1、IGBT在電磁爐應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，已走進中國的千家萬戶，為中國老百姓帶來生活上的方便，提高老百姓生活素質(zhì)。針對電磁爐普及范圍的不斷加大，電磁爐的市場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，高速交變磁場作用于鍋具產(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程的熱傳導。從而具備相當高的熱效率。電磁爐的控制高速交變磁場的產(chǎn)生、主要通過電磁爐的功率開關(guān)器件IGBT來實 現(xiàn)，IGBT的性能及控制方式對電磁爐的質(zhì)量起到尤為 關(guān)鍵的作用。實際使用過程中，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 爐開發(fā)過程中急需解決一個問題。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，具備開關(guān)速度快，通流能力強，輸放阻抗高，熱穩(wěn)定性好，驅(qū)動功率小，驅(qū)動電路簡單等優(yōu)點。成為中小功率電力電子設(shè)備主導器件。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)動電路IGBT可采用以下幾種驅(qū)動方式：分立元件驅(qū)動方式 （互補三極管直接驅(qū)動），變壓器隔離驅(qū)動方式，專用驅(qū)動芯片方式等。分立元件驅(qū)動方式，用互補三極管組成驅(qū)動電路，一

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

4、者采用帶隔離功能的驅(qū)動芯片。IGBT在電磁爐的應用電磁爐運行需要產(chǎn)生高速交變的磁場，主要通過IGBT控制線盤的充放電來實現(xiàn)，同時由于電磁爐的線 盤屬于電感器件，一般應用于電磁爐IGBT內(nèi)部都集成 了一個阻尼二極管用于續(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IGBT對線盤的控制將電磁爐的控制方式分為：單管電路、半橋電路、全橋電路幾種方式，其原理如圖1、圖 2、圖 3 所示。單管控制電路線盤與電容組成LC并聯(lián)諧振，其控制方式按照如 下方式進行工作：IGBT導通時，電流通過電感L1向線 圈盤充電，線圈盤電流增加。當IGBT截止時，線圈盤 電流向電容c1 充電，線圈盤電流逐慚減少，C1

5、 電壓逐漸增加，當線圈盤電流減少至0 時， C1 兩端電壓達到最大。 接著 C1 向線圈盤放電，線圈盤電流從0 開始反向增大，直至C1放電完畢，接著，由于IGBT阻尼 二極管的存在，線圈盤向C2充電，從而完成一個震蕩 周期。從而通過控制IGBT的通斷，達到產(chǎn)生一個持續(xù) 震蕩電流，從而達到加熱的目的。半橋控制電路線盤與電容組成LC串聯(lián)諧振，首先上橋IGBT導 通，下橋IGBT截止時，電源對線盤進行充電，接下來 上下橋IGBT同時截止，線盤繼續(xù)對電容進行充電，電 流逐漸變小，直至電流為零，電容兩端電壓達到最大。接下來下橋IGBT與通，上橋IGBT截止，電容對線盤 進行放電。接下來上下橋IGBT同時

6、截止，線盤對上橋 電容進行充電，電容下端電壓下降。從而完成一個振蕩過程。該電路IGBT驅(qū)動需有滿足要求死區(qū)控制，防 止上下橋同時導通，出現(xiàn)短路現(xiàn)象。在線盤充電過程中， 線盤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。全橋控制電路線盤不單獨串聯(lián)或并聯(lián)電容，而是通過IGBT及內(nèi)部的阻尼二極管與電源電容形成充放電的過程，其振蕩過程如下：首先其中一對角IGBT v1 v3同時與通， 另一對角IGBT V2 V4同時截止，電源對線盤進行充 電，電感兩端電壓不變，電流逐漸增大，接下來4 個IGBT同時截止時，線盤通過阻尼二極管反向?qū)﹄娫措?容進行充電，接下來其中一對角IGBTv2 v4

