將電磁爐應用的IGBT性能提升至最高

　　摘要：當尋求將電磁爐應用中使用的IGBT的效益提升至最高時，需要顧及幾項參數，包括IGBT的厚度及裸片尺寸等物理特性， IGBT的飽和電壓、阻斷電壓及開關損耗等電氣特性。優化這些不同參數中的任何一種，都表示必須在某種程度上損及其它參數。因此，對于工程師而言，重要的是充分理解各種參數涉及到的權衡取舍。

　　電磁爐拓撲結構

　　電磁爐設計中有兩種常用的拓撲結構，即諧振半橋和準諧振反激。圖1及圖2詳細描繪了這兩種拓撲結構的電源段。諧振半橋拓撲結構通常用于多灶爐具，而準諧振拓撲反激結構通常用于單灶爐具及煮飯煲。

　　就圖1顯示的諧振半橋拓撲結構而言，電容C2用作緩沖器。它調節關閉期間的集電極-射極飽和電壓(VCE)的上升速率，因而影響在此期間損耗的能量。此電容值需要在其限制尖峰的能力與晶體管開關損耗之前作出平衡，因為此節點的電壓波形接近于方波。開關波形如圖2所示。

　　這類轉換器通過改變開關頻率來控制輸出功率。它是串聯諧振電路，最低功率等級時開關頻率處于最大值。從圖3中可以看出，電流包含正弦分量，但在波形能完成其正弦過渡之前極性被切換。隨著功率等級上升，頻率下降，電流波形的峰值也上升，為負載提供更多功率，趨向更接近于真正的正弦波。在電流振蕩周期的正斜坡期間，IGBT1導電。在振蕩周期的負斜坡期間，IGBT2導電。圖2的波形顯示的是IGBT2的門極和集電極電壓。IGBT的額定阻斷電壓通常約為600V，因為它們直接連接至整流直流電壓(VDC);對于240V系統而言，VDC約為峰值340V。感應的任何電壓尖峰都會被跟IGBT共同封裝的二極管鉗位。

　　圖3顯示了用于單灶電磁爐及煮飯煲的準諧振反激電源段。當IGBT導通時，流過IGBT及電感的電流線性上升。當IGBT關閉時，IGBT的電流下降，下降時間由器件的關閉速度決定。這就為電流IC提供總體上呈三角形的波形。電感電流以基于L1C1時間常數的周期諧振。當L1C1諧振儲能電路振蕩時，電路兩端的電壓呈現正弦波形。因此，在IGBT關閉時VCE為正弦波形。這種特殊拓撲結構的諧振電壓幅度可能會高達1,000V;因此，這種拓撲結構使用的IGBT阻斷電壓通常約為1,200V，因為IGBT的集電極連接至諧振儲能電路。

　　圖4顯示了這類轉換器的典型開關波形。這些波形在1,200W功率等級時捕獲。可以看出峰值電壓恰好低于1,000V，峰值集電極電流約為45A。這些電壓及電流電平要求大功率晶體管，如非常適合此應用的IGBT。

　　由于單端電磁感應系統使用零電壓開關(ZVS)技術，導電及關閉損耗將被證明極為重要。相對而言，導通損耗可以忽略不計，特別是在常規負載及滿載條件下。這是因為諧振儲能電感中存儲的感應能量在中高負載時足以使IGBT集電極電壓擺動，使其為零或負值。出現這種情況時，跟IGBT聯合封裝的二極管導電，IGBT兩端的電壓為負值。由于功率損耗是電壓與電流的乘積，IGBT在此種情況下的導通功率損耗極小。

　　在負載變輕時，導通損耗相對于總功率損耗的比例顯著增大。在較輕負載條件下，LC儲能電感并未存儲足夠的感應能量，在IGBT再次導通前，無法使IGBT的集電極電壓擺動。相應地，跟IGBT聯合封裝的二極管就不導電，導通時的IGBT電壓因此也就更高。在中到大負載條件下，總功率損耗的主要成因就是導電及關閉損耗。

　　跟使用非穿通型(NPT)技術的IGBT相關的較高飽和電壓是目前市場上電磁爐系統導電損耗較高的主要原因。這些損耗，再加上關閉損耗及導通損耗，對這類應用的IGBT總能耗有嚴重影響。相反，使用場截止技術的IGBT較低的飽和電壓使導電損耗能夠降低，并能降低系統功率消耗等級。此外，這種技術還通過降低漂移區剩余的電荷載流子的濃度，將IGBT關閉期間出現的損耗降至最低。安森美半導體的NGTB25N120IHL是一款使用場截止技術開發的IGBT器件，專門針對電磁爐應用進行了優化，能夠用于為電磁爐設計構建更強固、更高性價比的方案。

　　單端電磁爐使用ZVS技術，導電損耗及關閉損耗是IGBT總功率損耗的主導成分。能夠通過使IGBT設計在飽和電壓(VCE(sat))和開關速度之間提供最優折衷取舍，來提升這些應用中使用的IGBT的能效。使用基于場截止技術的IGBT表示能夠提供更低飽和電壓，相應地會降低導電損耗。這就使這些器件非常適用于電磁爐應用，并將促進這些電器在全球市場大幅增多。