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现代电磁炉烹饪需要紧凑而高效的解决方案
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2024年10月22日 18:27 71
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分立式 IGBT因其固有效率而成为现代逆变器电磁烹饪产品的首选电源开关。随着能源成本不断上升，消费者对更小烹饪解决方案的需求不断增加，IGBT 技术必须不断发展以满足这些需求。
在本文中，英飞凌科技描述了该领域面临的挑战，并介绍了一种满足这一苛刻市场技术和价格挑战的新技术。
感应加热的基本原理由迈克尔·法拉第于 1831 年发现，并由海因里希·伦茨进一步发展。他们在进行磁力和 EMF 实验时发现，在磁场切换过程中，铁芯会产生热量。
基于这一基本原理，电磁炉使用磁场直接加热炊具，进而加热食物。这种烹饪方式越来越受欢迎，因为它比燃气灶更节能，因为只加热炊具。它也快速且高度可控，因为只需改变磁场强度即可改变热量水平。
同样的电磁技术现在也用于电饭煲，与标准加热元件相比，电磁技术可以更好地传热，并能实现瞬时且精确的温度变化。电磁烹饪的一个主要优点是烹饪表面完全密封，因此更容易清洁，使烹饪过程比其他方法更卫生。
随着电磁炉越来越受欢迎，消费者的期望也随之增加，这给设计师带来了更大的挑战。效率是许多消费者关注的关键问题，这是由于全球能源成本不断上涨以及法规越来越严格所致。设计师还必须考虑安全性和可靠性，确保产品不会出现故障，导致消费者无法烹饪，并损害供应商的声誉。
为了使其产品组合与众不同，许多制造商都提供高级功能，例如启用 Wi-Fi 控制。虽然消费者会评估这些附加功能，但价值和价格已成为选择电磁炉烹饪设备的重要标准。
电磁炉的核心是绝缘栅双极晶体管(IGBT)，它控制着关键的电源开关功能。因此，IGBT 是最终产品的效率、尺寸、可靠性和成本的关键因素。
显然，选择最佳 IGBT 解决方案对于电磁炉设计师来说至关重要。在大多数情况下，设计师会关注关键参数，例如最大集电极电流 (IC) 和最大集电极-发射极电压 (VCE)，以确保 IGBT 能够控制所需的功率（对于烹饪应用，通常高达 2100 W）以及对设备运行效率至关重要的 VCEsat 和 Eoff。
选择最佳的电路拓扑也很重要，因为设计需要简单、可靠和节能。电磁炉中最常用的拓扑之一是单端并联谐振逆变器 (SEPR)，尽管其功率水平相对有限。
该拓扑主要由并联电感器和电容器谐振回路网络以及组合的 IGBT 和二极管和小电容器组成，可改善EMI 性能，并与二极管一起为电感器的谐振电流提供路径。逆变器通常由经过整流但不经过明显滤波的电源线电压供电，从而实现接近单位功率因数校正。
典型工作频率在 20 至 60 kHz 范围内，因此完全避开了可听范围。开关频率受到控制，软启动在较高频率下运行，最大功率在较低频率下传输。一般而言，感应烹饪应用的需求比电机驱动器更简单，因为不需要硬开关能力、高短路额定值或特殊封装类型。
软开关拓扑通过使用零电压开关 (ZVS) 或零电流开关 (ZCS) 操作模式，显著降低 IGBT 的开关损耗。在硬开关应用中，IGBT 开关两端的电压降可能导致相当大的功率损耗。然而，在软开关应用中，这些损耗几乎可以忽略不计，从而提高了系统的整体效率。
RC-E 系列
最新上市的反向传导 IGBT 器件之一是领先功率半导体器件制造商英飞凌科技股份公司推出的 RC-E 系列。RC-E 系列基于与世界领先的分立 IGBT 系列 (RC-H) 相同的专用技术，针对包括低/中档电磁炉在内的谐振应用进行了成本和功能优化。
