IGBT在電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)中的應(yīng)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(yīng)加熱系統(tǒng)中承擔(dān)著重要的角色，應(yīng)用好IGBT對加熱系統(tǒng)的可靠性至關(guān)重要，本文旨在根據(jù)單管并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電磁加熱系統(tǒng)的工作特性，探討出IGBT的應(yīng)用要點(diǎn)。

1 IGBT基本結(jié)構(gòu)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(yīng)管）組成的電壓驅(qū)動型功率器件（IGBT的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，等效電路圖如圖2所示），IGBT集GTR導(dǎo)通壓降小、載流能力強(qiáng)、耐壓高和功率MOSFET驅(qū)動功率小、開關(guān)速度快、輸入阻抗高的優(yōu)點(diǎn)于一身[1]。廣泛應(yīng)用于電磁感應(yīng)加熱、變頻電源、電機(jī)調(diào)速等場合。

圖1 IGBT的結(jié)構(gòu)圖

圖2 等效電路圖

2 IGBT的關(guān)鍵參數(shù)及密勒平臺形成機(jī)理

以英飛凌IHW30N135R3為例對關(guān)鍵參數(shù)等進(jìn)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(shù)（見表1）

表1 最大額定值參數(shù)

為使系統(tǒng)達(dá)到最佳壽命及可靠性，推薦使用時以上參數(shù)的實(shí)際值不能超過最大額定參數(shù)的80 %。

2.2 電氣特性（見表2）

表2 電氣參數(shù)（Tvj=25 ℃）

從參數(shù)值可看出，IGBT的柵-射極電容Cies遠(yuǎn)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(qū)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(guān)速度。

2.3 IGBT密勒平臺的形成機(jī)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(yīng)延時，滯后于PWM脈沖；

階段2：柵極電流對電容Cge進(jìn)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(qū)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(fù)載電流IC，同時柵極電壓也將達(dá)到密勒平臺電壓；

階段4：柵極電流繼續(xù)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(xù)對Cge和Cgc電容充電，隨著Vce緩慢變化成穩(wěn)態(tài)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(tài)；

階段6：柵極電流繼續(xù)對Cge充電，Vge電壓開始上升，IGBT完全打開。

在設(shè)計上需要通過監(jiān)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(xiàn)，密勒平臺出現(xiàn)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(yīng)加熱系統(tǒng)

電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有單管并聯(lián)、半橋串聯(lián)和全橋串聯(lián)三種，三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)技術(shù)對比見表3。

表3 三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電磁加熱技術(shù)對比

單管并聯(lián)方案因結(jié)構(gòu)簡單、成本低，廣泛應(yīng)用于家電IH飯煲和電磁爐等產(chǎn)品，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(chǎn)生高頻渦流,高頻渦流在鍋具的電阻上產(chǎn)生焦耳熱。本文重點(diǎn)基于單管方案進(jìn)行IGBT的應(yīng)用闡述。

圖6 單管并聯(lián)電磁感應(yīng)加熱電路拓?fù)鋱D

系統(tǒng)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(dāng)IGBT導(dǎo)通時線圈L儲能，IGBT關(guān)斷時，諧振電容C和線圈L中的能量產(chǎn)生諧振，向鍋具傳熱，當(dāng)電壓諧振至零點(diǎn)附近時，IGBT再次導(dǎo)通。

圖7 工作波形

通過以上對單管電磁加熱系統(tǒng)的工作原理分析，IGBT關(guān)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(guān)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(diǎn)導(dǎo)通是一個矛盾體，如何兼顧兩者是設(shè)計的難點(diǎn)。

4 IGBT在電磁感應(yīng)加熱中應(yīng)用的設(shè)計要點(diǎn)

在對IGBT關(guān)鍵參數(shù)和密勒平臺，電磁感應(yīng)加熱電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作波形分析的基礎(chǔ)上，現(xiàn)對IGBT在電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)的應(yīng)用細(xì)節(jié)進(jìn)行探討。

4.1 上電時序要求設(shè)計

IGBT驅(qū)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(qū)動信號不能直接驅(qū)動IGBT，在MCU和IGBT之間需要有驅(qū)動模塊進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換。MCU復(fù)位成功前其IO口輸出的狀態(tài)不穩(wěn)定，在設(shè)計上要確保MCU復(fù)位期間IGBT為關(guān)，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(xiàn)IGBT燒毀的風(fēng)險。

4.2 IGBT門極電阻的選擇

圖8為IGBT開關(guān)損耗的示意圖，實(shí)際情況下IGBT都會有開關(guān)延時，導(dǎo)致集電極電壓和電流在開通關(guān)斷的情況有一定的交叉區(qū)，陰影這一部分區(qū)域就產(chǎn)生了IGBT的開通和關(guān)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(guān)損耗示意圖

