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IGBT在电磁炉中的典型应用与测量
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| 本文结合IGBT在电磁炉中的典型应用，对其工作原理作了详尽的分析，利用指针式万用表对其进行静态和动态测量作一讲述。 1．IGBT的结构 IGBT管是功率场效应管与双极性晶体三极管(NPN 或PNP)复合后的一种新三极管，其输入管为绝缘栅场效应晶体管，输出管为双极性晶体三极管，内部结构及对应的电路符号如图1所示。 输入管的漏极通过一只电阻与输出管的基极相连。输入管的源极与输出管的集电极并接在一起构成IGBT管的发射极e，输入管的栅极仍为IGBT管栅极G，输出管的发射极成为IGBT管的集电极C。从图1可以看出，NPN型的IGBT管内部配接的是PNP型的三极管，PNP型的IGBT管内部配接的是NPN型的三极管。 IGBT管一旦导通，由于栅极电流恒为零。所以集电极电流与发射极电流相等，即Ie=Ic。对于绝缘栅双极性场效应晶体管的命名，现在还没有统一的方法及规定，常用的NPN型IGBT管型号有：GNl2050E、GNl2030E等。 IGBT管制作时，在其内部c、e极之间并接一只二极管，就构成带阻尼的场效应晶体管。它主要用在与感性器件相连的开关、脉冲电路中，且多为NPN型。其内部结构、电路符号如图2所示，常用的型号有：GT40T301； IRG4ZH70VD、FGA25N102等，外形图如图3所示。 2．IGBT的特性  IGBT管工作时，用栅极电压控制内部场效应管导电沟道的形成。进而控制集电极、发射极电流的大小。其工作电流一般都在20A以上，功率在1kW以上。目前，IGBT的 控制电压高于3V即可，最高工作频率已超过150kH，最高 反压Vcbs大于1700v，Ioa已超过800A，PCM已达 3000W，Ton小于50ns。IGBT管广泛用于大功率电压谐振变换电路中，如电磁炉、汽车电子点火器、变频器等产品。 3．IGBT的典型应用 图4为IGBT管在电磁炉中的典型应用简图。电路包括四部分：主电源整 流滤波电路、电磁调 振回路L2、C3 滤波得到的约300V电压，经过L2、C3组成的谐振回路加到T1的集电极C，回路得到能量产生LC电磁振荡，L2中的高频电流产生交变的磁场，饭锅处在线圈的上部，金属锅底处在磁场中将产生涡流。发出热量对食物加热。  T1在栅极控制脉冲的作用下处于开关工作状态。当栅极为高电平时，T1导通电流经L2、C3组成的谐振回路流过，并给回路提供和补充能量，使振荡加强；当栅极为低电 平时T1截止。L2、C3回路内进行衰减的电磁振荡，自身能 量逐渐变小；到下次T1导通，并联谐振回路再次接受能量 使振荡加强。这两个过程循环往复，从而实现了电磁炉的持续加热。T1导通时，L2、C3谐振回路从电源吸收能量．而吸收能量的多少取决于T1每次导通时间，要调节加热功率，只需调节T1栅极开关脉冲的宽度即可。  以晶体管Q1、Q2为中心组成的互补型开关脉冲功率驱动电路，将脉冲放大后经R3加到T1的栅极，由于在T1的栅极与发射极间存在着容量达几千PF的寄生电路，尽管栅极无需供电电流，但在驱动脉冲电压的上升及下降沿到来时，需通过栅极提供数安的充放电电流，才能满足开通和关断T1的动态要求，这就要求它的驱动电路必须输出一定的峰值电流。具体工作过程为：当控制信号为高电 平时，Q1导通，18V的电源通过R2、R3对控制栅极的寄生电容充电，当控制极电压大于开启电压时T1导通；当控制信号为低电平时(对地为负)，Q2导通。