电磁炉功率模块的设计及控制
3 系统硬件设计
3.1 电磁炉的主电路设计
本课题研究开发的大功率电磁炉主电路主要有整流模块（AC-DC模块）和
逆变模块（DC-AC模块）两部分组成，其设计图如图3所示：
图3 大功率电磁炉的主电路
3.1.1 整流电路设计
整流模块将三相交流电变成稳定平滑的直流电源，主要由抑制电磁干扰滤波器、整流桥、LC平波电路组成。
电磁炉本身就是一干扰源，在大功率电磁炉电路中，三相整流桥模块，高速IGBT模块的应用会产生大量电磁干扰信号，这些干扰信号会影响到其他电路及电网中其他设备的正常运行，同时也会影响到电网的用电安全。
如图4所示，其中L1，L2，L3为共模扼流圈，由于它的两个线圈匝数相等，这三个电感对于差模电流和主电流所产生的磁通是方向相反、互相抵消的，因而不起作用而对于共模干扰信号，能够得到一个大的电感量呈现高阻抗，以获得最大的滤波效果，因此对共模信号其有良好的抑制作用。
图4抑制电磁干扰滤波电路
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在共模扼流圈两端分别有三组电容接到中线，在每个电容上并联一个大电阻 用来吸收静电。CY1、CY2、CY3并接在相线和大地之间。当差模噪声经电源线A相时，分别经CX3和L1、CX6返回中性线N，并得到衰减，减小干扰。共模噪声是从电源线ABC与N对地E加入的干扰信号，当干扰信号进入电磁干扰滤波器时，经L1、CY3入地，信号通过共模电感线圈L1时，因产生的磁场方向相同而受到急剧的衰减，然后经CY3入地，从而抑制了电网对设备的干扰。 3.1.2 逆变电路设计
逆变模块的设计包括谐振电路的设计，本课题采用的是电压型串联谐振电
路，谐振电路的设计则主要为谐振电容和谐振电感的参数设计以及IGBT的选型。
开关管的峰值电压：Vm?6Uin_max=6?220?110%?593V。一般取实际值的2-3倍为IGBT的额定值，所以选取IGBT耐压值为1200V。考虑到电网电压的波动，输入电压Vv=2UDC?min/?=208V。
谐振电路中电流的最大有效值：Io=Pmcos?/v=18000?0.9?208?77.9A，IGBT的峰值电流为：Im=2IO=2?77.9=110A。考虑IGBT的安全性选用额定电流为200A，最后选定的是欧佩克FF200R12KS4。
串联谐振电路输出电压的有效值为：Vm?(22/?)?(510/2)?229.55V根据串联谐振电路的输出电流，可以得到谐振电容两端电压的最大值为：Vc=VhQ，Q为负载的品质因数，一般取5，有： Vc=VhQ=229.5?5?1148V，由电容上的电压和电流可以得到容抗为：Xc=Vc/Io=1148/78=14.7?，再由Xc=1/?C，所以，C=1/?Xc=1/(2??18000?14.7)=0.61uF。
逆变器的工作频率在18kHz～35kHZ，再经过实际工程调试，最后选择由7个0.1uf、1600V的高频电容器并联成0.7uF。谐振电路的电感参数包括线圈盘的电感、锅具等效电感，有：L=XL/?=14.7/(2??18000)?130uH。考虑到有锅具等效电感的存在，结合实际工程调试，最后选取线圈盘的参数为90uH。
在本课题研究中，考虑到大功率电磁炉运行的特点，采用了单相半桥电压型逆变电路作为大功率电磁炉的逆变电路。开关器件V1和V2的栅极信号在一个周期内各有半个周期正偏，半个周期反偏，且考虑到大功率开关器件的开通和关断延时，防止上下桥臂直通，两开关器件的驱动信号之间设有死区时间，保证同一桥臂的上(下)管己经完全关闭后，下(上)管才能开通。大功率电磁炉主电路的工作过程可以分成四个阶段，各阶段的等效电路如图5所示。在本文中，研究一个工作周期的情况。定义主开关V1开通的时刻为t0。
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DC_min=2.34U(1-10%)=463V，逆变电路的基波分量
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(1)[t0，t1]阶段：在t0时刻，开关器件V1导通，V2关断，在直流电压ud的激励下，电感中电流iL增大,通过电磁感应将电能传给锅具，使锅具加热，同时将部分能量储存在电感中。其电流方向如图5(a)所示。
(2)[t1，t2]
在t1时刻，开关器件V1关断，但由于死区时间的存在，V2也关断，感性负载中的电流不能立即改变方向，于是VD2导通续流，电流iL逐渐减小，电感释放能量，在电流未到零之前电流方向不变。其电流方向如图5(b)所示。
