充分，以防止溫升過(guò)高

10、。IGBT阻尼二級(jí)管電壓擊穿在IGBT截止，線圈盤(pán)向電容 C1充電時(shí)，cl電壓將不斷上升，當(dāng)線圈盤(pán)電流減少到0 時(shí)， C1 的電壓將達(dá)到最大，此時(shí)加在IGBT阻尼二極管的電壓也達(dá)到最 大,正常條件下，單管最大功率2000W左右時(shí)、反向 電壓可達(dá)到1000V左右，當(dāng)線圈電感波動(dòng)或者電源出 現(xiàn)波動(dòng)的情況下，反向電壓可能更大，所以IGBT的阻 尼二極管耐壓能力需達(dá)到1200V以上。IGBT電流擊穿IGBT&過(guò)電流工作的情況下，很容易出現(xiàn)擊穿情 況。而根據(jù)電磁爐的控制方式進(jìn)行分析，IGBT出現(xiàn)過(guò) 電流存在以下幾種情況：上電開(kāi)機(jī)IGBT導(dǎo)通瞬間，由于電容cl兩端電壓不 能出現(xiàn)突變，故在IGBT導(dǎo)

11、通時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很大的電 流通過(guò)cl至IGBT此電流可達(dá)到100A左右，此電流 如果持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，將使IGBT出現(xiàn)瞬間電流擊穿。電磁爐的滿功率運(yùn)行的電流值，此電流值將決定IGBT額定電流值的選擇，當(dāng)IGBT的電流值接近電磁爐 的最大功率運(yùn)行電流，長(zhǎng)期在此種情況下工作，IGBT的溫升較大，將影響IGBT的使用壽命。移鍋、顛鍋出現(xiàn)異常電流，由于電磁爐鍋具的不同，使用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)移鍋、顛鍋的情形，在移鍋、顛鍋過(guò)程中，由于負(fù)載出現(xiàn)變化，如此時(shí)電磁爐判斷不及時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)在鍋具移動(dòng)過(guò)程中會(huì)有異常大電流 的出現(xiàn)。同步電路檢測(cè)出現(xiàn)誤差，目前單管控制的電磁爐都需要有一同步電路來(lái)檢測(cè)IGBT集電極的電壓是否為零，只

12、有當(dāng)其電壓接近為零或少于零的情況下，才能與通IGBT否則將會(huì)出現(xiàn)IGBT集電極與發(fā)射極存在 壓差而導(dǎo)致IGBT導(dǎo)通時(shí)通過(guò)電容產(chǎn)生大電流，從而導(dǎo) 致IGBT出現(xiàn)電流擊穿。解決措施針對(duì)IGBT出現(xiàn)熱擊穿現(xiàn)象，IGBT必須散熱充分，保證正常溫升范圍。針對(duì)單管控制電磁爐存在反壓較高的情況，設(shè)計(jì)階段必須保證反壓控制在IGBT最大反壓內(nèi)，一般需要增加過(guò)壓保護(hù)電路進(jìn)行控制。由于IGBT在各種情況下都不能超過(guò)其集電極電流， 一般也需要增加限流電路以避免異常電流的出現(xiàn)。為避免在IGBT剛開(kāi)始與通時(shí)，由于電容 C1兩端電壓不能突變，而產(chǎn)生的大電流，一股 C1 的容量不能太大,太大會(huì)增大IGBT剛開(kāi)始導(dǎo)通時(shí)的沖擊電流，但C1 又不能選擇太小，太小的話，在線盤(pán)放電期間，IGBT反壓會(huì)增大。該電容的選型需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行綜合»目.考量。針對(duì)移鍋、顛鍋可能會(huì)出現(xiàn)異常大電流，一方面可通過(guò)增加限流電路來(lái)限制，另一方面得加強(qiáng)軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中電流檢測(cè)、處理的快速性。同步電路需采用高