IGBT在電磁感應加熱系統中的應用探討

龔輝平

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

功率器件IGBT在電磁感應加熱系統中承擔著重要的角色，應用好IGBT對加熱系統的可靠性至關重要，本文旨在根據單管并聯拓撲結構的電磁加熱系統的工作特性，探討出IGBT的應用要點。

1 IGBT基本結構及作用

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）是絕緣柵雙極晶體管的簡稱，由BJT（雙極型三極管）和MOS（絕緣柵型場效應管）組成的電壓驅動型功率器件（IGBT的結構圖如圖1所示，等效電路圖如圖2所示），IGBT集GTR導通壓降小、載流能力強、耐壓高和功率MOSFET驅動功率小、開關速度快、輸入阻抗高的優點于一身[1]。廣泛應用于電磁感應加熱、變頻電源、電機調速等場合。

圖1 IGBT的結構圖

圖2 等效電路圖

2 IGBT的關鍵參數及密勒平臺形成機理

以英飛凌IHW30N135R3為例對關鍵參數等進行說明。IGBT符號如圖3所示。

圖3 IGBT符號

2.1 最大額定值參數（見表1）

表1 最大額定值參數

為使系統達到最佳壽命及可靠性，推薦使用時以上參數的實際值不能超過最大額定參數的80 %。

2.2 電氣特性（見表2）

表2 電氣參數（Tvj=25 ℃）

從參數值可看出，IGBT的柵-射極電容Cies遠大于柵-集電極電容（密勒電容Cres）和C-E間電容Coes，Cies對IGBT的開通速度有一定的影響，它和IGBT驅動電路中的柵極電阻，會影響IGBT柵極電容的充電快慢速度，從而決定了IGBT的開關速度。

2.3 IGBT密勒平臺的形成機理

通過分析IGBT開通的6個階段來說明密勒平臺，具體見圖4、圖5。

圖4 IGBT開通時序

圖5 連接圖

階段1：IGBT的開通響應延時，滯后于PWM脈沖；

階段2：柵極電流對電容Cge進行充電，柵射極電壓Vce以較大的充電電流上升到開啟閥值電壓Vge（th），此時集電極無電流，故集電極電壓維持不變，屬于死區時間；

階段3：柵極電流對Cge和Cgc電容充電，IGBT開始開啟，集電極電流逐步增加至最大負載電流IC，同時柵極電壓也將達到密勒平臺電壓；

階段4：柵極電流繼續對Cge和Cgc電容充電，Vge完全不變，而Vce快速變化；

階段5：柵極電流繼續對Cge和Cgc電容充電，隨著Vce緩慢變化成穩態電壓，密勒電容也隨著Vce電壓的減小而增大，Vge仍舊維持在密勒平臺狀態；

階段6：柵極電流繼續對Cge充電，Vge電壓開始上升，IGBT完全打開。

在設計上需要通過監測IGBT工作時Vge波形來觀察密勒平臺的是否正常，包括密勒平臺是否存在振蕩，高頻、低頻的任何振蕩都不能允許出現，密勒平臺出現Vge的電壓稍微下降時需要確保下降的電壓最低值也大于IGBT的開啟閾值電壓Vge（th）。

3 電磁感應加熱系統

電磁感應加熱系統常見的拓撲結構有單管并聯、半橋串聯和全橋串聯三種，三種拓撲結構技術對比見表3。

表3 三種拓撲結構的電磁加熱技術對比

單管并聯方案因結構簡單、成本低，廣泛應用于家電IH飯煲和電磁爐等產品，其拓撲結構見圖6，其工作時線圈通以一個頻率在20～40 kHz之間的高頻交流電流，通過IH線圈L的高頻交流電流耦合到鍋具的底部，在鍋具底部產生高頻渦流,高頻渦流在鍋具的電阻上產生焦耳熱。本文重點基于單管方案進行IGBT的應用闡述。

圖6 單管并聯電磁感應加熱電路拓撲圖

系統工作時，通過IGBT集電極的電流和IGBT集電極承受的反壓波形見如圖7。當IGBT導通時線圈L儲能，IGBT關斷時，諧振電容C和線圈L中的能量產生諧振，向鍋具傳熱，當電壓諧振至零點附近時，IGBT再次導通。