寄生电容通过R3、Q2放电，当控制极电压低于开启电压时T1截止。由于G、e极之间的寄生电容较小，开关脉冲功率驱动电路的驱动电流较大，故T1的开关速度较高，与输入脉冲相比T1导通和截止的在时间延迟上很小。 该电路要求T1承受较高的反峰电压。T1导通时c—e 之间压降很小。只有零点几伏，T1截止后．由于加热线圈上电流发生剧变，故其上会产生较大的自感电动势，该电动势与电源电压串联相加后，施加到T1的C极，远大于电源电压，平时要求T1的耐压要超过1200V。T1内的阻尼二极管在L2、C3谐振期间起续流作用， 即在LC振荡持续到1／2～3／4周期期间，L3上的自感电动 势对C3反方向充电至电源电压后，阻尼管得到正向偏压而导通，释放L3、C3振荡电路的部分能量以达到对振荡限幅衰减的目的。 4．IGBT的测量  由于IGBT管由场效应管和晶体三极管复合而成，因此测量时应立足于场效应管内部沟道的形成与否，以及晶体管PN结的单向导电性。 (1)NPN型管的测量测量前将G、C、e三个电极短接 一下，将指针式万用表拨到Rx1k挡，测极与极之间电阻时会发现电阻均为无穷大，若此时发现某两极之间电阻特别小，表明内部有击穿现象；然后将万用表拨到Rx10k挡，利 用给栅极充电使场效应管内部建立沟道的方法找出栅极， 方法是：先假定某一极为栅极黑笔与其相连，红笔与其他两极分别相碰，然后再测量其他两极电阻，应该呈单向导通的状态，若不是单向导通则表明假定的栅极不是栅极，再换一极重新按以上步骤测量直到符合上述要求。单向导通时黑笔所接的电极为C极，红笔所接的电极为e极。因为 此时场效应管内的导电沟道已经出现，内部晶体三极管基极偏置回路已经形成，故c、e之间应是单向导通，若各种状态下均不出现单向导通状态则表明管子已损坏。 (2)PNP型管的测量测量前将G、C、e三个电极短路 一下。将万用表置于Rx1k挡，测极与极之间电阻会发现为无限大，然后将万用表拨到Rx10k挡，先假定某一极为栅极。红表笔与该极相连，黑表笔分别与其他两极相碰后，再测量其他两极的电阻若呈现单向导通的状态，表明假定的 栅极就是栅极，即整个测量过程与测NPN型的管子几乎 一样，只不过在确定栅极时，应将红笔与栅极相连，C、e之间单向导通时黑表所接电极为发射极e。红表笔所接为集电极c。 (3)带阻尼的NPN型管的测量 测量为两步： 第一 静态测量先将G、C、e三个电极短路，用万用表的Rxll挡测量极与极之间的正反向电阻，会发现其中有两极呈现向导通状态，正向导通电阻为4k～5k，导通结果是由内部的阻尼二极管引起，故导通时黑表笔所接为IGBT管自发射极e，红表笔所接为c，剩下的一极即为控制极G，它的其他两极的正反向电阻均为0。为保险起见，应再进行动态测量。 第二、，动态测量，将万用表拨到Rx10k挡，黑、红表笔分别与G、e两极相接，利用表内部电池给栅极充电，由于表内部电池电压远高于场效应管开启电压3V，故此时将使IGBT管内的场效应管建立起导电沟道，然后再用万用表的Rx1k挡测C、e之间电阻，会发现c、e之间由原来自单向导通变为双向导通，Rce=3k左右，Rec=4k左右，若重新短路一下G、e两极，再测c、e之间的电阻，会发现又回到原来的单向导通状态。亦可以用0V～10V的可调l直流电源给G、e两极加上正向偏压，同时利用万用表Rxl 挡测C、e之间电阻，会发现随着G、e两极所加电压的增加，c、e之间电阻Rce逐渐变小。通过动态、静态测量。若符合上述过程，表明管子正常，若发现控制栅极G与其他电极电阻很小。或C、e极之间正、反向电阻均很大，则表明管子损坏。 |
