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電路設(shè)計(jì)高效感應(yīng)加熱設(shè)計(jì)
普通變壓器的原理構(gòu)成了感應(yīng)加熱應(yīng)用的基礎(chǔ)。然而，盡管變壓器從初級(jí)線(xiàn)圈在次級(jí)線(xiàn)圈中感應(yīng)出電流，但是感應(yīng)加熱器使用初級(jí)線(xiàn)圈在烹飪?nèi)萜鞅旧碇懈袘?yīng)出電流。這確保了所產(chǎn)生的加熱效果精確地集中在需要的地方。正是在烹飪?nèi)萜鞯牟牧现懈袘?yīng)出的渦流導(dǎo)致了被稱(chēng)為焦耳加熱的加熱效果。由磁性材料（例如，不銹鋼和鐵）制成的容器可提供高電阻，而非磁性材料（例如，鋁和銅）則提供較小的電阻。
由于所用的高頻，初級(jí)線(xiàn)圈中的電流主要在導(dǎo)體的表面流動(dòng)，這種特性被稱(chēng)為趨膚效應(yīng)。感應(yīng)加熱線(xiàn)圈使用一種特殊的銅線(xiàn)，稱(chēng)為利茲線(xiàn)，它由許多細(xì)的單股線(xiàn)組成。這具有增加線(xiàn)圈的表面積的效果，從而減小了AC電阻。
拓?fù)溥x擇及其功能
拓?fù)溥x擇有幾種方法，但是由于這些應(yīng)用所針對(duì)的許多市場(chǎng)中的價(jià)格壓力，單端并聯(lián)諧振（SEPR）電路是常見(jiàn)的選擇（圖1）。這種軟開(kāi)關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)利用了一個(gè)由電容器Cr和利茲線(xiàn)圈Lr組成的諧振儲(chǔ)能網(wǎng)絡(luò)。在零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS）條件下工作的IGBT與并聯(lián)二極管一起完成了設(shè)計(jì)。二極管通常不集成在IGBT中，而不是采用分立的方法，二極管的特性可以針對(duì)此類(lèi)電路的需求進(jìn)行優(yōu)化。20 – 30 kHz的開(kāi)關(guān)頻率可確保任何噪聲都在可聽(tīng)范圍內(nèi)，從而使該電路適用于電磁炊具。較高的頻率也可以用作軟啟動(dòng)功能的一部分。
圖1：?jiǎn)味瞬⒙?lián)諧振（SEPR）電路通常用于電壓諧振電路。
電壓諧振電路的操作分為四個(gè)時(shí)間段（圖3），適用于啟動(dòng)過(guò)程已完成（即Cr已充滿(mǎn)電）的情況：
T1 –周期從Q1開(kāi)啟開(kāi)始，允許電流從Cm流經(jīng)Lr和Q1，并使電流線(xiàn)性增加直到達(dá)到所需水平。在這段時(shí)間內(nèi)，Cr兩端的電壓被鉗位到Cm兩端的電壓。
T2 –接下來(lái)的Q1關(guān)閉，導(dǎo)致Lr和Cr諧振。達(dá)到的峰值諧振電壓與導(dǎo)通時(shí)間T1成正比。
T3 –諧振電流的方向改變，導(dǎo)致Cr上的電壓降低。
T4 – Cr兩端的電壓極性現(xiàn)在反轉(zhuǎn)了。當(dāng)它超過(guò)Cm兩端的電壓時(shí)，電流開(kāi)始流過(guò)二極管，使Cr的極性和電壓回到Cm的極性和電壓。
圖2：SEPR電壓諧振設(shè)計(jì)中的四個(gè)操作階段。
IGBT的額定值將取決于Q1看到的電壓峰值，對(duì)于100 VAC的電源，其VCES額定值將介于900和1200 V之間，對(duì)于220 VAC的電源，則需要1350至1800V。
隨著功率需求的增加，通常使用使用兩個(gè)帶集成二極管的IGBT的半橋電流諧振方法（圖3）。這種設(shè)計(jì)還可以支持“全金屬”使用，其中80至100 kHz的開(kāi)關(guān)頻率甚至可以支持非磁性烹飪?nèi)萜鞯氖褂?。諧振電路實(shí)現(xiàn)為串聯(lián)LC或LCR結(jié)構(gòu)。
圖3：具有電流諧振系列LC的感應(yīng)加熱器半橋電路。
一旦啟動(dòng)過(guò)程完成，該電路的操作也可以分為四個(gè)階段（圖4）進(jìn)行描述：
T1 –上部開(kāi)關(guān)Q1接通，導(dǎo)致電流從電容器Cm流入諧振電流電路Cr-Lr。
T2 –開(kāi)關(guān)Q1關(guān)斷，由于電流從Lr流經(jīng)下部開(kāi)關(guān)的二極管，使Cr充電。
