En stegepande, der er halveret, står på en kogeplade med et æg, der forsigtigt er brudt ned i midten af den. Halvdelen på panden har et perfekt kogt, glinsende hvidt æg, mens den resterende halvdel er klar og ukogt. Det er et stærkt billede, der gør det helt klart, hvor meget mere effektive induktionskogeplader er i forhold til alternative teknologier til madlavningsapparater. Budskabet: Induktionsopvarmning placerer energien der, hvor der er brug for den.

Halvlederindustrien har reageret på efterspørgslen efter apparater med induktionsopvarmning ved løbende at justere og forbedre den koblingsteknologi, der er nødvendig for at gennemføre den optimalt. Induktionsteknologien optræder således almindeligvis også i riskogere, mælkeskummere og kogeplader.

Afvikling af induktion i opvarmningsapplikationer

Det er principperne for den almindelige transformer, der danner grundlaget for induktionsopvarmningsapplikationer. Men hvor en transformer inducerer en strøm i en sekundær spole fra en primær spole, bruger et induktionsvarmelegeme imidlertid den primære spole til at inducere strøm i selve kogekarret. Dette sikrer, at den resulterende varmeeffekt er koncentreret præcis der, hvor der er behov for den. Det er de hvirvelstrømme, der induceres i kogekarrets materiale, der resulterer i den opvarmningseffekt, der er kendt som Joule-varme. Beholdere af magnetiske materialer som rustfrit stål og jern giver høj modstand, mens ikke-magnetiske materialer som aluminium og kobber giver mindre modstand.

På grund af de høje frekvenser, der anvendes, flyder strømmen i den primære spole hovedsageligt i lederens overflade, en egenskab, der er kendt som skin-effekten. Induktionsvarmespoler anvender en særlig type kobbertråd, kendt som litzetråd, der består af mange tynde individuelle tråde. Dette har den virkning, at spolens overfladeareal øges, hvorved vekselstrømsmodstanden reduceres.

Topologivalg og deres funktioner

Der er flere tilgange til valg af topologi, men på grund af pristrykket på mange af de markeder, som disse applikationer er rettet mod, er Single-Ended Parallel Resonance (SEPR)-kredsløbet (SEPR) et almindeligt valg (figur 1). Denne softswitching-topologi gør brug af et resonant tanknetværk bestående af en kondensator, Cr, og en litzspole, Lr. En IGBT, der fungerer under ZVS-betingelser (zerovoltage switching) sammen med en paralleldiode, fuldender konstruktionen. I stedet for at anvende en diskret fremgangsmåde er dioden typisk integreret i IGBT’en, og diodens egenskaber er optimeret til behovene i denne type kredsløb. Skiftefrekvenser på 20-30 kHz sikrer, at enhver støj er uden for det hørbare område, hvilket gør dette kredsløb velegnet til magnetisk kogegrej. Højere frekvenser kan også anvendes som en del af en soft-start-funktion.

Figur 1: Et single ended parallel resonans (SEPR)-kredsløb anvendes typisk til spændingsresonanskredsløb.

Driften af spændingsresonanskredsløbet er opdelt i fire tidsperioder (figur 3) og gælder for det tilfælde, at opstartsprocessen er afsluttet (dvs. Cr er fuldt opladet):

1. T1 – Cyklussen starter med, at Q1 tændes, hvorved strømmen strømmer fra Cm gennem Lr og Q1 og får den strøm, der strømmer, til at stige lineært, indtil den når det ønskede niveau. I dette tidsrum er spændingen over Cr fastspændt til spændingen over Cm.

2. T2 – Dernæst slukkes Q1, hvilket får Lr og Cr til at gå i resonans. Den opnåede spidsresonansspænding stiger proportionalt med tændingstiden T1.

3. T3 – Resonansstrømmen ændrer retning, hvilket får spændingen over Cr til at falde.

4. T4 – Polariteten af spændingen over Cr vender nu om. Når den overstiger spændingen over Cm, begynder strømmen at løbe gennem dioden, hvilket bringer polariteten og spændingen over Cr tilbage til spændingen over Cm.

Figur 2: De fire driftsfaser i et SEPR-spændingsresonansdesign.

IGBT’ens nominering vil afhænge af den spændingsspids, som Q1 ser, hvilket for 100 VAC-forsyninger vil kræve en VCES-værdi på mellem 900 og 1200 V eller 1350 til 1800 V for 220 VAC-forsyninger.

Da effektkravene stiger, anvendes typisk en halvbro-strømsresonanstilgang med to IGBT’er med integrerede dioder (figur 3). Sådanne konstruktioner kan også understøtte “all metal”-brug, hvor koblingsfrekvenser på 80 til 100 kHz endda kan understøtte brugen af ikke-magnetiske kogekar. Resonanskredsen er implementeret som en serie-LC- eller LCR-konstruktion.

Figur 3: Induktionsvarmer halvbrokreds med strømresonant serie-LC.

Driften af dette kredsløb kan også beskrives i fire faser (figur 4), når opstartsprocessen er afsluttet, som følger:

1. T1 – Den øverste afbryder, Q1, tændes, hvilket resulterer i en strøm, der flyder fra kondensatoren, Cm, ind i resonansstrømkredsløbet Cr-Lr.

2. T2 – Afbryder Q1 slukkes, hvorved Cr oplades på grund af den strøm, der strømmer fra Lr gennem den nederste afbryders diode.

3. T3 – Afbryder Q2 tændes, hvorved en resonansstrøm kan strømme fra Cr gennem Q2 og ind i Lr. På dette tidspunkt er Q2’s VCE fastspændt på den parallelle (eller integrerede) diodens forward-spænding, hvorved der muliggøres en ZVS.