圖7 工作波形

通過以上對單管電磁加熱系統的工作原理分析，IGBT關斷時集電極承受的反壓值和IGBT開通時刻集電極的電壓是否為零，對IGBT的可靠性至關重要。反壓值受電源電壓、加熱功率、提鍋顛鍋、浪涌等影響。IGBT開通時刻集電極的電壓受電源電壓、加熱功率、提鍋顛鍋的影響，反壓和零點導通是一個矛盾體，如何兼顧兩者是設計的難點。

4 IGBT在電磁感應加熱中應用的設計要點

在對IGBT關鍵參數和密勒平臺，電磁感應加熱電路拓撲結構和工作波形分析的基礎上，現對IGBT在電磁感應加熱系統的應用細節進行探討。

4.1 上電時序要求設計

IGBT驅動電壓VGE通常選擇+15 V左右，MCU工作電壓為+5 V或+3.3 V，MCU輸出的驅動信號不能直接驅動IGBT，在MCU和IGBT之間需要有驅動模塊進行電壓轉換。MCU復位成功前其IO口輸出的狀態不穩定，在設計上要確保MCU復位期間IGBT為關，即IGBT的門極電壓值始終小于VGE(th)最小值，否則在頻繁上電的條件下將出現IGBT燒毀的風險。

4.2 IGBT門極電阻的選擇

圖8為IGBT開關損耗的示意圖，實際情況下IGBT都會有開關延時，導致集電極電壓和電流在開通關斷的情況有一定的交叉區，陰影這一部分區域就產生了IGBT的開通和關斷損耗，陰影面積的大小受電壓、電流的斜率大小即dv/dt及di/dt的影響。

圖8 IGBT開關損耗示意圖

根據IGBT的工作原理可知門極電阻Rgon會影響dv/dt及di/dt的大小，IGBT工作時的動態損耗與門極電阻的大小成正比，即門極電阻大時，開關時候速度慢導致動態損耗也大，但開關速度慢有利于通過EMC試驗；相反同等條件下門極電阻小則動態損耗小，但dv/dt及di/dt的值大，不利于通過EMC實驗。綜上IGBT的門極電阻的選型在滿足IGBT的數據手冊推薦的前提下，兼顧溫升和EMC試驗結果，要設計上一旦出現門極電阻的阻值變化，務必在理論上分析對溫升和EMC的影響，并加以全面的實驗驗證。

4.3 IGBT驅動電路的布局和走線設計

IGBT屬于電壓驅動型器件，且存在閾值電壓,因其具有容性輸入阻抗所以IGBT對柵極電荷集聚很敏感。故對IGBT的驅動電路設計、走線的布局存在很多講究，稍有不慎可能會出現IGBT柵極的波形產生振蕩。現對IGBT及外圍器件布局和PCB板走線規則進行總結。

1）IGBT本身抗靜電能力弱，必須在柵、發射極之間就近并聯10 kΩ和雙向箝位穩壓管,穩壓管的耐壓值選型要小于IGBT允許的VGE最大值；

2）IGBT驅動部分包括MCU、驅動模塊和IGBT組成，在PCB板設計器件布局方面三部分盡可能的靠近放置，并優先保證驅動模塊和IGBT之間的距離盡可能的近；

3）PCB板上電源部分的地線要在IGBT的發射極單點接地，IGBT驅動部分的電源地必須也與IGBT的發射極單點接地連接，確保IGBT驅動信號的地與發射極等電位，避免IGBT驅動信號的穩定性；

4）IGBT的驅動部分的電源和地之間要就近放置一定容量的電解電容，比如47 uF，提高電源的穩定性；

5）IGBT驅動信號的PCB走線要盡可能的短、線寬適中，驅動信號的回路面積盡可能的小；

6）MCU輸出的IGBT驅動信號和驅動模塊之間的線路比較遠的情況下，比如超過30 mm，則在PCB走線上需要考慮等電位特殊處理，比如可考慮將MCU的地與驅動模塊的地使用一條盡可能細的走線相連接，確保存在一定的阻抗，避免大電流信號通過這條走線而干擾到MCU。