英飞凌目前提供 RC-E 系列的两款器件，即 15 A、1200 V IHW15N120E1 和 25 A、1200 V IHW25N120E1。与英飞凌的其他反向传导 IGBT类似，RC-E 在 IGBT 本身内集成了一个单片集成反向传导续流二极管，因此在软开关应用中无需单独的二极管（通常与 IGBT 一起封装），这使得 RC-E 系列非常易于使用。
RC-E 将场截止层与沟槽栅极结构相结合，饱和电压大大提高，关断时消耗的能量非常少。与早期的NPT 技术相比，更薄的基板提高了传导和开关性能?。与共封装二极管解决方案相比，RC-E 提供了更高的功率密度，而且由于二极管和 IGBT 使用相同的芯片面积，二极管的额定电流为满标称电流。
图 3：RC-E 系列提供市场领先的性能
RC-E 系列的功率损耗处于市场领先地位，如上所示，远优于竞争设备。这种较低的损耗水平使设计人员能够轻松实现电磁炉应用的关键目标。
损耗越低，烹饪时消耗的能量就越少，从而降低了消费者的运营成本。由于废热越少，RC-E 运行时温度越低，可靠性越高。由于给定功率水平所需的冷却越少，最终产品的尺寸会立即变小，因为散热器的尺寸会减小，因此成本也会降低。此外，这有助于提高 IGBT 的效率和使用寿命。
由于RC-E系列采用业界标准的TO-247封装，更换或升级现有设计非常简单，使设计人员能够以最小的努力和设计风险改进现有产品的规格和成本。
电磁炉用分立式 IGBT 的完整系列包括多个系列。RC-H5 是高频范围 (>30 kHz) 的理想选择，损耗最低，效率最高。
虽然许多电磁炉应用不需要驱动器 IC，但当需要驱动器时，RC-E 与 IRS44273L 是最佳搭配。低压非反相栅极驱动器具有电流缓冲级，支持 MOSFET 和 IGBT。单片结构采用防闩锁 CMOS 技术，驱动器输入与 CMOS 或 LSTTL 逻辑电平兼容。
E1 (RC-E) 在所有设备中性价比最高。15 A 版本非常适合功率不超过 1800 W 的低功率设计。当价格和性能是最终产品的关键因素时，RC-E 是理想之选。
在本文中，英飞凌科技描述了该领域面临的挑战，并介绍了一种满足这一苛刻市场技术和价格挑战的新技术。
感应加热的基本原理由迈克尔·法拉第于 1831 年发现，并由海因里希·伦茨进一步发展。他们在进行磁力和 EMF 实验时发现，在磁场切换过程中，铁芯会产生热量。
基于这一基本原理，电磁炉使用磁场直接加热炊具，进而加热食物。这种烹饪方式越来越受欢迎，因为它比燃气灶更节能，因为只加热炊具。它也快速且高度可控，因为只需改变磁场强度即可改变热量水平。
同样的电磁技术现在也用于电饭煲，与标准加热元件相比，电磁技术可以更好地传热，并能实现瞬时且精确的温度变化。电磁烹饪的一个主要优点是烹饪表面完全密封，因此更容易清洁，使烹饪过程比其他方法更卫生。
随着电磁炉越来越受欢迎，消费者的期望也随之增加，这给设计师带来了更大的挑战。效率是许多消费者关注的关键问题，这是由于全球能源成本不断上涨以及法规越来越严格所致。设计师还必须考虑安全性和可靠性，确保产品不会出现故障，导致消费者无法烹饪，并损害供应商的声誉。
为了使其产品组合与众不同，许多制造商都提供高级功能，例如启用 Wi-Fi 控制。虽然消费者会评估这些附加功能，但价值和价格已成为选择电磁炉烹饪设备的重要标准。
电磁炉的核心是绝缘栅双极晶体管(IGBT)，它控制着关键的电源开关功能。因此，IGBT 是最终产品的效率、尺寸、可靠性和成本的关键因素。
显然，选择最佳 IGBT 解决方案对于电磁炉设计师来说至关重要。在大多数情况下，设计师会关注关键参数，例如最大集电极电流 (IC) 和最大集电极-发射极电压 (VCE)，以确保 IGBT 能够控制所需的功率（对于烹饪应用，通常高达 2100 W）以及对设备运行效率至关重要的 VCEsat 和 Eoff。
选择最佳的电路拓扑也很重要，因为设计需要简单、可靠和节能。电磁炉中最常用的拓扑之一是单端并联谐振逆变器 (SEPR)，尽管其功率水平相对有限。
