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【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
[1]袁长迎等.掌握和精通MathCAD2000[M].北京：机械工业出版社，2001.
[2]许德伟，朱东起，黄立培等.电力半导体器件和装置的功率损耗研究[J].清华大学学报，2000，40（3）：5-8.
[3]胡建辉，李锦庚，邹继斌等.变频器中的IGBT模块损耗计算及其散热系统设计[J].电工技术学报，2009，24（3）：161-162.
[4]郑利军.PWM方式开关电源中IGBT的损耗分析[J].电力电子技术，1999（5）：58-60.
[5]Ramy Azar，Florin Udrea，Mahesh De Silva， et al.Advanced SPICE Modeling of Large Power IGBT Modules[J].IEEE Transactions on Industry Applications，2004，40（3）：710-716.
[6]A.D.Rajapakse，A.M.Gole and P.L.Wilson. Electromagnetic transient simulation models for accurate representation of switching losses and thermal performance in power electronic systems[J].IEEE Trans.Power Delivery，2005，20（1）：319-327.
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。
【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
[1]袁长迎等.掌握和精通MathCAD2000[M].北京：机械工业出版社，2001.
[2]许德伟，朱东起，黄立培等.电力半导体器件和装置的功率损耗研究[J].清华大学学报，2000，40（3）：5-8.
[3]胡建辉，李锦庚，邹继斌等.变频器中的IGBT模块损耗计算及其散热系统设计[J].电工技术学报，2009，24（3）：161-162.
[4]郑利军.PWM方式开关电源中IGBT的损耗分析[J].电力电子技术，1999（5）：58-60.
[5]Ramy Azar，Florin Udrea，Mahesh De Silva， et al.Advanced SPICE Modeling of Large Power IGBT Modules[J].IEEE Transactions on Industry Applications，2004，40（3）：710-716.
[6]A.D.Rajapakse，A.M.Gole and P.L.Wilson. Electromagnetic transient simulation models for accurate representation of switching losses and thermal performance in power electronic systems[J].IEEE Trans.Power Delivery，2005，20（1）：319-327.
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。