IGBT在电磁感应加热系统中的应用探讨

2021-06-22龚辉平

日用电器 2021年5期

关键词：集电极单管栅极

龚辉平

（珠海格力电器股份有限公司珠海 519070）

引言

功率器件IGBT在电磁感应加热系统中承担着重要的角色，应用好IGBT对加热系统的可靠性至关重要，本文旨在根据单管并联拓扑结构的电磁加热系统的工作特性，探讨出IGBT的应用要点。

1 IGBT基本结构及作用

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）是绝缘栅双极晶体管的简称，由BJT（双极型三极管）和MOS（绝缘栅型场效应管）组成的电压驱动型功率器件（IGBT的结构图如图1所示，等效电路图如图2所示），IGBT集GTR导通压降小、载流能力强、耐压高和功率MOSFET驱动功率小、开关速度快、输入阻抗高的优点于一身[1]。广泛应用于电磁感应加热、变频电源、电机调速等场合。

图1 IGBT的结构图

图2 等效电路图

2 IGBT的关键参数及密勒平台形成机理

以英飞凌IHW30N135R3为例对关键参数等进行说明。IGBT符号如图3所示。

图3 IGBT符号

2.1 最大额定值参数（见表1）

表1 最大额定值参数

为使系统达到最佳寿命及可靠性，推荐使用时以上参数的实际值不能超过最大额定参数的80 %。

2.2 电气特性（见表2）

表2 电气参数（Tvj=25 ℃）

从参数值可看出，IGBT的栅-射极电容Cies远大于栅-集电极电容（密勒电容Cres）和C-E间电容Coes，Cies对IGBT的开通速度有一定的影响，它和IGBT驱动电路中的栅极电阻，会影响IGBT栅极电容的充电快慢速度，从而决定了IGBT的开关速度。

2.3 IGBT密勒平台的形成机理

通过分析IGBT开通的6个阶段来说明密勒平台，具体见图4、图5。

图4 IGBT开通时序

图5 连接图

阶段1：IGBT的开通响应延时，滞后于PWM脉冲；

阶段2：栅极电流对电容Cge进行充电，栅射极电压Vce以较大的充电电流上升到开启阀值电压Vge（th），此时集电极无电流，故集电极电压维持不变，属于死区时间；

阶段3：栅极电流对Cge和Cgc电容充电，IGBT开始开启，集电极电流逐步增加至最大负载电流IC，同时栅极电压也将达到密勒平台电压；

阶段4：栅极电流继续对Cge和Cgc电容充电，Vge完全不变，而Vce快速变化；

阶段5：栅极电流继续对Cge和Cgc电容充电，随着Vce缓慢变化成稳态电压，密勒电容也随着Vce电压的减小而增大，Vge仍旧维持在密勒平台状态；

阶段6：栅极电流继续对Cge充电，Vge电压开始上升，IGBT完全打开。

在设计上需要通过监测IGBT工作时Vge波形来观察密勒平台的是否正常，包括密勒平台是否存在振荡，高频、低频的任何振荡都不能允许出现，密勒平台出现Vge的电压稍微下降时需要确保下降的电压最低值也大于IGBT的开启阈值电压Vge（th）。

3 电磁感应加热系统

电磁感应加热系统常见的拓扑结构有单管并联、半桥串联和全桥串联三种，三种拓扑结构技术对比见表3。

表3 三种拓扑结构的电磁加热技术对比

单管并联方案因结构简单、成本低，广泛应用于家电IH饭煲和电磁炉等产品，其拓扑结构见图6，其工作时线圈通以一个频率在20～40 kHz之间的高频交流电流，通过IH线圈L的高频交流电流耦合到锅具的底部，在锅具底部产生高频涡流,高频涡流在锅具的电阻上产生焦耳热。本文重点基于单管方案进行IGBT的应用阐述。

图6 单管并联电磁感应加热电路拓扑图

系统工作时，通过IGBT集电极的电流和IGBT集电极承受的反压波形见如图7。当IGBT导通时线圈L储能，IGBT关断时，谐振电容C和线圈L中的能量产生谐振，向锅具传热，当电压谐振至零点附近时，IGBT再次导通。

图7 工作波形

通过以上对单管电磁加热系统的工作原理分析，IGBT关断时集电极承受的反压值和IGBT开通时刻集电极的电压是否为零，对IGBT的可靠性至关重要。反压值受电源电压、加热功率、提锅颠锅、浪涌等影响。IGBT开通时刻集电极的电压受电源电压、加热功率、提锅颠锅的影响，反压和零点导通是一个矛盾体，如何兼顾两者是设计的难点。

4 IGBT在电磁感应加热中应用的设计要点

在对IGBT关键参数和密勒平台，电磁感应加热电路拓扑结构和工作波形分析的基础上，现对IGBT在电磁感应加热系统的应用细节进行探讨。

4.1 上电时序要求设计

IGBT驱动电压VGE通常选择+15 V左右，MCU工作电压为+5 V或+3.3 V，MCU输出的驱动信号不能直接驱动IGBT，在MCU和IGBT之间需要有驱动模块进行电压转换。MCU复位成功前其IO口输出的状态不稳定，在设计上要确保MCU复位期间IGBT为关，即IGBT的门极电压值始终小于VGE(th)最小值，否则在频繁上电的条件下将出现IGBT烧毁的风险。

4.2 IGBT门极电阻的选择

图8为IGBT开关损耗的示意图，实际情况下IGBT都会有开关延时，导致集电极电压和电流在开通关断的情况有一定的交叉区，阴影这一部分区域就产生了IGBT的开通和关断损耗，阴影面积的大小受电压、电流的斜率大小即dv/dt及di/dt的影响。

