諧振電路中IGBT的損耗計算方法

丁娟 陳強

【摘要】介紹了電磁感應典型諧振反激電路拓撲結構，諧振電路使用絕緣雙極性晶體管（IGBT），在20KHz至35KHz之間的頻率對整流電壓進行開關，通過感應線圈提供高頻磁通量，該諧振電路的主要組件有電感及負載、諧振電容、IGBT。IGBT部件通態和開關狀態下均滋生不小的損耗，這些損耗降低了系統的總能效。因此，通過理解這些損耗的形成過程，并結合軟件工具，計算了實例諧振電路中IGBT損耗數據。

【關鍵詞】IGBT;損耗;諧振;高頻

引言

目前絕緣雙極性晶體管（IGBT）廣泛應用在單端感應加熱系統中，IGBT在其諧振電路中作為開關，使電路實現高頻振蕩，振蕩頻率可達20KHz-35KHz。在高頻開關狀態下，IGBT的損耗會影響系統的能效，且IGBT的散熱設計對系統的可靠性也至關重要。因此，準確快速地計算IGBT工作時的損耗可解決實際應用中的重要問題。

本文運用MATHCAD軟件，對單端感應加熱諧振電路中IGBT的損耗進行計算，分析了在具體情況下IGBT的通態和開關損耗。

1.單端諧振電路拓撲結構分析

圖1為單端感應加熱諧振電路拓撲結構，電路對輸入的低頻交流電壓進行整流，拓撲結構由帶負載電感、諧振電容及IGBT組成，通過IGBT的開通關斷以實現高頻振蕩。此應用中IGBT的總功率損耗包含導通損耗、導電損耗、關閉損耗及二極管損耗。在IGBT開通時實現了零電壓開關（ZVS），可以大幅降低損耗。然而，并不是在所有的工作條件下都能實現ZVS。

圖1 單端感應加熱諧振電路拓撲結構

圖2為IGBT零電壓開通波形，此時在在最佳負載下，IGBT是在零電流、零電壓下開關，并且在所有開關模式下，IGBT關閉總是軟關閉（也就是Vce總按正弦上升），此時IGBT開關損耗最小。但在非最佳負載時，IGBT仍然在零電流時開通，但不會在零電壓時開通。此時，需要計算這些非最佳工作狀態的損耗。

圖2 IGBT零電壓開通波形

2.單個IGBT損耗計算

在IGBT每個導通周期按0.1us步長采樣，采樣點上電流為：

（1）

上式中：I——設定的最高電流;tonne=0sec，

0.1us…，IGBT開關周期內按0.1us步長取值步進計算;fp——IGBT開關頻率;fn——交流電頻率;

k=1，2…，交流電一個包絡內開關次數;Ton——IGBT一個周期內開通時間。

根據，電流與電壓、IGBT開通時間成

比例，代表該周期內電流最大上升

為多少，代表取樣點時間相對于該周期內導通時間的比例，則電流參數i（k，tonne）即代表第k個周期內采樣點電流。

則取樣點上電流可按照下式計算：

（2）

則用MATHCAD軟件對交流電包絡第60個周期內的電流情況作圖，得到圖3所示圖形。

圖3 交流電包絡第60個周期內的電流

IGBT上電流有效值為：

（3）

電流有效值是根據功率來定義的，而功率是單位時間（1s）內的能量，所以有效值也是單位時間內的均方根。

3.實例數據分析

3.1 Vf與Vce相量化

MATHCAD軟件運用MOD（number，divisor）函數對函數重新定義，式中Number 為計算余數時做被除數的實數，Divisor在計算余數時做除數的實數，則重新得到如下公式。

（4）

用MATHCAD軟件采集了交流電整流后的半個包絡如圖4所示，橫軸為k，縱軸為。

圖4 交流電整流后的半個包絡圖

3.2 實例損耗計算

在MATHCAD中用線性插值函數計算得到，通態時C極電壓與IGBT電流關系：

（5）

第k個周期內，各采樣點上通態損耗功率：

（6）

第k個周期內，通態損耗能量：

（7）

單位時間（1s）通態損耗的能量，即通態損耗功率：

（8）

由線性插值函數得到關斷損耗與IGBT電流關系：

（9）

每秒關斷損耗能量，即關斷損耗功率：

（10）

諧振電路中使用了模塊IHW20N120R3，查閱其Datasheet文檔得到IGBT開通時電流與C極電壓（飽和壓降）對應關系的數據樣本如下：

關斷損耗與關斷電流對應關系的數據樣本如下：

在最佳負載狀態時，將對應各參數樣本帶入MATHCAD軟件計算所得結果：

P總=P.vs+P.condT=21.3W

4.結論

根據諧振電路工作時實際效率及功率測試結果，在開通電流最大為60A時，IGBT部件的總功耗小于25W，與上述計算結果非常接近。因此，上述IGBT損耗計算方法可作為實際工程設計的參考依據，用來進行器件選型和散熱設計。

參考文獻

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作者簡介：丁娟（1982—），女，湖北隨州人，工學碩士，研究方向：電磁感應技術及智能控制。