商用电磁炉怎样使用可以减少IGBT功率的损耗?

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发布日期:2020-06-03 18:02

近年来,人们使用的电子产品数量增加,导致每个家庭的总能量消耗稳步增加,不仅在大多数西方国家,而且在新兴国家。随着燃料资源变得更加稀缺以及公用事业公司提高了价格,与这些能源相关的成本也增加了。为了最大化从电网获得的电力,从而控制电费的计费和减少碳排放,必须努力地为室内环境开发更节能的电器。

商用电磁炉(以下简称“大粤厨房灶具”)使用产生的电磁热来烹饪,比我们熟悉的标准家用电饭煲更节能。另外,由于通过感应而不是传导产生热量,因此也确认其安全性更高,因为放置在炊具表面上的任何身体部位都不会被烧伤。

电磁感应加热原理:

用于电磁感应加热应用的典型准谐振反激式拓扑结构。产生电磁能并使用感应传输到锅中。然后将其转换成锅中的热量并加热锅。触发加热过程的感应涉及使用诸如二极管的不受控制的开关装置来整流相对低频的AC线路输入电压。整流电压以20kHz至35kH之间的频率切换,以提供高频磁通量。该锅充当磁芯,耗散能量,将磁场转换为热量。产生和传递热量的主要部件是炊具,电感器,谐振电容器和绝缘栅双极晶体管(IGBT)。

当需要产生将热能传递给炊具所需的磁场时,感应绕组的几何形状是非常重要的。电感器绕组是螺旋形的并且在水平面上彼此缠绕在一起。这种配置增加了磁通量的表面积,并使加热过程更加节能。通过使用矩形铁氧体棒进一步增强罐上的这些磁通线的密度,所述矩形铁氧体棒以相等的间隔围绕电感器绕组放置。多个小导体的使用使趋肤效应最小化并减少线圈中的感抗(IR)损耗。如图1所示,LR是一个空心电感器,不具有相同的特性作为传统铁磁电感器的损耗。锅必须由磁性材料制成,以使其充当核心。在大型粤厨房电磁炉的开关频率范围内,电位器的厚度极大地影响了磁芯的能量效率,而涡流损耗很大。这些损失将磁场转化为热量,在锅中产生大量热量并烹饪食物。

阻断电压约为1200V的IGBT广泛用于单端感应加热应用。 IGBT在关断期间仍然承受高电压并具有剩余电流,这会导致不小的开关损耗。在IGBT导通状态期间,由于其饱和电压和负载电流以及结温(TJ)引起的损耗是整体功率损耗的一部分。这些损失降低了应用的总能效。重要的是要了解这些损耗的原因并开发可靠且相对快速的方法来测量损耗,尤其是在为大粤厨房电磁炉设计设计优化的IGBT设计时。

该应用中IGBT的总功率损耗包括传导损耗,传导损耗,关断损耗和二极管损耗。二极管损耗占总功率损耗的比例可以忽略不计,如果使用零电压开关(ZVS),则可以显着降低传导损耗。但是,在大粤厨房电磁炉的所有工作功率水平下都无法实现ZVS。由于储能电路的一端连接到整流输入电压,因此零状态开关仅在谐振储能电路达到其0V的电压电平时发生。在一些轻负载条件下,谐振电路的电压在IGBT的集电极上没有达到0V,因此零状态开关没有实现,导通功率损耗也会增加。

传导损失:

由于总功率损耗中最重要的部分通常是导通和关断损耗,因此我们现在将逐一详细地回顾这些损耗。 IGBT消耗的平均功率的数学表达式如下:

对于传导损耗,该等式可以重写如下:

可以看出,传导损耗取决于负载电流,VCE(sat)和占空比。饱和电压VCE(sat)的值不是恒定的,而是随时间变化。传导损耗还取决于负载电流和IGBT的TJ值。在这个商用电磁炉应用中,控制电路以与烹饪功率需求成正比的方式改变占空比。相应地,当烹饪功率水平最高时,传导损耗最大,因为等式2中的所有参数在该功率水平下表现出它们的最大值。

VCE(sat)和ICE改变了r在TJ = 67°C时选择的开关周期。图2中的数据来自市售的大粤厨房炊具,其使用钳位电路来测量VCE(sat)。当IGBT关闭时,该电路将VCE钳位在10V,允许示波器为每个单元使用低电压(div / div)设置来精确测量VCE。

关闭损失:

可以清楚地看到商用电磁炉的闭合损耗波形。影响这些损耗的因素包括IGBT剩余电流,VCE歪曲率和开关频率。剩余电流来自IGBT关断后留在漂移区中的少量载流子。影响这些小电荷载流子键合速率的因素包括掺杂深度,缓冲层厚度和使用的掺杂技术。开关频率由所需的电磁炉功率水平和所应用的开关控制算法确定。在设计和开发过程的每个阶段确认目标应用中的IGBT性能非常重要。通过测量应用中的IGBT损耗可以实现性能验证。