Toshiba IGBT于电磁感应应用

近年来，人们使用的家电产品数量不断增多，致使每个家庭内的总能耗稳步上升，这些能耗相关的成本也已经增加，因为燃料资源变得更为紧缺，公用事业公司因此而涨价。为了将从电网获得的功率提升至最高及减少碳排放，付出更多努力来为室内环境开发更高能效的电器就至关重要了。家电中的炊具如电磁炉、电饭煲和微波炉更是常用的产品。这类产品都使用到电磁感应加热技术，节电原理是使金属被加热体自身发热，并且可以根据具体情况在加热体外部包裹一定的隔热保温材料，这样就大大减少了热量的散失，提高了热效率，因此节电效果十分显着，可达30%～80%以上。

       电磁感应现象是指放在变化磁通量中的导体，会产生电动势。此电动势称为感应电动势或感生电动势，若将此导体闭合成一回路，则该电动势会驱使电子流动，形成感应电流。电磁感应加热的原理是感应加热电源产生的交变电流通过线圈产生交变磁场，导磁性物体置于其中切割交变磁力线，从而在物体内部产生交变的电流即涡流，涡流使物体内部的原子高速无规则运动，原子互相碰撞、摩擦而产生热能，从而起到加热物品的效果。即是通过把电能转化为磁能，使被加热钢体感应到磁能而发热的一种加热方式。这种方式它从根本上解决了电热片，电热圈等电阻式通过热传导方式加热的效率低下问题。
   
       以下以电磁炉为例，加热线圈在电路的驱动下形成高频交变电流，根据电磁感应原理，交变电流通过加热线圈时就产生出交变的磁场，即线圈中的电流变化会产生变化的磁感线，这些磁感线对铁质的软磁性灶具进行磁化，这样就使灶具的底部形成了许多由磁感线感应出的涡流，这些涡流又由于灶具本身的阻抗将电能转化为热能，从而实现对食物的加热。

        为了使加热的效率提高，目前电磁炉都采用高频方式。交流220V变化的频率是50Hz，变成直流以后通过谐振电容器和加热线圈产生谐振，通过门控管的控制使它形成高频开关振荡的电压。当开关脉冲的频率和谐振的频率相同时，整个电路的谐振就形成了振荡，加热线圈内就形成了高频振荡的电流，此时所产生的磁感线就是高频的磁感线，磁感线辐射出去使铁质锅底产生涡流。加热线圈是产生强磁场的器件。工作时，交流220V电压经桥式整流堆整流滤波后输出300V直流，送到加热线圈，加热线圈与谐振电容器形成高频谐振，将直流300V变成高频的振荡电压，该电压可以达到一千多伏。 

       下图为电磁炉电路结构方框图。从图中可以看到，加热线圈是由2个IGBT组成的控制电路控制的。在加热线圈的两端并联有电容器C1，这个电容器就是高频谐振电容器，在外电压的作用下，高频谐振电容器的两端会形成高频信号。这种采用2个IGBT的方式可以提高工作频率，同时也可以减少功率消耗。

        IGBT控制的脉冲频率就是加热线圈的工作频率，这个频率一般来讲应该和电路的谐振频率是一致的，这样才能形成一个良好的振荡条件，所以对电容器的电容量大小，线圈的电感量大小都有一定的要求。IGBT控制的脉冲频率是由PWM脉冲产生电路产生的。脉冲信号对门控管开和关的时间进行控制。一个脉冲周期内，门控管导通时间越长，加热线圈输出功率就越大，反之，门控管导通的时间越短，加热线圈输出的功率就越小，通过这种方式控制门控管的工作，即可实现火力的调整。目前，对PWM脉冲产生电路的控制都是采用微处理器(CPU)的控制方式，微处理器为控制核心，会根据用户的要求对PWM脉冲产生电路进行控制，从而实现对加热线圈功率的控制，以满足加热所需的功率要求。电磁能量用感应方式来传递至锅具。然后在锅具中转变为热能，因而给锅具加热。触发加热过程的感应在20-40KHz的频率对整流电压进行开关，提供高频磁通量。锅具充当耗散能量的磁心，将磁场转换为热能。 

       当要产生将热能传递给锅具所要求的磁场时，电感绕组的几何尺寸极为重要。电感绕组为螺旋形，并在水平面彼此缠绕。这种配置增加了磁通量的表面积，并使加热过程具有更高能效。通过使用以相等间距布设在电感绕组周围的矩形铁氧体磁棒，进一步增强了锅具上这些磁通线的稠密度。多个小型导体的使用将趋肤效应减至最小，并减小了线圈中的感抗损耗。锅具必须采用磁性材料制造，使其能够充当磁心。在电磁炉的开关频率范围内，锅具的厚度极大地影响磁心的能效，而涡电流损耗很大。这些损耗将磁场转变为热能，在锅具中产生大量的热并烹调食物。