4. T4 – Afbryder Q2 slukkes, hvorved en friløbsstrøm kan løbe fra Lr gennem Cr, dioden parallelt med Q1 og Cm. På dette tidspunkt er Q1’s VCE på samme måde fastspændt til den parallelle (eller integrerede) diodes forward-spænding, hvilket muliggør ZVS for den næste fase, T1.

Figur 4: De fire driftsfaser i et halvbrostrømsresonansdesign.

Som følge heraf er spidsspændingerne begrænset til summen af den maksimale vekselstrømsindgangsspænding, hvilket gør det muligt at specificere IGBT’er med en VCES på 600 til 650 V for indgange på 220 VAC. De højere involverede strømme udelukker brugen af dette design med 100 VAC-indgange.

Valg af egnede IBGT’er til brug i induktionsvarmeapparater

Det er klart, at en passende forståelse for de spændinger, der genereres over VCES, er en kritisk faktor i IGBT-valget. Gate-drevspændingen, VGES, skal også gennemgås. Denne drives typisk ved 18 V for at reducere effekttab i IGBT’en. Udsving i strømforsyningen på mange markeder, nogle gange helt op til 20 %, betyder imidlertid, at konstruktørerne skal sikre sig, at databladet angiver tilstrækkelig plads til disse parametre. Termiske parametre, såsom Rth(j-c), giver vejledning om det nødvendige kølekoncept, mens der bør foretages test af elektromagnetisk kompatibilitet (EMC), især afbrydelsen ved lavere testfrekvenser.

Et andet kritisk aspekt, der skal gennemgås, er IC(sat) rating, en parameter, der er relevant under de kortslutningsstrømme, der flyder for at oplade Cr ved første opstart, indtil dens spænding svarer til den på Cm. Endelig bør FBSOA (forward-biased safe operating area) maksimale tilladte kollektorstrøm, VCE, kontrolleres for forskellige pulsbredder.

Punch-through (PT) IGBT’er er den foretrukne enhed i sådanne applikationer, idet de understøtter højere koblingsfrekvenser end tidligere ikke-PT-typer. De seneste fremskridt har udtyndet P-kollektorlaget for at skabe strukturer, der er kendt som field stop (FS) IGBT’er (field stop (FS) IGBT’er). Dette gør det muligt at skabe et N-lag for at muliggøre en omvendt ledende (RC) kropsdiode, hvilket fører til RC-IGBT’er. Med en reduceret hale strøm er de velegnede til softswitching-kredsløb. Toshibas nyeste RC-IGBT, GT20N135SRA, er en ny generation af enheder med understøttelse af 20 A @ 100 °C og 1350 V. Dette er ideelt til 220 VAC-forsynede induktionsvarmeapplikationer til 2200 W apparater med middelstor kapacitet.

Sammenlignet med tidligere generationers enheder er kortslutningsstrømmen, IC(sat), begrænset til ca. 150 A ved 100 °C. I kredsløbets opstartsfase, når Cr oplades, er dette med til at reducere kollektormætningsstrømmen og undertrykke spændingsoscillation (figur 5). Den bredere FBSOA betyder også, at der kan strømme højere strømme, men dette skal opvejes mod nogle af de tab, der omdannes til varme. GT20N135SRA har en maksimal Rth(j-c) på 0,48 °C/W, så hvis man antager, at IGBT’en skal afgive 35 W i et apparat, vil junctioncase-temperaturen være ca. 6 °C lavere end den tidligere generation af enheder (GT40RR21 – 0,65 °C/W).

Figur 5: Den kortsluttede kollektormætning, når Cr ikke er opladet, er væsentligt forbedret i GT20N135SRA (til højre) sammenlignet med den tidligere generation af IGBT’er (til venstre) og resulterer i reduceret svingning (rød cirkel)

Det forbedrede N-lag har også medført en reduktion af forward-spændingen, VF, på 0.5 V i forhold til den tidligere generation af enheder. Med en typisk værdi på 1,75 V ved 25 °C defineret reducerer dette tab og forbedrer effektiviteten. IGBT’ernes slukningsdrift kan gøre det til en udfordring at opfylde CISPR-standarden, idet der kræves en modstand i gatevejen for at sænke koblingshastigheden. Dette resulterer imidlertid i øgede tab. Der opnås nu ca. 10 dB mere margin ved 30 MHz uden en sådan modstand i den samme bordapplikation med GT20N135SRA, hvilket giver et bedre kompromis mellem udstrålede emissioner og strømforbrug (figur 6).

Figur 6: En forbedret turn-off resulterer i 10 dB mere CISPR-margin ved 30 MHz for det samme apparat.

Summary

Selv om induktionsvarmeapparater giver større effektivitet og bedre kontrol sammenlignet med mange alternative teknologier, er det designingeniørens opgave at håndtere kompleksiteten af den kontrolelektronik, der er nødvendig for at implementere dem. Halvlederindustrien har reageret med IGBT-koblingsenheder, der over flere generationer er fortsat med at forbedre de egenskaber, der er afgørende for optimal ydeevne, lige fra varmeafledning og EMC til spændings- og strømkapacitet og forbedret omvendt ledende kropsdiode.

GT20N135SRA, Toshibas nyeste generation af RC-IGBT, gør det lettere at bringe produkter på markedet, der opfylder test for udstrålede emissioner, samtidig med at de er mere effektive. Selv om de er optimeret til 220 VAC-strømresonansapplikationer, vil fremtidige produkter blive udvidet til at dække de højere strømbehov i større kogekar og højere spændinger, der forekommer i 100 VAC-apparater.