准谐振单开关逆变器通常用于电磁烹饪应用
该拓扑主要由并联电感器和电容器谐振回路网络以及组合的 IGBT 和二极管和小电容器组成，可改善EMI 性能，并与二极管一起为电感器的谐振电流提供路径。逆变器通常由经过整流但不经过明显滤波的电源线电压供电，从而实现接近单位功率因数校正。
典型工作频率在 20 至 60 kHz 范围内，因此完全避开了可听范围。开关频率受到控制，软启动在较高频率下运行，最大功率在较低频率下传输。一般而言，感应烹饪应用的需求比电机驱动器更简单，因为不需要硬开关能力、高短路额定值或特殊封装类型。
软开关拓扑通过使用零电压开关 (ZVS) 或零电流开关 (ZCS) 操作模式，显著降低 IGBT 的开关损耗。在硬开关应用中，IGBT 开关两端的电压降可能导致相当大的功率损耗。然而，在软开关应用中，这些损耗几乎可以忽略不计，从而提高了系统的整体效率。
RC-E 系列
最新上市的反向传导 IGBT 器件之一是领先功率半导体器件制造商英飞凌科技股份公司推出的 RC-E 系列。RC-E 系列基于与世界领先的分立 IGBT 系列 (RC-H) 相同的专用技术，针对包括低/中档电磁炉在内的谐振应用进行了成本和功能优化。
英飞凌目前提供 RC-E 系列的两款器件，即 15 A、1200 V IHW15N120E1 和 25 A、1200 V IHW25N120E1。与英飞凌的其他反向传导 IGBT类似，RC-E 在 IGBT 本身内集成了一个单片集成反向传导续流二极管，因此在软开关应用中无需单独的二极管（通常与 IGBT 一起封装），这使得 RC-E 系列非常易于使用。
RC-E 反向导通 IGBT 包含一个集成续流二极管
RC-E 将场截止层与沟槽栅极结构相结合，饱和电压大大提高，关断时消耗的能量非常少。与早期的NPT 技术相比，更薄的基板提高了传导和开关性能?。与共封装二极管解决方案相比，RC-E 提供了更高的功率密度，而且由于二极管和 IGBT 使用相同的芯片面积，二极管的额定电流为满标称电流。
RC-E 具有较低的 Eoff、VF、Rth 和 Vce(sat)，针对低开关和传导损耗进行了优化，因此在宽功率范围内提供与市场领先者 RC-H3 非常相似的性能。该设备支持最常见的阻断电压 (1200 V)，并针对 18 至 40 kHz 范围内的开关频率进行了优化。
图 3：RC-E 系列提供市场领先的性能
RC-E 系列的功率损耗处于市场领先地位，如上所示，远优于竞争设备。这种较低的损耗水平使设计人员能够轻松实现电磁炉应用的关键目标。
损耗越低，烹饪时消耗的能量就越少，从而降低了消费者的运营成本。由于废热越少，RC-E 运行时温度越低，可靠性越高。由于给定功率水平所需的冷却越少，最终产品的尺寸会立即变小，因为散热器的尺寸会减小，因此成本也会降低。此外，这有助于提高 IGBT 的效率和使用寿命。
由于RC-E系列采用业界标准的TO-247封装，更换或升级现有设计非常简单，使设计人员能够以最小的努力和设计风险改进现有产品的规格和成本。
电磁炉用分立式 IGBT 的完整系列包括多个系列。RC-H5 是高频范围 (>30 kHz) 的理想选择，损耗最低，效率最高。
虽然许多电磁炉应用不需要驱动器 IC，但当需要驱动器时，RC-E 与 IRS44273L 是最佳搭配。低压非反相栅极驱动器具有电流缓冲级，支持 MOSFET 和 IGBT。单片结构采用防闩锁 CMOS 技术，驱动器输入与 CMOS 或 LSTTL 逻辑电平兼容。
E1 (RC-E) 在所有设备中性价比最高。15 A 版本非常适合功率不超过 1800 W 的低功率设计。当价格和性能是最终产品的关键因素时，RC-E 是理想之选。
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