丁娟 陳強(qiáng)

【摘要】介紹了電磁感應(yīng)典型諧振反激電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，諧振電路使用絕緣雙極性晶體管（IGBT），在20KHz至35KHz之間的頻率對(duì)整流電壓進(jìn)行開關(guān)，通過感應(yīng)線圈提供高頻磁通量，該諧振電路的主要組件有電感及負(fù)載、諧振電容、IGBT。IGBT部件通態(tài)和開關(guān)狀態(tài)下均滋生不小的損耗，這些損耗降低了系統(tǒng)的總能效。因此，通過理解這些損耗的形成過程，并結(jié)合軟件工具，計(jì)算了實(shí)例諧振電路中IGBT損耗數(shù)據(jù)。

【關(guān)鍵詞】IGBT;損耗;諧振;高頻

引言

目前絕緣雙極性晶體管（IGBT）廣泛應(yīng)用在單端感應(yīng)加熱系統(tǒng)中，IGBT在其諧振電路中作為開關(guān)，使電路實(shí)現(xiàn)高頻振蕩，振蕩頻率可達(dá)20KHz-35KHz。在高頻開關(guān)狀態(tài)下，IGBT的損耗會(huì)影響系統(tǒng)的能效，且IGBT的散熱設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)的可靠性也至關(guān)重要。因此，準(zhǔn)確快速地計(jì)算IGBT工作時(shí)的損耗可解決實(shí)際應(yīng)用中的重要問題。

本文運(yùn)用MATHCAD軟件，對(duì)單端感應(yīng)加熱諧振電路中IGBT的損耗進(jìn)行計(jì)算，分析了在具體情況下IGBT的通態(tài)和開關(guān)損耗。

1.單端諧振電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析

圖1為單端感應(yīng)加熱諧振電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，電路對(duì)輸入的低頻交流電壓進(jìn)行整流，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由帶負(fù)載電感、諧振電容及IGBT組成，通過IGBT的開通關(guān)斷以實(shí)現(xiàn)高頻振蕩。此應(yīng)用中IGBT的總功率損耗包含導(dǎo)通損耗、導(dǎo)電損耗、關(guān)閉損耗及二極管損耗。在IGBT開通時(shí)實(shí)現(xiàn)了零電壓開關(guān)（ZVS），可以大幅降低損耗。然而，并不是在所有的工作條件下都能實(shí)現(xiàn)ZVS。

圖1 單端感應(yīng)加熱諧振電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2為IGBT零電壓開通波形，此時(shí)在在最佳負(fù)載下，IGBT是在零電流、零電壓下開關(guān)，并且在所有開關(guān)模式下，IGBT關(guān)閉總是軟關(guān)閉（也就是Vce總按正弦上升），此時(shí)IGBT開關(guān)損耗最小。但在非最佳負(fù)載時(shí)，IGBT仍然在零電流時(shí)開通，但不會(huì)在零電壓時(shí)開通。此時(shí)，需要計(jì)算這些非最佳工作狀態(tài)的損耗。

圖2 IGBT零電壓開通波形

2.單個(gè)IGBT損耗計(jì)算

在IGBT每個(gè)導(dǎo)通周期按0.1us步長采樣，采樣點(diǎn)上電流為：

（1）

上式中：I——設(shè)定的最高電流;tonne=0sec，

0.1us…，IGBT開關(guān)周期內(nèi)按0.1us步長取值步進(jìn)計(jì)算;fp——IGBT開關(guān)頻率;fn——交流電頻率;

k=1，2…，交流電一個(gè)包絡(luò)內(nèi)開關(guān)次數(shù);Ton——IGBT一個(gè)周期內(nèi)開通時(shí)間。

根據(jù)，電流與電壓、IGBT開通時(shí)間成

比例，代表該周期內(nèi)電流最大上升

為多少，代表取樣點(diǎn)時(shí)間相對(duì)于該周期內(nèi)導(dǎo)通時(shí)間的比例，則電流參數(shù)i（k，tonne）即代表第k個(gè)周期內(nèi)采樣點(diǎn)電流。

則取樣點(diǎn)上電流可按照下式計(jì)算：

（2）

則用MATHCAD軟件對(duì)交流電包絡(luò)第60個(gè)周期內(nèi)的電流情況作圖，得到圖3所示圖形。

圖3 交流電包絡(luò)第60個(gè)周期內(nèi)的電流

IGBT上電流有效值為：

（3）

電流有效值是根據(jù)功率來定義的，而功率是單位時(shí)間（1s）內(nèi)的能量，所以有效值也是單位時(shí)間內(nèi)的均方根。

3.實(shí)例數(shù)據(jù)分析

3.1 Vf與Vce相量化

MATHCAD軟件運(yùn)用MOD（number，divisor）函數(shù)對(duì)函數(shù)重新定義，式中Number 為計(jì)算余數(shù)時(shí)做被除數(shù)的實(shí)數(shù)，Divisor在計(jì)算余數(shù)時(shí)做除數(shù)的實(shí)數(shù)，則重新得到如下公式。

（4）

用MATHCAD軟件采集了交流電整流后的半個(gè)包絡(luò)如圖4所示，橫軸為k，縱軸為。

圖4 交流電整流后的半個(gè)包絡(luò)圖

3.2 實(shí)例損耗計(jì)算

在MATHCAD中用線性插值函數(shù)計(jì)算得到，通態(tài)時(shí)C極電壓與IGBT電流關(guān)系：

（5）

第k個(gè)周期內(nèi)，各采樣點(diǎn)上通態(tài)損耗功率：

（6）

第k個(gè)周期內(nèi)，通態(tài)損耗能量：

（7）

單位時(shí)間（1s）通態(tài)損耗的能量，即通態(tài)損耗功率：

（8）

由線性插值函數(shù)得到關(guān)斷損耗與IGBT電流關(guān)系：

（9）

每秒關(guān)斷損耗能量，即關(guān)斷損耗功率：

（10）

諧振電路中使用了模塊IHW20N120R3，查閱其Datasheet文檔得到IGBT開通時(shí)電流與C極電壓（飽和壓降）對(duì)應(yīng)關(guān)系的數(shù)據(jù)樣本如下：

關(guān)斷損耗與關(guān)斷電流對(duì)應(yīng)關(guān)系的數(shù)據(jù)樣本如下：

在最佳負(fù)載狀態(tài)時(shí)，將對(duì)應(yīng)各參數(shù)樣本帶入MATHCAD軟件計(jì)算所得結(jié)果：

P總=P.vs+P.condT=21.3W

4.結(jié)論

根據(jù)諧振電路工作時(shí)實(shí)際效率及功率測(cè)試結(jié)果，在開通電流最大為60A時(shí)，IGBT部件的總功耗小于25W，與上述計(jì)算結(jié)果非常接近。因此，上述IGBT損耗計(jì)算方法可作為實(shí)際工程設(shè)計(jì)的參考依據(jù)，用來進(jìn)行器件選型和散熱設(shè)計(jì)。

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作者簡介：丁娟（1982—），女，湖北隨州人，工學(xué)碩士，研究方向：電磁感應(yīng)技術(shù)及智能控制。