電(diàn)路设计高效感应加热设计

2020-12-14

普通变压器的原理(lǐ)构成了感应加热应用(yòng)的基础。然而，尽管变压器从初级線(xiàn)圈在次级線(xiàn)圈中感应出電(diàn)流，但是感应加热器使用(yòng)初级線(xiàn)圈在烹饪容器本身中感应出電(diàn)流。这确保了所产生的加热效果精确地集中在需要的地方。正是在烹饪容器的材料中感应出的涡流导致了被称為(wèi)焦耳加热的加热效果。由磁性材料（例如，不锈钢和铁）制成的容器可(kě)提供高電(diàn)阻，而非磁性材料（例如，铝和铜）则提供较小(xiǎo)的電(diàn)阻。

由于所用(yòng)的高频，初级線(xiàn)圈中的電(diàn)流主要在导體(tǐ)的表面流动，这种特性被称為(wèi)趋肤效应。感应加热線(xiàn)圈使用(yòng)一种特殊的铜線(xiàn)，称為(wèi)利兹線(xiàn)，它由许多(duō)细的单股線(xiàn)组成。这具有(yǒu)增加線(xiàn)圈的表面积的效果，从而减小(xiǎo)了AC電(diàn)阻。

拓扑选择及其功能(néng)

拓扑选择有(yǒu)几种方法，但是由于这些应用(yòng)所针对的许多(duō)市场中的价格压力，单端并联谐振（SEPR）電(diàn)路是常见的选择（图1）。这种软开关拓扑结构利用(yòng)了一个由電(diàn)容器Cr和利兹線(xiàn)圈Lr组成的谐振储能(néng)网络。在零電(diàn)压开关（ZVS）条件下工作的IGBT与并联二极管一起完成了设计。二极管通常不集成在IGBT中，而不是采用(yòng)分(fēn)立的方法，二极管的特性可(kě)以针对此类電(diàn)路的需求进行优化。20 – 30 kHz的开关频率可(kě)确保任何噪声都在可(kě)听范围内，从而使该電(diàn)路适用(yòng)于電(diàn)磁炊具。较高的频率也可(kě)以用(yòng)作软启动功能(néng)的一部分(fēn)。

图1：单端并联谐振（SEPR）電(diàn)路通常用(yòng)于電(diàn)压谐振電(diàn)路。

電(diàn)压谐振電(diàn)路的操作分(fēn)為(wèi)四个时间段（图3），适用(yòng)于启动过程已完成（即Cr已充满電(diàn)）的情况：

T1 –周期从Q1开启开始，允许電(diàn)流从Cm流经Lr和Q1，并使電(diàn)流線(xiàn)性增加直到达到所需水平。在这段时间内，Cr两端的電(diàn)压被钳位到Cm两端的電(diàn)压。

T2 –接下来的Q1关闭，导致Lr和Cr谐振。达到的峰值谐振電(diàn)压与导通时间T1成正比。

T3 –谐振電(diàn)流的方向改变，导致Cr上的電(diàn)压降低。

T4 – Cr两端的電(diàn)压极性现在反转了。当它超过Cm两端的電(diàn)压时，電(diàn)流开始流过二极管，使Cr的极性和電(diàn)压回到Cm的极性和電(diàn)压。

图2：SEPR電(diàn)压谐振设计中的四个操作阶段。

IGBT的额定值将取决于Q1看到的電(diàn)压峰值，对于100 VAC的電(diàn)源，其VCES额定值将介于900和1200 V之间，对于220 VAC的電(diàn)源，则需要1350至1800V。

随着功率需求的增加，通常使用(yòng)使用(yòng)两个带集成二极管的IGBT的半桥電(diàn)流谐振方法（图3）。这种设计还可(kě)以支持“全金属”使用(yòng)，其中80至100 kHz的开关频率甚至可(kě)以支持非磁性烹饪容器的使用(yòng)。谐振電(diàn)路实现為(wèi)串联LC或LCR结构。 

图3：具有(yǒu)電(diàn)流谐振系列LC的感应加热器半桥電(diàn)路。

一旦启动过程完成，该電(diàn)路的操作也可(kě)以分(fēn)為(wèi)四个阶段（图4）进行描述：

T1 –上部开关Q1接通，导致電(diàn)流从電(diàn)容器Cm流入谐振電(diàn)流電(diàn)路Cr-Lr。

T2 –开关Q1关断，由于電(diàn)流从Lr流经下部开关的二极管，使Cr充電(diàn)。

T3 –开关Q2接通，允许谐振電(diàn)流从Cr通过Q2流入Lr。此时，Q2的VCE钳位在并联（或集成）二极管的正向電(diàn)压上，从而启用(yòng)ZVS。