7、同時與通， 另一對角IGBTvl v3同時截止，線盤進行放電，接下 來4個IGBT同時截止。以上循環(huán)進行，完成一個振蕩 過程。該電路IGBT驅(qū)動需要滿足要求的死區(qū)控制，防止同一位置上下橋同時導通，出現(xiàn)短路現(xiàn)象。在線盤充電過程中，線盤兩端的電壓為電源電壓。電流理論 上可達到無限大。各種控制方式的優(yōu)缺點分析單管控制電路只使用一個IGBT,成本低，但LC為并聯(lián)諧振，在線盤放電過程中會對電容進行充電，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，同時需判斷IGBT的集電極電 壓是否已在零點或以下，如不在零點或以下，由于電容的存在，如此時IGBT導通將會產(chǎn)生很大沖擊電流，

8、從而使IGBT容易出現(xiàn)擊穿情形，使其外圍電路較復雜。半橋控制電路，使用到兩個IGBT， 成本偏中，IGBT反壓低，可以滿足大功率的開發(fā)要求，外圍電路較簡單，LC屬于串聯(lián)諧振，由于電容的存在，線盤兩端的電壓在充電過程中處于下降過程，最大電流出現(xiàn)在充電過程中電容電壓等于電源電壓，功率提升受到一定的限制，但相對單管，功率還是有較大的提高，其最大功率可達到幾萬w。全橋控制電路，用到4個IGB1成本最高，IGBT反壓低，外圍電路簡單，由于線盤在充電過程中，兩端電壓基本上等于電源電壓，故理論上，電流可達到無限大，在所有三種電路中，全橋電路可達到最大功率要求，一般最大功率可達幾十萬 Wo由于在充電過程中電流

9、可達到很大，一般需要增加限流電路以避免驅(qū)動異常而使電流過大，出現(xiàn)IGBT擊穿的情況。IGBT&單管電磁爐應用的故除分析由于目前大部分家用電磁爐對功率要求不是很高，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，同時由于電路的復雜性，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IGBT溫度超過100度，IGBT的集電極耐電流能 力急劇下降，當其溫度達到200度左右時，IGBT將會 出現(xiàn)熱擊穿，故IGBT必須散熱充分，以防止溫升過高

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

11、通時，會產(chǎn)生一個很大的電 流通過cl至IGBT此電流可達到100A左右，此電流 如果持續(xù)時間長，將使IGBT出現(xiàn)瞬間電流擊穿。電磁爐的滿功率運行的電流值，此電流值將決定IGBT額定電流值的選擇，當IGBT的電流值接近電磁爐 的最大功率運行電流，長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，使用過程中會出現(xiàn)移鍋、顛鍋的情形，在移鍋、顛鍋過程中，由于負載出現(xiàn)變化，如此時電磁爐判斷不及時，將會出現(xiàn)在鍋具移動過程中會有異常大電流 的出現(xiàn)。同步電路檢測出現(xiàn)誤差，目前單管控制的電磁爐都需要有一同步電路來檢測IGBT集電極的電壓是否為零，只

12、有當其電壓接近為零或少于零的情況下，才能與通IGBT否則將會出現(xiàn)IGBT集電極與發(fā)射極存在 壓差而導致IGBT導通時通過電容產(chǎn)生大電流，從而導 致IGBT出現(xiàn)電流擊穿。解決措施針對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。針對單管控制電磁爐存在反壓較高的情況，設(shè)計階段必須保證反壓控制在IGBT最大反壓內(nèi)，一般需要增加過壓保護電路進行控制。由于IGBT在各種情況下都不能超過其集電極電流， 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剛開始與通時，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,太大會增大IGBT剛開始導通時的沖擊電流，但C1 又不能選擇太小，太小的話，在線盤放電期間，IGBT反壓會增大。該電容的選型需根據(jù)實際情況進行綜合»目.考量。針對移鍋、顛鍋可能會出現(xiàn)異常大電流，一方面可通過增加限流電路來限制，另一方面得加強軟件設(shè)計過程中電流檢測、處理的快速性。同步電路需采用高