電磁感應加熱爐具(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“電磁爐”)使用電磁產(chǎn)生的熱能來(lái)烹調，其能效比我們熟悉的標準家用電熱鍋高得多。此外，由于是通過(guò)感應而非傳導來(lái)產(chǎn)生熱量 ，其安全性也被證實(shí)更高，因為任何人體部位置于炊具表面都不會(huì )被燒傷。
電磁感應加熱的原理
圖1描繪了電磁感應加熱應用使用的典型準諧振反激拓撲結構。電磁能量產(chǎn)生并使用感應方式來(lái)傳遞至鍋具。然后在鍋具中轉變?yōu)闊崮?，因而給鍋具加熱。觸發(fā)加熱過(guò)程的感應涉及到使用二極管等未受控的開(kāi)關(guān)器件來(lái)對相對低頻的交流線(xiàn)路輸入電壓進(jìn)行整流。在20 kHz至35 kH之間的頻率對整流電壓進(jìn)行開(kāi)關(guān)，提供高頻磁通量。鍋具充當耗散能量的磁心，將磁場(chǎng)轉換為熱能。產(chǎn)生及傳遞此熱能的主要組件就是鍋具、電感、諧振電容及絕緣門(mén)雙極晶體管(IGBT)。
圖1：電磁爐的單端拓撲結構框圖
當要產(chǎn)生將熱能傳遞給鍋具所要求的磁場(chǎng)時(shí)，電感繞組的幾何尺寸極為重要。電感繞組為螺旋形，并在水平面彼此纏繞。這種配置增加了磁通量的表面積，并使加熱過(guò)程具有更高能效。通過(guò)使用以相等間距布設在電感繞組周?chē)木匦舞F氧體磁棒，進(jìn)一步增強了鍋具上這些磁通線(xiàn)的稠密度。多個(gè)小型導體的使用將趨膚效應(skin effect)減至最小，并減小了線(xiàn)圈中的感抗(IR)損耗。如圖1所示，LR是空心電感，并沒(méi)有跟傳統鐵磁心電感相同類(lèi)型的損耗。鍋具必須采用磁性材料制造，使其能夠充當磁心。在電磁爐的開(kāi)關(guān)頻率范圍內，鍋具的厚度極大地影響磁心的能效，而渦電流損耗很大。這些損耗將磁場(chǎng)轉變?yōu)闊崮?，在鍋具中產(chǎn)生大量的熱并烹調食物。
阻斷電壓約為1,200 V的IGBT廣泛應用于單端感應加熱應用。IGBT在關(guān)閉期間仍承受著(zhù)高電壓，且帶有殘余電流，滋生不小的開(kāi)關(guān)損耗。在IGBT導通狀態(tài)期間，由其飽和電壓及負載電流和結溫(TJ)導致的損耗是總體功率損耗的組成部分。這些損耗降低了應用的總能效。理解這些損耗的成因并開(kāi)發(fā)可靠及相對快速的方法來(lái)測量損耗很重要，在為電磁爐設計探尋優(yōu)化的IGBT設計時(shí)尤為如此。
在此應用中IGBT的總功率損耗包含導通損耗、導電損耗、關(guān)閉損耗及二極管損耗。二極管損耗在總功率損耗中所占比例可以忽略不計，而如果使用了零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)技術(shù)，可以大幅降低導通損耗。然而，并非在電磁爐所有工作功率等級條件下都能實(shí)現ZVS。由于儲能電路(tank circuit)的一端連接至整流輸入電壓，零態(tài)開(kāi)關(guān)僅在諧振儲能電路使其電壓到達0 V的功率等級時(shí)出現。在某些輕載條件下，儲能電路電壓在IGBT的集電極不會(huì )到達0 V，因此未實(shí)現零態(tài)開(kāi)關(guān)，導通功率損耗將增加。
導電損耗
由于總功率損耗的最主要構成部分通常是導電及關(guān)閉損耗，我們現在就來(lái)更詳細地逐個(gè)審視這些損耗。IGBT平均耗散的功率的數學(xué)表達式如下所示：
(等式1)
對于導電損耗而言，此等式可以改寫(xiě)為如下等式：
(等式2)
由此可見(jiàn)，導電損耗取決于負載電流、VCE(sat)及占空比。飽和電壓VCE(sat)的值并不恒定，而是隨著(zhù)時(shí)間變化。導電損耗還取決于負載電流及IGBT的TJ值。此電磁爐應用中，控制電路以與烹調功率需求成直接比例的方式改變占空比。相應地，烹調功率等級最高時(shí)導電損耗就處在最大值，因為等式2中的所有參數在此功率等級時(shí)都呈現出其最大值。
圖2：VCE(sat) 及ICE的變化曲線(xiàn)
圖2顯示了TJ = 67 °C條件下VCE(sat)及ICE在在選定開(kāi)關(guān)周期內的變化。圖2中的數據是從在市場(chǎng)上購得的電磁爐獲得的，它使用一個(gè)鉗位電路來(lái)測量VCE(sat)。當IGBT關(guān)閉時(shí)，此電路在10 V時(shí)鉗位VCE，使示波器能夠使用每小格低電壓值(volt/div)的設置，這樣才能精確地測量VCE。
圖3：關(guān)閉損耗測量結果
關(guān)閉損耗
從圖3中可以清晰地看到電磁爐的關(guān)閉損耗波形。影響這些損耗的因素包括IGBT殘余電流、VCE歪曲率及開(kāi)關(guān)頻率。殘余電流來(lái)自于IGBT關(guān)閉后漂移區留下的少量載流子。影響這些少量電荷載流子結合率的因素包括摻雜深度、緩沖層厚度及使用的摻雜技術(shù)。開(kāi)關(guān)頻率由所要求的炊具功率等級及應用的開(kāi)關(guān)控制算法決定。重要的是在設計及開(kāi)發(fā)過(guò)程的每一個(gè)階段確認目標應用中的IGBT性能。性能的確認可以通過(guò)測量應用中IGBT損耗來(lái)實(shí)現。
電磁爐已經(jīng)被證明擁有比傳統電熱鍋高出約25%的能效。在軟開(kāi)關(guān)電磁爐應用中，當尋求為系統指定IGBT時(shí)，導電損耗及關(guān)閉損耗是要考慮的最重要損耗，它們在總體損耗中占主要比例。精確地測量這些損耗，能夠幫助在系統開(kāi)發(fā)過(guò)程期間提供必要的數據來(lái)評估IGBT性能，因而確保將能效等級提升至最高。
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