关于IGBT启动电流大的分析与研究(全文)

关于IGBT启动电流大的分析与研究(全文) 【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，IGBTCE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2IGBT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3IGBT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IGBTC极电压，那么其启动电流必小。

3.解决方案研究
3.1降低IGBTC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，IGBTC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5IGBT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IGBTGE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IGBTC极电压（V）
（振荡最高电压）IGBTG极驱动电压（V）IGBT启动最大电流（A）第一次测量73217.766.4
第二次测量73617.563.2
第三次测量73617.762.8
平均值73417.664.1
表2对IGBT驱动电压15v测试数据
15v驱动电压IGBTC极电压（V）
（振荡最高电压）IGBTG极驱动电压（V）IGBT启动最大电流（A）第一次测量72814.856.4
第二次测量72814.956.0
第三次测量73214.856.0
平均值72814.856.1
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）
17.673464.1
14.872856.1
13.472553.6
12.872653.6
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7IGBT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Q1E 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Q1E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IGBTG极驱动电压（V）IGBTC极电压（V）电流（A）高电平（接5V）12.272051.6
低电平（接地）17.874470.0
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，12VIGBT驱动电压在启动时，IGBTCE电流分别为70.0A，51.6A，差异为18.4A。

可见，驱动电压降低6V，IGBTCE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IGBTC 极波形，绿色是IGBTCE电流波形，蓝色是IGBTG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。

3.2.4IGBT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，IGBTCE 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，IGBTCE 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].2022.。