        IGBT可以简单理解成一种高性能的开关管，在很多需要变流的场所使用，比如变频器，电源电路等，就是一个可以快速开启和断开电压电流的电子开关。电磁炉之所以使用它，是因为电磁炉需要把普通的50HZ交流电，变成高频交流电，先把50HZ的交流电，整流成直流稳压滤波，然后通过IGBT去通断电流，这样让线圈上产生了高频的电流，进而实现了加热需要。如果普通的继电器能实现这么快的高频开关动作，继电器也能完成这个功能，但是因为没有这么快，所以需要用IGBT来实现了，请关注容济点火器，可以进一步理解成一种特殊的三极管，从外形来看，单管IGBT也和一般的大功率三极管是非常像的。从内部结构来看，它也是利用双极型三极管（BJT）和绝缘栅型场效应管（MOS）来改进组成的新型管子，这样它就具备了GTR的低导通压降和MOS管的高输入阻抗的优点了。因为MOS管是电压驱动，功耗低，频率快，但是导通的压降比较大，整体载流密度低，而且耐压不高。GTR管子是电流驱动，载流密度高，但是饱和压降比较低了，综合起来后，IGBT就在变流上有了两种管子的优点，在一些高频高压场合得到广泛应用。阻断电压约为1,200 V的IGBT广泛应用于单端感应加热应用。IGBT在关闭期间仍承受着高电压，且带有残余电流，产生不小的开关损耗。在IGBT导通状态期间，由其饱和电压及负载电流和结温(Tj)导致的损耗降低了应用的总能效。
 
        IGBT的总功率损耗包含导通损耗、传导损耗、关闭损耗及二极管损耗。二极管损耗在总功率损耗中所占比例可以忽略不计，而如果使用了零电压切换技术，可以大幅降低导通损耗。然而，并非在电磁炉所有工作功率等级条件下都能实现零电压切换。由于储能电路的一端连接至整流输入电压，零电压切换仅在谐振储能电路使其电压到达0 V的功率等级时出现。在某些轻载条件下，储能电路电压在IGBT的集电极不会到达0 V，因此未实现零电压切换，导通功率损耗将增加。总功率损耗的最主要构成部分通常是传导及关闭损耗，IGBT平均耗散的功率的表达式如下：


可以改写为如下等式：



       传导损耗取决于负载电流、VCE(sat)及占空比。饱和电压VCE(sat)的值并不恒定，而是随着时间变化。传导损耗还取决于负载电流及IGBT的TJ值。功率需求成直接比例的方式改变占空比，功率最高时传导损耗為最大值。影响关闭损耗的因素包括IGBT残余电流、VCE歪曲率及开关频率。残余电流来自于IGBT关闭后漂移区留下的少量载流子。影响这些少量电荷载流子结合率的因素包括掺杂深度、缓冲层厚度及使用的掺杂技术。

传统电阻加热缺点 :

热损失大：是由电阻丝绕制，圈的内外双面发热，其内面（紧贴料筒部分）的热传导到料筒上，而外面的热量大部分散失到空气中，造成电能的直接损失、浪费。环境温度上升： 由于热量大量散失，周围环境温度升高，尤其是夏天对生产环境影响很大，现场工作温度有的已经超过了45度，不得不采用空调降低温度，这又造成能源的二次浪费。使用寿命短、维修量大： 电热管由于采用电阻丝发热，其加热温度高达300度左右，热滞后较大，不易精确控温，电阻丝容易因高温老化而烧断。常用电热圈使用寿命约半年，因此，维修的工作量相对较大。

电磁感应加热优势 : 

寿命长：电磁加热因线圈本身基本不会产生热量，寿命长，无需检修，无维护更换成本；加热部分采用环形线圈结构，线圈本身不会产生热量，并可承受500℃以上高温，使用寿命高达10年。不需维护，后期基本无维护费用。安全可靠： 料筒外壁经高频电磁作用发热，热量利用充分，基本无散失。热量聚集于加热体内部，电磁线圈表面温度略高于室温，可以安全触摸，无需高温防护，安全可靠。高效节能： 采用内热加热方式，加热体内部分子直接感应磁能而生热，热启动非常快，平均预热时间比电阻圈加热方式缩短60%以上，同时热效率高达90%以上，在同等条件下，比电阻圈加热节电30—70%。准确控温： 线圈本身不发热，热阻滞小、热惯性低，温度控制实时准确，绝缘性好： 电磁线圈为定制专用耐高温高压特种电缆线绕制，绝缘性能好，无需与罐体外壁直接接触，绝无漏电，短路故障，安全无忧。

       东芝推出的一款额定值为1350V／30A的分立IGBT—GT30N135SRA，主要适用于采用AC200V输入电压谐振电路的家用电器，例如电磁炉、电饭煲和微波炉。新产品GT30N135SRA的集电极额定电流为30A，为现有产品GT20N135SRA的1.5倍。使得它的控制功率容量增加到了2400W。并且集电极-发射极饱和压降典型值降到1.65V，同时二极管正向压降典型值降到1.75V，降低导通损耗和关断损耗，从而降低总损耗。通过抑制饱和电流来抑制短路电流，可以抑制家用电器启动时产生的谐振电容器短路电流，另外短路电流峰值降低了40%左右，并将集电极峰值电流抑制在260A或更低。

规格书
GT30N135SRA
GT20N135SRA

应用

仅适用于家用电器电压谐振

• IH电饭煲
• IH电磁炉
• 微波炉等

IGBT栅极驱动耦合器 : 

规格书
TLP5771H
TLP5772H
TLP5774H
TLP5751H
TLP5752H
TLP5754H