T3 –開(kāi)關(guān)Q2接通，允許諧振電流從Cr通過(guò)Q2流入Lr。此時(shí)，Q2的VCE鉗位在并聯(lián)（或集成）二極管的正向電壓上，從而啟用ZVS。
T4 –開(kāi)關(guān)Q2關(guān)斷，允許續(xù)流電流從Lr流經(jīng)Cr，二極管與Q1并聯(lián)以及Cm。此時(shí)，Q1的VCE類(lèi)似地鉗位到并聯(lián)（或集成）二極管的正向電壓，從而為下一階段T1啟用ZVS。
圖4：半橋電流諧振設(shè)計(jì)中的四個(gè)操作階段。
結(jié)果，峰值電壓被限制為峰值交流輸入電壓的總和，從而允許為220 VAC的輸入指定IGBT的VCES為600至650V。由于涉及的電流較高，因此無(wú)法將此設(shè)計(jì)與100 VAC輸入一起使用。
選擇適用于感應(yīng)加熱設(shè)備的IBGT
顯然，對(duì)VCES兩端產(chǎn)生的電壓的適當(dāng)了解是選擇IGBT的關(guān)鍵因素。柵極驅(qū)動(dòng)電壓VGES也需要檢查。通常以18 V的電壓運(yùn)行以減少IGBT中的功率損耗。但是，在許多市場(chǎng)中，主電源的波動(dòng)有時(shí)高達(dá)20％，這意味著設(shè)計(jì)人員將需要確保數(shù)據(jù)表為這些參數(shù)指示足夠的裕量。諸如Rth（jc）之類(lèi)的熱參數(shù)為所需的冷卻概念提供了指導(dǎo)，同時(shí)應(yīng)進(jìn)行電磁兼容性（EMC）測(cè)試，尤其是在較低測(cè)試頻率下的關(guān)斷。
需要審查的另一個(gè)關(guān)鍵方面是IC（sat）額定值，該參數(shù)與短路電流有關(guān)，該短路電流在初始加電時(shí)流向Cr充電，直到其電壓與Cm上的電壓匹配為止。最后，應(yīng)檢查正向偏置安全工作區(qū)（FBSOA）的最大允許集電極電流VCE，以了解不同的脈沖寬度。
穿通（PT）IGBT是此類(lèi)應(yīng)用中的首選器件，與過(guò)去的非PT類(lèi)型相比，支持更高的開(kāi)關(guān)頻率。最新進(jìn)展使P集電極層變薄，從而形成了稱(chēng)為場(chǎng)截止（FS）IGBT的結(jié)構(gòu)。這允許創(chuàng)建N層以啟用反向傳導(dǎo)（RC）體二極管，從而產(chǎn)生RC-IGBT。它們具有降低的尾電流，非常適合于軟開(kāi)關(guān)電路。東芝最新的RC-IGBT GT20N135SRA是新一代器件，支持20 A @ 100°C和1350V。這非常適用于2200 W中容量設(shè)備的220 VAC感應(yīng)加熱應(yīng)用。
與上一代器件相比，短路電流IC（sat）在100°C時(shí)限制在150 A左右。在電路的啟動(dòng)階段，當(dāng)Cr充電時(shí)，這有助于減小集電極飽和電流并抑制電壓振蕩（圖5）。較寬的FBSOA還意味著可以流過(guò)更高的電流，但這必須與某些損耗轉(zhuǎn)化為熱量的平衡。GT20N135SRA的最大Rth（jc）為0.48°C / W，因此，假設(shè)在某個(gè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)中IGBT需要耗散35W，則結(jié)殼溫度將比上一代器件低約6°C（GT40RR21 – 0.65°C / W）。
圖5：與上一代IGBT（左）相比，GT20N135SRA（右）顯著改善了不帶Cr時(shí)短路集電極的飽和度，并減少了振蕩（紅色圓圈）
與上一代器件相比，改進(jìn)的N層還使正向電壓VF降低了0.5V。定義為25°C時(shí)的1.75 V典型值，可以減少損耗并提高效率。IGBT的關(guān)斷操作使其難以滿(mǎn)足CISPR標(biāo)準(zhǔn)，在柵極路徑中需要一個(gè)電阻來(lái)降低開(kāi)關(guān)速度。但是，這導(dǎo)致?lián)p失增加。在與GT20N135SRA相同的桌面應(yīng)用中，如果沒(méi)有這樣的電阻器，現(xiàn)在在30 MHz時(shí)可獲得約10 dB的余量，從而在輻射發(fā)射和功耗之間實(shí)現(xiàn)了更好的權(quán)衡（圖6）。
圖6：改善的關(guān)斷功能可使同一設(shè)備在30 MHz時(shí)的CISPR余量提高10dB。