根據(jù)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(tài)損耗與門極電阻的大小成正比，即門極電阻大時，開關(guān)時候速度慢導(dǎo)致動態(tài)損耗也大，但開關(guān)速度慢有利于通過EMC試驗(yàn)；相反同等條件下門極電阻小則動態(tài)損耗小，但dv/dt及di/dt的值大，不利于通過EMC實(shí)驗(yàn)。綜上IGBT的門極電阻的選型在滿足IGBT的數(shù)據(jù)手冊推薦的前提下，兼顧溫升和EMC試驗(yàn)結(jié)果，要設(shè)計上一旦出現(xiàn)門極電阻的阻值變化，務(wù)必在理論上分析對溫升和EMC的影響，并加以全面的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

4.3 IGBT驅(qū)動電路的布局和走線設(shè)計

IGBT屬于電壓驅(qū)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(qū)動電路設(shè)計、走線的布局存在很多講究，稍有不慎可能會出現(xiàn)IGBT柵極的波形產(chǎn)生振蕩?，F(xiàn)對IGBT及外圍器件布局和PCB板走線規(guī)則進(jìn)行總結(jié)。

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

2）IGBT驅(qū)動部分包括MCU、驅(qū)動模塊和IGBT組成，在PCB板設(shè)計器件布局方面三部分盡可能的靠近放置，并優(yōu)先保證驅(qū)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(fā)射極單點(diǎn)接地，IGBT驅(qū)動部分的電源地必須也與IGBT的發(fā)射極單點(diǎn)接地連接，確保IGBT驅(qū)動信號的地與發(fā)射極等電位，避免IGBT驅(qū)動信號的穩(wěn)定性；

4）IGBT的驅(qū)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(wěn)定性；

5）IGBT驅(qū)動信號的PCB走線要盡可能的短、線寬適中，驅(qū)動信號的回路面積盡可能的?。?/p>

6）MCU輸出的IGBT驅(qū)動信號和驅(qū)動模塊之間的線路比較遠(yuǎn)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(qū)動模塊的地使用一條盡可能細(xì)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(yán)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(yàn)證走線和系統(tǒng)參數(shù)等設(shè)計上的合理性，IGBT關(guān)鍵波形包括VGE、集電極電流IC和集電極和發(fā)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?，F(xiàn)象。

圖9 IGBT的VGE和VCE波形

由單管并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特性所知，系統(tǒng)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(jiān)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(fā)現(xiàn)，在VGE密勒平臺下降時，IGBT出現(xiàn)關(guān)斷重新開通的情況，這是系統(tǒng)所不允許的。出現(xiàn)這種情況通常要調(diào)整IGBT及周圍部件的布局和PCB板走線，減少環(huán)路面積、走線寄生電感，調(diào)整LC系統(tǒng)參數(shù)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(shè)置

通過對單管電磁加熱系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行分析，系統(tǒng)由關(guān)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(dǎo)致檢鍋失敗，脈寬太大可能會導(dǎo)致IGBT導(dǎo)通時實(shí)時電流過大，線圈儲能過多進(jìn)而反壓超標(biāo)。檢鍋脈沖寬度的評估要考慮電源電壓、浪涌和EFT等實(shí)驗(yàn)的情況，通常啟動脈沖寬度在10 us以內(nèi)。

4.6 IGBT反壓保護(hù)閥值設(shè)計及驗(yàn)證方法

應(yīng)用單管LC并聯(lián)諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(tǒng)的IGBT反壓保護(hù)值的選取要合理，若保護(hù)值設(shè)置過高，則不能有效保護(hù)器件。保護(hù)值設(shè)置過低，則可能導(dǎo)致保護(hù)誤動作，甚至?xí)霈F(xiàn)功率上不去或異常停機(jī)。理論上建議IGBT反壓保護(hù)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(hù)電路保護(hù)值不能過低，過低可能會帶來整機(jī)功率上不去或者工作異常停機(jī)。

IGBT的反壓余量控制要結(jié)合理論設(shè)計和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在設(shè)計階段參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17626.5-2008或等同的IEC標(biāo)準(zhǔn) IEC 61000-4-5進(jìn)行浪涌（雷擊）抗擾度實(shí)驗(yàn)時，實(shí)驗(yàn)期間不但要確保整機(jī)不被損壞，而且還要全程使用示波器監(jiān)控IGBT驅(qū)動信號脈寬和集電極所承受的反壓，如圖11所示，保護(hù)時刻IGBT驅(qū)動脈寬正常，集電極的反壓只有1 124 V不超過IGBT數(shù)據(jù)手冊能承受的最大耐壓值1 350 V，并有一定的余量[3]。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(fā)現(xiàn)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(qū)動VGE和VCE波形

5 總結(jié)

通過對IGBT的結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵參數(shù)和單管并聯(lián)電磁感應(yīng)技術(shù)的工作原理進(jìn)行分析，認(rèn)知到電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)中工作原理，在設(shè)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(hù)閾值的設(shè)置等方面需要注意的細(xì)節(jié)，以及重點(diǎn)關(guān)注的波形及評判方法，確保IGBT在單管并聯(lián)電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)可靠工作。