T4 –开关Q2关断，允许续流電(diàn)流从Lr流经Cr，二极管与Q1并联以及Cm。此时，Q1的VCE类似地钳位到并联（或集成）二极管的正向電(diàn)压，从而為(wèi)下一阶段T1启用(yòng)ZVS。

图4：半桥電(diàn)流谐振设计中的四个操作阶段。

结果，峰值電(diàn)压被限制為(wèi)峰值交流输入電(diàn)压的总和，从而允许為(wèi)220 VAC的输入指定IGBT的VCES為(wèi)600至650V。由于涉及的電(diàn)流较高，因此无法将此设计与100 VAC输入一起使用(yòng)。

选择适用(yòng)于感应加热设备的IBGT

显然，对VCES两端产生的電(diàn)压的适当了解是选择IGBT的关键因素。栅极驱动電(diàn)压VGES也需要检查。通常以18 V的電(diàn)压运行以减少IGBT中的功率损耗。但是，在许多(duō)市场中，主電(diàn)源的波动有(yǒu)时高达20％，这意味着设计人员将需要确保数据表為(wèi)这些参数指示足够的裕量。诸如Rth（jc）之类的热参数為(wèi)所需的冷却概念提供了指导，同时应进行電(diàn)磁兼容性（EMC）测试，尤其是在较低测试频率下的关断。

需要审查的另一个关键方面是IC（sat）额定值，该参数与短路電(diàn)流有(yǒu)关，该短路電(diàn)流在初始加電(diàn)时流向Cr充電(diàn)，直到其電(diàn)压与Cm上的電(diàn)压匹配為(wèi)止。最后，应检查正向偏置安全工作區(qū)（FBSOA）的最大允许集電(diàn)极電(diàn)流VCE，以了解不同的脉冲宽度。

穿通（PT）IGBT是此类应用(yòng)中的首选器件，与过去的非PT类型相比，支持更高的开关频率。最新(xīn)进展使P集電(diàn)极层变薄，从而形成了称為(wèi)场截止（FS）IGBT的结构。这允许创建N层以启用(yòng)反向传导（RC）體(tǐ)二极管，从而产生RC-IGBT。它们具有(yǒu)降低的尾電(diàn)流，非常适合于软开关電(diàn)路。东芝最新(xīn)的RC-IGBT GT20N135SRA是新(xīn)一代器件，支持20 A @ 100°C和1350V。这非常适用(yòng)于2200 W中容量设备的220 VAC感应加热应用(yòng)。

与上一代器件相比，短路電(diàn)流IC（sat）在100°C时限制在150 A左右。在電(diàn)路的启动阶段，当Cr充電(diàn)时，这有(yǒu)助于减小(xiǎo)集電(diàn)极饱和電(diàn)流并抑制電(diàn)压振荡（图5）。较宽的FBSOA还意味着可(kě)以流过更高的電(diàn)流，但这必须与某些损耗转化為(wèi)热量的平衡。GT20N135SRA的最大Rth（jc）為(wèi)0.48°C / W，因此，假设在某个设备实现中IGBT需要耗散35W，则结壳温度将比上一代器件低约6°C（GT40RR21 – 0.65°C / W）。

图5：与上一代IGBT（左）相比，GT20N135SRA（右）显着改善了不带Cr时短路集電(diàn)极的饱和度，并减少了振荡（红色圆圈）

与上一代器件相比，改进的N层还使正向電(diàn)压VF降低了0.5V。定义為(wèi)25°C时的1.75 V典型值，可(kě)以减少损耗并提高效率。IGBT的关断操作使其难以满足CISPR标准，在栅极路径中需要一个電(diàn)阻来降低开关速度。但是，这导致损失增加。在与GT20N135SRA相同的桌面应用(yòng)中，如果没有(yǒu)这样的電(diàn)阻器，现在在30 MHz时可(kě)获得约10 dB的余量，从而在辐射发射和功耗之间实现了更好的权衡（图6）。 

图6：改善的关断功能(néng)可(kě)使同一设备在30 MHz时的CISPR余量提高10dB。