现代电磁炉要求紧凑与高效的解决方案

日期:2017-03-05
 
新一代单管IGBT拥有市场领先的性价比
 
作者:Giuseppe DeFalco,家电应用技术营销部,英飞凌科技股份公司
 
由于单管IGBT固有的高效率特性,使其成为了现代逆变式电磁炉的首选开关器件。随着能源价格的持续上涨以及消费者对更小型厨具需求的增加,需要进一步发展IGBT技术。
本文中,英飞凌公司介绍了这一领域所面临的挑战,并提出了一个满足市场对高性价比追求的新技术。
1831年,法拉第发现了电磁感应加热的基本原理,随后,楞次更深入地研究了这一现象。他们通过磁动势实验发现,磁场转换过程中,铁芯会产生热量。
根据这一基本原理,电磁炉利用磁场来直接加热炊具,从而烹饪食物。这种烹饪方式只要加热炊具,由于其比燃气灶更高效,因此越来越受欢迎。仅通过改变磁场强度即可改变加热级别,电磁炉是一种快捷又易于控制的厨具。
现在,电饭煲也采用了这种电磁感应加热技术,相比标准发热元件,它能更高效地加热锅体,改善热传播性能,实时精确调节温度。
电磁炉的一个关键优点是,炉具的烹饪表面完全封闭,易于清洁,其烹饪过程比其他方式更加卫生。
随着电磁炉越来越普及,消费者的期望也不断提高,这对设计人员提出了更大挑战。受全球能源价格上涨和排放管理标准日益严格的影响,能效成为许多消费者重点关注的问题之一。
设计人员还必须考虑安全性和可靠性,以确保产品不会出故障,不会令消费者无法烹饪,不会损害制造商的声誉。
为了实现产品系列的差异化,许多制造商提供了诸如支持Wi-Fi控制等高级功能。消费者在评估这些附加功能时,其功能价值和产品价格是越来越重要的选择标准。
电磁炉的核心是利用绝缘栅双极性晶体管(IGBT)控制关键的开关功能。因此,IGBT是决定最终产品的能效、尺寸、可靠性和成本的关键因素。
显然,对于电磁炉设计人员而言,选择最佳IGBT至关重要。大多数时候,设计人员着眼于关键参数,如最大集极电流(IC)和最大集电极-发射极电压(VCE),以确保IGBT能够控制所要求的功率(电磁炉功率常常高达2100 W),以及对电磁炉效率至关重要的VCEsat和Eoff这些参数。
选择最佳电路拓扑结构也很重要,因为设计必须简单、可靠和高效。电磁炉最常用的拓扑之一是单端并联谐振型逆变拓扑(SEPR),尽管其功率相对较低。
 

1:准谐振单开关逆变器常用于电磁炉
 
这种拓扑的主要由并联电感和电容的谐振网络,IGBT,以及用于改善EMI性能的小电容组成,其芯片上的集成续流二极管,为电感的谐振电流提供通道。
该逆变器通常采用经过整流但并未大幅度滤波的电压作为电源,可实现接近于1的功率因素校正。
典型工作频率范围为20至60 kHz,完全避开人耳的频率范围。开关频率可控,在高频下进行软启动,较低频率模式下则可实现最高功率。
一般而言,电磁炉元件需求较为简单,因为无需硬开关功能、高短路额定电流或特殊封装类型。
软开关拓扑通过使用零电压开关(ZVS)或零电流开关(ZCS)的运行模式,显著降低了IGBT的开关损耗。在硬开关应用中,IGBT开关上的压降会导致严重功率损耗。然而,在软开关应用中,这些损耗几乎可以忽略不计,从而提升系统的总体效率。
 
RC-E系列
功率半导体器件行业龙头制造商英飞凌推出的RC-E系列,是最新上市的逆导型IGBT器件。采用与全球领先的单管IGBT家族(RC-H)相同的专用技术,RC-E系列在谐振应用中实现了成本和特性优化,包括高性价比电磁炉。
目前,英飞凌提供的RC-E系列包含两种型号:15 A、1200 V IHW15N120E1和25 A、1200 V IHW25N120E1。同英飞凌提供的其他逆导型IGBT器件一样,RC-E在IGBT内部加入了一个单片集成反并联二极管,因而无需在软开关应用中使用单独的二极管(通常与IGBT封装在一起),这使得RC-E系列非常便于使用。
 

2RC-E逆导型IGBT包含一个集成反并联二极管
 
将场终止层与沟槽栅结构相结合,RC-E系列大大改善了饱和电压,并且关断损耗极低。薄基板的使用使其导通和开关性能优于过去的NPT技术。较之于使用单独二极管的IGBT,RC-E拥有更高功率密度,并且由于二极管和IGBT共用同一块芯片,因此二极管具备满电流。
得益于其低Eoff、VF、Rth和Vce(sat),RC-E系列经专门优化,可实现很低开关损耗和导通损耗,可在很大功率范围内实现和市场领先的RC-H3系列器件极为类似的性能。该器件可支持最常见的阻断电压(1200 V),并已针对18到40 kHz开关频率范围进行优化。
 

3RC-E家族拥有市场领先的性能
 
如图3所示,RC-E功率损耗低,市场优势明显,大大优于竞争性器件。拜其低损耗所赐,设计人员可以轻松实现电磁炉的关键指标。
低损耗意味着烹饪时的耗电量更低,这将为消费者节省电费。由于热损耗减少,RC-E的工作温度更低,提高了可靠性。实现特定功率的散热要求更低,散热片减小,这可导致最终产品的体积进一步缩小,最终降低成本。此外,这有助于提高IGBT的能效,延长其使用寿命。
RC-E采用标准TO-247封装,因而产品更换或现有设计升级十分简便,设计人员可以轻而易举地提高现有产品的技术规格,降低成本。并使设计风险降至最低。
 

4RC-E采用常见的TO-247封装,便于更换或升级
 
英飞凌公司针对电磁炉设计包含了多个系列的全套单管IGBT产品。RC-H5是用于高频率范围(>30 kHz)的理想选择,能够以最低损耗实现最高能效。
如果IGBT需要驱动IC,那么,RC-E和IRS44273L将是一对完美搭档。低压非反相栅极驱动IC特点是搭载电流缓冲,可支持MOSFET和IGBT。单片架构集成防闩CMOS技术,驱动输入可兼容CMOS或LSTTL逻辑电平。
在所有器件中,E1(RC-E)的性价比最优。15A型号特别适用于不超过1800 W的低功率设计。如果价格和性能是最终产品的关键要素,RC-E则是理想之选。
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