关于IGBT启动电流大的分析与研究

【摘要】在电磁炉工作启动瞬间，由于是在硬开关下开始启动的，故开通启动电流非常大，有时可达100A以上，而目前电磁炉行业常使用的IGBT―H20R1203规格最大脉冲电流只能允许60A。过大的启动电流是烧坏IGBT的因素之一，通过研究IGBT的特性，改变IGBT驱动电源，可有效降低IGBT启动电流，实践验证，将IGBT驱动电压由18V改成12V，IGBT检锅时，IGBT CE电流可降低18A左右，启动电流降至规格要求附近。

【关键词】电磁感应加热;电磁炉;IGBT启动;IGBT驱动电源;IGBT电压;IGBT电流

1.引言

目前在中低功率（2200W以下）电磁炉电控系统中，用得最多的是单管结构，即采用1个IGBT作为高频开关控制谐振回路。在IGBT启动后，一般是ZVS（零电压开关）状态，故IGBT在过零电压导通，电流与损耗都非常小，IGBT处于安全工作区。但是，在启动时刻，IGBT是在高电压下开通，此时会有一个非常大的脉冲电流。如果脉冲电流过大，就会可能烧坏IGBT，影响系统的可靠性。

图1 电磁炉单管电路主图

2.分析

在电磁炉未加热，待机状态，此时IGBT驱动电平为0，IGBT不开通。假设输入火线与零线间输入电压时220V，则整流桥堆（BD1，如图1所示）输出的电压为220*=311V，此电压经过L2，此时L2相当于短路，因此311V直流电压加在IGBT的C极上。实测开通时波形如图2所示。

图2 IGBT开启时刻电压电流波形

由图2可知，IGBT的电流上冲到72.6A，而目前电磁炉使用的IGBT，型号一般为H20R1203，其电路符合，封装，部分极限参数如下，图示最大规格是60A。

图3 IGBT相关参数1

原则上IGBT应用时是不应该超出其规格范围，否则就会超出IGBT承受能力而烧坏IGBT。因此，解决关于IGBT启动电流大问题非常重要。

从以上分析可知，开启时IGBT电压过高时其中一个因素，那么如果能够降低IGBT C极电压，那么其启动电流必小。

3.解决方案研究

3.1 降低IGBT C极电压降低启动电流

图4 加入可控硅Q4控制输入电压

通过对输入端加入可控硅开关，则可以调节整流桥输出电压，因此，IGBT C极电压可以调节，当然，是电压向小的方向调节。

此方法缺点是增加可控硅条件，而且控制比较复杂，成本增加较多。

3.2 改变IGBT驱动电源降低启动电流

3.2.1 修改IGBT驱动电压降低启动电流依据

图5 IGBT驱动电压于输出电流的关系

图6 硬件更改IGBT驱动电压

从IGBT特性可知，不同的驱动电压对应IGBT的短路电流是不同的，如图5所示IGBT GE和IC特性，驱动电压越高，IGBT电流越大。如果IGBT驱动电压控制在10V，其电流在40A以下。这为我们改进电路提供理论依据。