图5电磁炉逆变电路各阶段工作等效图
(3)[t2，t3]
在t2时刻，开关器件V2导通，V1关断，在电感电流iL到零后，电感电流改变方向，电流iL反向增大，通过电磁感应将电能传给锅具，使锅具加热，同时将部分能量储存在电感中。由于续流过程的存在，开关器件v2在零电压(ZVS)下开通，减少了器件的开关损耗。其电流方向如图5(c)所示。
(4)[t3，t4]
在t3时刻，开关器件V2关断，由于死区时间的存在，V1也关断，感性负载中的电流iL不能立即改变方向，于是VDI导通续流，电流iL逐渐减小，电感释放能量，在电流未到零之前电流方向不变。其电流方向如图5(d)所示。从t4时刻开始，又开始一个新的周期，重复上述过程。
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3.2 电磁炉功率模块驱动电路设计
在大功率电磁炉中，逆变侧的电压电流波动以及开关器件的didt，对开关
器件有很大的影响，因此对功率器件特性和驱动的研究意义深远。本节重点研究了IGBT的特性、功耗、驱动电路及其并联应用。 3.2.1 IGBT特性及栅极驱动电阻的选择
IGBT模块的特性对其使用有着重大意义，了解IGBT模块的特性，有利于
更好的设计IGBT驱动电路和保护电路。IGBT作为电压驱动器件，寄生电容存在于各端子间，因此在开通或者关断的时候电容都会充放电。
IBGT一般应用在大电压、大电流的强电电路中，开关频率很大，因此开通和关断时电流变化很大，会引起较大的浪涌电压。IGBT的安全保护特别重要，特别是静电防护，一般栅极一发射极所加的电压不能高于驱动电压太多，而且栅极发射无电压时，不能在集电极和发射极间加电压。
大功率电磁炉采用的是半桥谐振电路，下面以半桥电路举例分析IGBT模块内部的低电感设计。图6中的电感为两单元IGBT模块的寄生电感，产生这些电感的主要原因是由于芯片之间的相互连结以及连接导线。
图6 IGBT模块寄生电感 图7 开关管在开关过程中的损耗分布
LG为栅极寄生电感;LC为上IGBT集电极寄生电感;LEC为上IGBT发射极与下IGBT集电极之间的寄生电感;LE为下IGBT发射极寄生电感。
在开关管开通的过程中，由于有LC、LEC的存在，降低了开关管的损耗，但是在关断过程中，开关管的主动关断以及二极管的反向恢复，由于有寄生电感的存在，会感应出过电压，使得开关损耗增加以及开关管承担更大的过压风险。在短路和过载时，寄生电感的表现就更明显，因此一般在硬开关电路中，寄生电感要求越低越好。功率模块的内部寄生电感是用户无法改变的，主要与功率模块
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的制造有关，良好的结构工艺和精湛的技术可以改善寄生电感。
IGBT功耗是IGBT设计时考虑的一个非常重要的参数，对于不同功耗的IGBT采取的散热方式和驱动电路都有很大差别。逆变电路的损耗主要有静态损耗、开关损耗和驱动损耗。图7表示出功率器件可能存在的损耗。
对于IGBT的控制都是通过控制IGBT栅极来得到的，通过栅极电压的控制来实现IGBT的开通和关断，通常有以下三种形式:电阻控制、电压控制和电流控制。
目前最为流行的方法是用电阻控制栅极电容充放电完成对IGBT的开关控制，其优点是可以通过控制栅极电阻的大小来改变充放电的速度，可以根据不同的开关器件、不同的应用电路选择不同的栅极电阻。但是这种电路也有一个缺点就是在开关过程中会出现米勒平台，主要产生原因是栅极电阻和寄生电容充放电过程中，寄生电容在很短一段时间内会等效无穷大，导致栅极电压有很短一段时间会是保持状态，一般来说这种状态不会影响正常运行，但是栅极电阻不能取太大，否则会影响IGBT的开通。栅极电阻的作用是限制栅极电流，使得IGBT等效寄生电容能够平滑的充放电，理论上，栅极电阻越大越好，但是过大的栅极电阻会增加IGBT的功耗，同时会引起栅极电压震荡，影响IGBT开通关断，因此在实际应用中要合理使用。 3.2.2 驱动电路的设计及其优化
本课题采用的驱动电路主要是基于日本富士芯片EXB841上设计的，此集成芯片有如下性能特点：
(1)能提供4A栅极驱动电流；(2)供电电压为24V，分为+15V和-5V；(3)控制信号电流大小为If=10mA；(4)最大开关频率可达40kHz；(5)内部带有短路、过流保护；(6)IGBT内部过流后有自动关断功能；EXB841电路原理图如图8所示，其工作过程可分为以下几个阶段：
图8 EXB841电路原理图
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