图8 IGBT开关损耗示意图

根据IGBT的工作原理可知门极电阻Rgon会影响dv/dt及di/dt的大小，IGBT工作时的动态损耗与门极电阻的大小成正比，即门极电阻大时，开关时候速度慢导致动态损耗也大，但开关速度慢有利于通过EMC试验；相反同等条件下门极电阻小则动态损耗小，但dv/dt及di/dt的值大，不利于通过EMC实验。综上IGBT的门极电阻的选型在满足IGBT的数据手册推荐的前提下，兼顾温升和EMC试验结果，要设计上一旦出现门极电阻的阻值变化，务必在理论上分析对温升和EMC的影响，并加以全面的实验验证。

4.3 IGBT驱动电路的布局和走线设计

IGBT属于电压驱动型器件，且存在阈值电压,因其具有容性输入阻抗所以IGBT对栅极电荷集聚很敏感。故对IGBT的驱动电路设计、走线的布局存在很多讲究，稍有不慎可能会出现IGBT栅极的波形产生振荡。现对IGBT及外围器件布局和PCB板走线规则进行总结。

1）IGBT本身抗静电能力弱，必须在栅、发射极之间就近并联10 kΩ和双向箝位稳压管,稳压管的耐压值选型要小于IGBT允许的VGE最大值；

2）IGBT驱动部分包括MCU、驱动模块和IGBT组成，在PCB板设计器件布局方面三部分尽可能的靠近放置，并优先保证驱动模块和IGBT之间的距离尽可能的近；

3）PCB板上电源部分的地线要在IGBT的发射极单点接地，IGBT驱动部分的电源地必须也与IGBT的发射极单点接地连接，确保IGBT驱动信号的地与发射极等电位，避免IGBT驱动信号的稳定性；

4）IGBT的驱动部分的电源和地之间要就近放置一定容量的电解电容，比如47 uF，提高电源的稳定性；

5）IGBT驱动信号的PCB走线要尽可能的短、线宽适中，驱动信号的回路面积尽可能的小；

6）MCU输出的IGBT驱动信号和驱动模块之间的线路比较远的情况下，比如超过30 mm，则在PCB走线上需要考虑等电位特殊处理，比如可考虑将MCU的地与驱动模块的地使用一条尽可能细的走线相连接，确保存在一定的阻抗，避免大电流信号通过这条走线而干扰到MCU。

4.4 IGBT波形测试

在严格按照4.3中的要求布线后，要通过观测IGBT的工作波形来验证走线和系统参数等设计上的合理性，IGBT关键波形包括VGE、集电极电流IC和集电极和发射极之间的耐压VCE，理想的波形为VGE不存在各种高低频振荡、密勒平台电压大于IGBT的开启阈值电压Vge（th），IGBT开启时刻VCE等于零电压，或接近零电压，避免IGBT硬开通。图9中VGE、VGE波形均属于比较理想的情况，图9下图IGBT开通时稍有台阶，属于正常现象。

图9 IGBT的VGE和VCE波形

由单管并联拓扑结构的特性所知，系统起振（也称检锅）工作时IGBT不可避免要硬开通，在波形上需要同时监控VGE、VCE和IC才能判断IGBT工作是否正常。通过观察图10中的电流IC发现，在VGE密勒平台下降时，IGBT出现关断重新开通的情况，这是系统所不允许的。出现这种情况通常要调整IGBT及周围部件的布局和PCB板走线，减少环路面积、走线寄生电感，调整LC系统参数等来解决。

图10 起振时的VGE、VCE和IC波形

4.5 IGBT检锅脉宽宽度的设置

通过对单管电磁加热系统的工作原理进行分析，系统由关到开的过程，首先要启动检锅逻辑，检锅成功一段时间后再启动加热，在供电电压为额定电压220 VAC条件下，检锅前IGBT集电极的电压为310 VDC，属于硬开通，为此检锅脉冲的宽度选择很重要，脉宽太小，可能会导致检锅失败，脉宽太大可能会导致IGBT导通时实时电流过大，线圈储能过多进而反压超标。检锅脉冲宽度的评估要考虑电源电压、浪涌和EFT等实验的情况，通常启动脉冲宽度在10 us以内。

4.6 IGBT反压保护阀值设计及验证方法

应用单管LC并联谐振拓扑结构的IH煲和电磁炉，其IGBT反压过高击穿是IGBT损坏的最主要原因之一，系统的IGBT反压保护值的选取要合理，若保护值设置过高，则不能有效保护器件。保护值设置过低，则可能导致保护误动作，甚至会出现功率上不去或异常停机。理论上建议IGBT反压保护阀值要大于正常工作情况下的IGBT最大反压，但要比IGBT允许的耐压值低于100 V以上。IGBT反压保护电路保护值不能过低，过低可能会带来整机功率上不去或者工作异常停机。

IGBT的反压余量控制要结合理论设计和实验验证，在设计阶段参照国家标准GB/T 17626.5-2008或等同的IEC标准 IEC 61000-4-5进行浪涌（雷击）抗扰度实验时，实验期间不但要确保整机不被损坏，而且还要全程使用示波器监控IGBT驱动信号脉宽和集电极所承受的反压，如图11所示，保护时刻IGBT驱动脉宽正常，集电极的反压只有1 124 V不超过IGBT数据手册能承受的最大耐压值1 350 V，并有一定的余量[3]。实验验证条件制定要全面，需考虑一切影响反压的条件，比如电源电压、功率大小、提锅或颠锅，摇拔插座等情况，如发现反压超出允许的值，则要考虑加大谐振电容，减小线盘电感量，降低锅具高度等方法处理，降低反压值，确保IGBT的工作可靠性。