4.4 IGBT波形測試

在嚴格按照4.3中的要求布線后，要通過觀測IGBT的工作波形來驗證走線和系統參數等設計上的合理性，IGBT關鍵波形包括VGE、集電極電流IC和集電極和發射極之間的耐壓VCE，理想的波形為VGE不存在各種高低頻振蕩、密勒平臺電壓大于IGBT的開啟閾值電壓Vge（th），IGBT開啟時刻VCE等于零電壓，或接近零電壓，避免IGBT硬開通。圖9中VGE、VGE波形均屬于比較理想的情況，圖9下圖IGBT開通時稍有臺階，屬于正常現象。

圖9 IGBT的VGE和VCE波形

由單管并聯拓撲結構的特性所知，系統起振（也稱檢鍋）工作時IGBT不可避免要硬開通，在波形上需要同時監控VGE、VCE和IC才能判斷IGBT工作是否正常。通過觀察圖10中的電流IC發現，在VGE密勒平臺下降時，IGBT出現關斷重新開通的情況，這是系統所不允許的。出現這種情況通常要調整IGBT及周圍部件的布局和PCB板走線，減少環路面積、走線寄生電感，調整LC系統參數等來解決。

圖10 起振時的VGE、VCE和IC波形

4.5 IGBT檢鍋脈寬寬度的設置

通過對單管電磁加熱系統的工作原理進行分析，系統由關到開的過程，首先要啟動檢鍋邏輯，檢鍋成功一段時間后再啟動加熱，在供電電壓為額定電壓220 VAC條件下，檢鍋前IGBT集電極的電壓為310 VDC，屬于硬開通，為此檢鍋脈沖的寬度選擇很重要，脈寬太小，可能會導致檢鍋失敗，脈寬太大可能會導致IGBT導通時實時電流過大，線圈儲能過多進而反壓超標。檢鍋脈沖寬度的評估要考慮電源電壓、浪涌和EFT等實驗的情況，通常啟動脈沖寬度在10 us以內。

4.6 IGBT反壓保護閥值設計及驗證方法

應用單管LC并聯諧振拓撲結構的IH煲和電磁爐，其IGBT反壓過高擊穿是IGBT損壞的最主要原因之一，系統的IGBT反壓保護值的選取要合理，若保護值設置過高，則不能有效保護器件。保護值設置過低，則可能導致保護誤動作，甚至會出現功率上不去或異常停機。理論上建議IGBT反壓保護閥值要大于正常工作情況下的IGBT最大反壓，但要比IGBT允許的耐壓值低于100 V以上。IGBT反壓保護電路保護值不能過低，過低可能會帶來整機功率上不去或者工作異常停機。

IGBT的反壓余量控制要結合理論設計和實驗驗證，在設計階段參照國家標準GB/T 17626.5-2008或等同的IEC標準 IEC 61000-4-5進行浪涌（雷擊）抗擾度實驗時，實驗期間不但要確保整機不被損壞，而且還要全程使用示波器監控IGBT驅動信號脈寬和集電極所承受的反壓，如圖11所示，保護時刻IGBT驅動脈寬正常，集電極的反壓只有1 124 V不超過IGBT數據手冊能承受的最大耐壓值1 350 V，并有一定的余量[3]。實驗驗證條件制定要全面，需考慮一切影響反壓的條件，比如電源電壓、功率大小、提鍋或顛鍋，搖拔插座等情況，如發現反壓超出允許的值，則要考慮加大諧振電容，減小線盤電感量，降低鍋具高度等方法處理，降低反壓值，確保IGBT的工作可靠性。

圖11 IGBT的驅動VGE和VCE波形

5 總結

通過對IGBT的結構、關鍵參數和單管并聯電磁感應技術的工作原理進行分析，認知到電磁感應加熱系統中工作原理，在設計上探討上電時序、IGBT門極電阻的選型，PCB板走線和反壓保護閾值的設置等方面需要注意的細節，以及重點關注的波形及評判方法，確保IGBT在單管并聯電磁感應加熱系統可靠工作。