IGBT在电磁炉中的应用及解决方案

分立式 IGBT 是现代基于逆变器的电磁烹饪产品的首选电源开关。随着能源成本持续上升以及消费者对更小型烹饪解决方案的需求增加，IGBT 技术必须不断发展以满足这些需求。
感应加热的基本原理由迈克尔·法拉第 (Michael Faraday) 于 1831 年发现，并由海因里希·伦茨 (Heinrich Lenz) 进一步发展。在磁性和电动势实验中，他们发现在磁场切换过程中，核心会产生热量。
基于这一基本原理，电磁炉使用磁场直接加热炊具，从而加热食物。这种烹饪方式越来越受欢迎，因为它比燃气灶更节能，因为它只加热炊具。它还快速且高度可控，因为只需改变磁场强度即可改变热量水平。
同样的感应技术现在也用于电饭锅中，与标准加热元件相比，它可以更好地传播热量，并且可以实现瞬时和精确的温度变化。电磁烹饪的一个主要优点是烹饪表面完全密封，因此更容易清洁，使烹饪过程比其他方法更卫生。
随着电磁烹饪设备变得越来越流行，消费者的期望也随之提高，这给设计人员带来了更大的挑战。由于全球能源成本不断上涨以及法规更加严格，效率是许多消费者关注的一个主要问题。设计人员还必须关注安全性和可靠性，确保产品不会出现故障而导致消费者无法烹饪并损害供应商的声誉。
为了使他们的产品组合脱颖而出，许多制造商都提供高级功能，例如启用 Wi-Fi 控制。当消费者评估这些附加功能时，价值和价格成为选择电磁烹饪设备越来越重要的标准。
电磁炉的核心是控制关键电源开关功能的绝缘栅双极晶体管 (IGBT)。因此，IGBT 是影响最终产品的效率、尺寸、可靠性和成本的关键因素。
显然，选择最佳的 IGBT 解决方案对于电磁炉设计人员来说至关重要。在大多数情况下，设计人员将重点关注最大集电极电流 (IC) 和最大集电极-发射极电压 (VCE) 等关键参数，以确保 IGBT 能够控制所需功率（对于烹饪应用，通常高达 2100 W）以及 VCEsat 和 Eoff，它们对于器件的运行效率至关重要。
为电路选择最佳拓扑也很重要，因为设计需要简单、可靠且节能。电磁烹饪中最流行的拓扑之一是单端并联谐振逆变器 (SEPR)，尽管其功率水平相对有限。
该拓扑主要由并联电感器和电容器谐振回路网络以及组合的 IGBT 和二极管以及一个小电容器组成，该电容器可提高 EMI 性能，并与二极管一起为电感器的谐振电流提供路径。逆变器通常由经过整流但未经过滤波器的市电线路电压供电，从而实现接近单位功率因数校正。
典型的工作频率在 20 至 60 kHz 范围内，从而完全避开可听范围。开关频率受到控制，软启动在较高频率下运行，最大功率向范围的较低部分输送。一般来说，感应烹饪应用的需求比电机驱动更简单，因为不需要硬开关能力、高短路额定值或特殊封装类型。
软开关拓扑通过使用零电压开关 (ZVS) 或零电流开关 (ZCS) 操作模式显著降低 IGBT 的开关损耗。在硬开关应用中，IGBT 开关上的压降可能会导致相当大的功率损耗。然而，在软开关应用中，这些损耗几乎可以忽略不计，从而提高了系统的整体效率。
反向导通IGBT（RC-IGBT），在单个芯片上集成了IGBT和续流二极管（FWD）。它有比普通IGBT更低的损耗，较低的损失意味着烹饪时消耗的能源较少，从而降低消费者的运营成本。由于废热更少，RC-E 的运行温度将更低，从而提高可靠性。由于给定功率水平所需的冷却量较少，最终产品会随着散热器尺寸的减小而立即变得更小，从而降低成本。此外，这还有助于提高 IGBT 的效率并延长其使用寿命。
将场截止层与沟槽栅极结构相结合，RC-E的饱和电压大大提高，并且关断时消耗的能量非常少。与早期 NPT 技术相比，更薄的基板提高了传导和开关性能。与共同封装的二极管解决方案相比，RC-E 提供了更高的功率密度。使用RC-IGBT已经是如今电磁炉方案中的首选了。
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