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(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的產(chǎn)生、主要通過電磁爐的功率開關(guān)器件IGBT來實(shí)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(shí)際使用過程中，電磁爐出現(xiàn)故障，IGBT擊穿短路占了很大一部份比重。IGBT什么情況下會出現(xiàn)擊穿呢?如何提高IGBT的可靠性及安全性?成為電磁爐開發(fā)過程中急需解決一個(gè)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(diǎn)，具備開關(guān)速度快，通流能力強(qiáng)，輸放阻抗高，熱穩(wěn)定性好，驅(qū)動功率小，驅(qū)動電路簡單等優(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(bǔ)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(bǔ)三極管組成驅(qū)動電路，一般用于不用隔離、~IGBT的集電極電流不用過大的電路中。如需達(dá)到隔離效果，可在前端增加光耦進(jìn)行隔離，此驅(qū)動方式電路簡單、成本低，但容易出現(xiàn)IGBT導(dǎo)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(gè)變壓器達(dá)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(dá)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(dǎo)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(dá)到隔離的效果，需要增加光耦或者采用帶隔離功能的驅(qū)動芯片。

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，主要通過IGBT控制線盤的充放電來實(shí)現(xiàn)，同時(shí)由于電磁爐的線盤屬于電感器件，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(jìn)行工作：IGBT導(dǎo)通時(shí)，電流通過電感L1向線圈盤充電，線圈盤電流增加。當(dāng)IGBT截止時(shí)，線圈盤電流向電容c1充電，線圈盤電流逐慚減少，C1電壓逐漸增加，當(dāng)線圈盤電流減少至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(gè)震蕩周期。從而通過控制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)，電源對線盤進(jìn)行充電，接下來上下橋IGBT同時(shí)截止，線盤繼續(xù)對電容進(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。接下來下橋IGBT導(dǎo)通，上橋IGBT截止，電容對線盤進(jìn)行放電。接下來上下橋IGBT同時(shí)截止，線盤對上橋電容進(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(shí)導(dǎo)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(dú)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(shí)導(dǎo)通，另一對角IGBT V2、V4同時(shí)截止，電源對線盤進(jìn)行充電，電感兩端電壓不變，電流逐漸增大，接下來4個(gè)IGBT同時(shí)截止時(shí)，線盤通過阻尼二極管反向?qū)﹄娫措娙葸M(jìn)行充電，接下來其中一對角IGBTv2、v4同時(shí)導(dǎo)通，另一對角IGBTvl、v3同時(shí)截止，線盤進(jìn)行放電，接下來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(shí)導(dǎo)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(dá)到無限大。

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，在線盤放電過程中會對電容進(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)通將會產(chǎn)生很大沖擊電流，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(dá)到幾萬w。

全橋控制電路，用到4個(gè)IGBT，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(dá)到無限大，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w。由于在充電過程中電流可達(dá)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在單管電磁爐應(yīng)用的故障分析

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(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：

IGBT~環(huán)

當(dāng)IGBT溫度超過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將會出現(xiàn)熱擊穿，故IGBT必須散熱充分，以防止溫升過高。

IGBT阻尼二級管電壓擊穿

在IGBT截止，線圈盤向電容C1充電時(shí)，cl電壓將不斷上升，當(dāng)線圈盤電流減少到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(dá)到1200V以上。

IGBT電流擊穿

IGBT在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(jìn)行分析，IGBT出現(xiàn)過電流存在以下幾種情況：

上電開機(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)通時(shí)，會產(chǎn)生一個(gè)很大的電流通過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，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(fù)載出現(xiàn)變化，如此時(shí)電磁爐判斷不及時(shí)，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，只有當(dāng)其電壓接近為零或少于零的情況下，才能導(dǎo)通IGBT，否則將會出現(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(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剛開始導(dǎo)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，太大會增大IGBT剛開始導(dǎo)通時(shí)的沖擊電流，但C1又不能選擇太小，太小的話，在線盤放電期間，IGBT反壓會增大。該電容的選型需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行綜合考量。

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(qiáng)軟件設(shè)計(jì)過程中電流檢測、處理的快速性。

同步電路需采用高精度器件，器件需保證高可靠性，零點(diǎn)檢測需準(zhǔn)確，確保IGBT導(dǎo)通時(shí)，集電極電壓接近零或小于零。

IGBT選型需保證足夠的余量，如集電極電流、阻尼二極管的反壓等各個(gè)方面需保證足夠的設(shè)計(jì)余量。以保證器件的可靠運(yùn)行。

結(jié)束語

本文通過分析IGBT在電磁爐中的應(yīng)用，針對最常用的應(yīng)用方式，分析可能出現(xiàn)的各種情況，提出了有效的解決辦法，通過各種情況綜合考量，可以有效地降低IGBT的故障率，提高電磁爐的可靠性。