谐振电路中IGBT的损耗计算方法

丁娟 陈强

【摘要】介绍了电磁感应典型谐振反激电路拓扑结构，谐振电路使用绝缘双极性晶体管（IGBT），在20KHz至35KHz之间的频率对整流电压进行开关，通过感应线圈提供高频磁通量，该谐振电路的主要组件有电感及负载、谐振电容、IGBT。IGBT部件通态和开关状态下均滋生不小的损耗，这些损耗降低了系统的总能效。因此，通过理解这些损耗的形成过程，并结合软件工具，计算了实例谐振电路中IGBT损耗数据。

【关键词】IGBT;损耗;谐振;高频

引言

目前绝缘双极性晶体管（IGBT）广泛应用在单端感应加热系统中，IGBT在其谐振电路中作为开关，使电路实现高频振荡，振荡频率可达20KHz-35KHz。在高频开关状态下，IGBT的损耗会影响系统的能效，且IGBT的散热设计对系统的可靠性也至关重要。因此，准确快速地计算IGBT工作时的损耗可解决实际应用中的重要问题。

本文运用MATHCAD软件，对单端感应加热谐振电路中IGBT的损耗进行计算，分析了在具体情况下IGBT的通态和开关损耗。

1.单端谐振电路拓扑结构分析

图1为单端感应加热谐振电路拓扑结构，电路对输入的低频交流电压进行整流，拓扑结构由带负载电感、谐振电容及IGBT组成，通过IGBT的开通关断以实现高频振荡。此应用中IGBT的总功率损耗包含导通损耗、导电损耗、关闭损耗及二极管损耗。在IGBT开通时实现了零电压开关（ZVS），可以大幅降低损耗。然而，并不是在所有的工作条件下都能实现ZVS。

图1 单端感应加热谐振电路拓扑结构

图2为IGBT零电压开通波形，此时在在最佳负载下，IGBT是在零电流、零电压下开关，并且在所有开关模式下，IGBT关闭总是软关闭（也就是Vce总按正弦上升），此时IGBT开关损耗最小。但在非最佳负载时，IGBT仍然在零电流时开通，但不会在零电压时开通。此时，需要计算这些非最佳工作状态的损耗。

图2 IGBT零电压开通波形

2.单个IGBT损耗计算

在IGBT每个导通周期按0.1us步长采样，采样点上电流为：

（1）

上式中：I——设定的最高电流;tonne=0sec，

0.1us…，IGBT开关周期内按0.1us步长取值步进计算;fp——IGBT开关频率;fn——交流电频率;

k=1，2…，交流电一个包络内开关次数;Ton——IGBT一个周期内开通时间。

根据，电流与电压、IGBT开通时间成

比例，代表该周期内电流最大上升

为多少，代表取样点时间相对于该周期内导通时间的比例，则电流参数i（k，tonne）即代表第k个周期内采样点电流。

则取样点上电流可按照下式计算：

（2）

则用MATHCAD软件对交流电包络第60个周期内的电流情况作图，得到图3所示图形。

图3 交流电包络第60个周期内的电流

IGBT上电流有效值为：

（3）

电流有效值是根据功率来定义的，而功率是单位时间（1s）内的能量，所以有效值也是单位时间内的均方根。

3.实例数据分析

3.1 Vf与Vce相量化

MATHCAD软件运用MOD（number，divisor）函数对函数重新定义，式中Number 为计算余数时做被除数的实数，Divisor在计算余数时做除数的实数，则重新得到如下公式。

（4）

用MATHCAD软件采集了交流电整流后的半个包络如图4所示，横轴为k，纵轴为。

图4 交流电整流后的半个包络图

3.2 实例损耗计算

在MATHCAD中用线性插值函数计算得到，通态时C极电压与IGBT电流关系：

（5）

第k个周期内，各采样点上通态损耗功率：

（6）

第k个周期内，通态损耗能量：

（7）

单位时间（1s）通态损耗的能量，即通态损耗功率：

（8）

由线性插值函数得到关断损耗与IGBT电流关系：

（9）

每秒关断损耗能量，即关断损耗功率：

（10）

谐振电路中使用了模块IHW20N120R3，查阅其Datasheet文档得到IGBT开通时电流与C极电压（饱和压降）对应关系的数据样本如下：

关断损耗与关断电流对应关系的数据样本如下：

在最佳负载状态时，将对应各参数样本带入MATHCAD软件计算所得结果：

P总=P.vs+P.condT=21.3W

4.结论

根据谐振电路工作时实际效率及功率测试结果，在开通电流最大为60A时，IGBT部件的总功耗小于25W，与上述计算结果非常接近。因此，上述IGBT损耗计算方法可作为实际工程设计的参考依据，用来进行器件选型和散热设计。

参考文献

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作者简介：丁娟（1982—），女，湖北随州人，工学硕士，研究方向：电磁感应技术及智能控制。