3.2.2 直接改变驱动供电电压（如图6所示）

按照上述测试方式，测试IGBT启动电流如下：

测试三次结果如下：

表1 对IGBT驱动电压18v测试数据

18v驱动电压 IGBT C极电压（V）

（振荡最高电压） IGBT G极驱动电压（V） IGBT启动最大电流（A）

第一次测量 732 17.7 66.4

第二次测量 736 17.5 63.2

第三次测量 736 17.7 62.8

平均值 734 17.6 64.1

表2 对IGBT驱动电压15v测试数据

15v驱动电压 IGBT C极电压（V）

（振荡最高电压） IGBT G极驱动电压（V） IGBT启动最大电流（A）

第一次测量 728 14.8 56.4

第二次测量 728 14.9 56.0

第三次测量 732 14.8 56.0

平均值 728 14.8 56.1

按上述数据表格方式，更改IGBT驱动电源，分别是13.4V，12.8V，记录数据如表3所示。

表3 对驱动电压14.9V～12.8V测试结果汇总比较

IGBTG极驱动电压（V） IGBTC极电压（V）

（振荡最高电压） IGBT启动的最大电流（A）

17.6 734 64.1

14.8 728 56.1

13.4 725 53.6

12.8 726 53.6

说明：适当改变驱动电源电压大小能减小IGBTCE电流值，而从驱动电压从18V减少至12V，电流减少量非常明显。

3.2.3 设计实现电路驱动电压改为两档控制

图7 IGBT驱动电压可分别有18V，12V控制模式

3.2.3.1 新电路原理介绍

当CPU送高电平R10，Q2导通.DW1导通，由于DW1是12V，故Q1 E脚的输出是12V。

当CPU送低电平R10，Q2截止。DW1不导通，R11提供偏置电流，Q1导通，故Q1 E脚的输出是18V。

3.2.3.2 新电路IGBT启动（下转第45页）（上接第43页）波形测试结果

新电路图7当R10端（CPU控制脚）为低，IGBT驱动电压实际测试结果为17.8V，新电路当图7R10端（CPU控制脚）为高，IGBT驱动电压实际测试结果为12.2V。

表5 对驱动电压18V与12V切换电路

实际测试结果汇总比较

R96左引脚处 IGBT G极驱动电压（V） IGBT C极电压（V） 电流（A）

高电平（接5V） 12.2 720 51.6

低电平（接地） 17.8 744 70.0

说明：（1）经过更改电路，IGBT电压可有两种电压，分别是18V，12V，依据需要可以控制IGBT的驱动电压为12V或18V。（2）18V，12V IGBT驱动电压在启动时，IGBT CE电流分别为70.0A，51.6A，差异为18.4A。可见，驱动电压降低6V，IGBT CE电流可有效降低18A左右。

以上为IGBT初次启动时验证结果，启动后进入ZVS状态，电磁炉正常加热，测试结果如下：

测试新电路当R10在高低电平切换时，即IGBT驱动电压=12V升到18V时，加热时（IGBT为ZVS）测试IGBT波形。

如图8所示采用新驱动电路IGBT电压从12V切换成18V时运行波形（电流探头设定X100），红色圈中为切换时序。其中黄色是IGBT C极波形，绿色是IGBT CE电流波形，蓝色是IGBT G极波形。

图8 采用新驱动电路IGBT电压

从12V切换成18V时运行波形

说明：从波形看电路可顺利从12V切换到18V，IGBT进入稳定工作状态，即ZVS状态，此后不再有大电流产生，IGBT工作在SOA范围，安全可靠。从测试结果来看，电路逻辑功能与实际功能都是正常的。

3.2.4 IGBT驱动波形时序上改变降低启动电流

IGBT启动电流除了与驱动电源幅值有关，还与驱动电压的宽度有关系。因此IGBT驱动方式可采用短暂开通、关断、再开通的开启方法。短暂开通IGBT，此时IGBT开始进行导通状态，电流迅速抖升，为防止IGBT电流进一步上升，关断IGBT，此时C极电压也有所降低（见图2），待一小段时间再开通IGBT，此时因IGBT电压有所下降，电流也势必下降很多。当然，这些延时时间都是1～2uS，甚至是纳秒极，所以需要精确控制IGBT的驱动时间，配合软件调制，才可以达到降低IGBT启动电流的目的。这种方法对软件要求较高，但成本最优。

4.结论

（1）将IGBT驱动电压由18V改成15V，IGBT首次启动时，IGBT CE电流可降低8A左右。

（2）将IGBT驱动电压由18V改成12V，IGBT首次启动时，IGBT CE电流可降低18A左右。

（3）通过更改电路可实现12V与18V电压切换，由CPU端口进行控制，首次启动IGBT采用12V，完成后再切换成18V驱动电压，达到降低驱动电压减少启动电流，但又不影响正常（ZVS）时驱动电压。

（4）通过软件调制IGBT首次开启时的时序，中间加入一小片时间作关断，也可有效降低IGBT启动电流，而且是性价比最优化的方法。

参考文献

[1]邱关源.电路[M].高等教育出版社，2001.

[2]李翰逊.电路分析基础[M].高等教育出版社，2002.

[3]英飞凌公司.IGBT技术规格书IHW20N120R3[S]. 2011.