Eine halbierte Bratpfanne steht auf einem Kochfeld, in deren Mitte vorsichtig ein Ei aufgeschlagen ist. Die Hälfte in der Pfanne hat ein perfekt gekochtes, glitzerndes Weiß, während die andere Hälfte klar und roh ist. Es ist ein eindrucksvolles Bild, das deutlich macht, wie viel effizienter Induktionskochfelder im Vergleich zu alternativen Kochgerätetechnologien sind. Die Botschaft: Die Induktionserwärmung bringt die Energie dorthin, wo sie gebraucht wird.

Die Halbleiterindustrie hat auf die Nachfrage nach Induktionserwärmungsgeräten reagiert, indem sie die für ihre optimale Umsetzung erforderliche Schaltungstechnik ständig optimiert und verbessert hat. So findet sich die Induktionstechnologie häufig auch in Reiskochern, Milchaufschäumern und Kochplatten.

Induktion in Heizanwendungen

Die Grundlage für Induktionsheizanwendungen ist das Prinzip des gewöhnlichen Transformators. Während ein Transformator jedoch von einer Primärspule aus einen Strom in eine Sekundärspule induziert, nutzt ein Induktionsheizgerät die Primärspule, um im Kochgefäß selbst Strom zu induzieren. Dadurch wird sichergestellt, dass die resultierende Heizwirkung genau dort konzentriert wird, wo sie benötigt wird. Es sind die Wirbelströme, die im Material des Kochgefäßes induziert werden, die zu dem als Joule-Erwärmung bezeichneten Erwärmungseffekt führen. Einen hohen Widerstand bieten Gefäße aus magnetischen Materialien wie Edelstahl und Eisen, während nichtmagnetische Materialien wie Aluminium und Kupfer einen geringeren Widerstand bieten.

Durch die hohen Frequenzen fließt der Strom in der Primärspule hauptsächlich in der Oberfläche des Leiters, eine Eigenschaft, die als Skineffekt bekannt ist. Bei Induktionsheizspulen wird eine spezielle Art von Kupferdraht, die sogenannte Litze, verwendet, die aus vielen dünnen Einzeldrähten besteht. Dadurch wird die Oberfläche der Spule vergrößert und der Wechselstromwiderstand verringert.

Wahl der Topologie und ihre Funktionen

Es gibt mehrere Ansätze für die Wahl der Topologie, aber aufgrund des Preisdrucks auf vielen der Märkte, auf die diese Anwendungen abzielen, ist die Single-Ended-Parallel-Resonanzschaltung (SEPR) eine gängige Wahl (Abbildung 1). Diese weichschaltende Topologie nutzt ein Resonanztank-Netzwerk, das aus einem Kondensator (Cr) und der Litzenspule (Lr) besteht. Ein IGBT, der unter Nullspannungs-Schaltbedingungen (ZVS) arbeitet, und eine parallele Diode vervollständigen das Design. Anstatt einen diskreten Ansatz zu verfolgen, wird die Diode in der Regel in den IGBT integriert, wobei die Eigenschaften der Diode für die Anforderungen dieses Schaltungstyps optimiert werden. Schaltfrequenzen von 20 – 30 kHz sorgen dafür, dass jegliches Rauschen außerhalb des hörbaren Bereichs liegt, wodurch sich diese Schaltung für magnetisches Kochgeschirr eignet. Höhere Frequenzen können auch als Teil einer Sanftanlauffunktion verwendet werden.

Abbildung 1: Ein Single-Ended-Parallelresonanzkreis (SEPR) wird typischerweise für Spannungsschwingkreise verwendet.

Der Betrieb des Spannungsresonanzkreises ist in vier Zeitabschnitte unterteilt (Abbildung 3) und gilt für den Fall, dass der Startvorgang abgeschlossen ist (d. h. Cr ist voll geladen):

1. T1 – Der Zyklus beginnt mit dem Einschalten von Q1, wodurch Strom von Cm durch Lr und Q1 fließt und der fließende Strom linear ansteigt, bis er den gewünschten Wert erreicht. Während dieser Zeit wird die Spannung an Cr an die Spannung an Cm angeglichen.

2. T2 – Als nächstes wird Q1 ausgeschaltet, wodurch Lr und Cr in Resonanz gehen. Die erreichte Spitzenresonanzspannung steigt proportional zur Einschaltdauer T1.

3. T3 – Der Resonanzstromfluss ändert die Richtung, wodurch die Spannung über Cr abnimmt.

4. T4 – Die Polarität der Spannung über Cr kehrt sich nun um. Wenn sie die Spannung über Cm übersteigt, beginnt Strom durch die Diode zu fließen, wodurch die Polarität und die Spannung von Cr wieder mit der von Cm übereinstimmt.

Abbildung 2: Die vier Betriebsphasen in einem SEPR-Spannungsresonanz-Design.

Die Nennleistung des IGBT hängt von der Spannungsspitze ab, die Q1 erfährt, was bei 100-VAC-Versorgungen eine VCES-Nennleistung von 900 bis 1200 V bzw. 1350 bis 1800 V bei 220-VAC-Versorgungen erfordert.

Wenn die Leistungsanforderungen steigen, wird in der Regel ein Halbbrücken-Stromresonanzkonzept mit zwei IGBTs und integrierten Dioden verwendet (Abbildung 3). Solche Konstruktionen können auch „Allmetall“-Anwendungen unterstützen, wobei Schaltfrequenzen von 80 bis 100 kHz sogar die Verwendung von nichtmagnetischen Kochgefäßen ermöglichen. Der Schwingkreis ist als Reihen-LC oder LCR-Konstruktion ausgeführt.

Abbildung 3: Induktionsheizungs-Halbbrückenschaltung mit stromresonantem Reihen-LC.

Die Funktionsweise dieser Schaltung lässt sich nach dem Einschaltvorgang auch in vier Phasen beschreiben (Abbildung 4):

1. T1 – Der obere Schalter Q1 wird eingeschaltet, wodurch ein Strom vom Kondensator Cm in den Resonanzstromkreis Cr-Lr fließt.

2. T2 – Der Schalter Q1 wird ausgeschaltet, so dass Cr aufgrund des Stroms, der von Lr durch die Diode des unteren Schalters fließt, aufgeladen wird.

3. T3 – Der Schalter Q2 wird eingeschaltet, so dass ein Resonanzstrom von Cr durch Q2 und in Lr fließt. Zu diesem Zeitpunkt ist die VCE von Q2 auf die Durchlassspannung der parallelen (oder integrierten) Diode geklemmt, wodurch eine ZVS ermöglicht wird.

4. T4 – Der Schalter Q2 wird ausgeschaltet, wodurch ein Freilaufstrom von Lr durch Cr, die zu Q1 parallele Diode und Cm fließen kann. An diesem Punkt wird die VCE von Q1 in ähnlicher Weise an die Durchlassspannung der parallelen (oder integrierten) Diode geklemmt, wodurch ZVS für die nächste Phase, T1, ermöglicht wird.

Abbildung 4: Die vier Betriebsphasen in einem Halbbrücken-Stromresonanz-Design.

Damit sind die Spitzenspannungen auf die Summe der Eingangswechselspannung begrenzt, so dass IGBTs mit einer VCES von 600 bis 650 V für Eingänge von 220 VAC spezifiziert werden können. Die höheren Ströme schließen die Verwendung dieses Designs mit 100-VAC-Eingängen aus.

Auswahl geeigneter IBGTs für den Einsatz in Induktionsheizgeräten

Es ist klar, dass ein angemessenes Verständnis der über VCES erzeugten Spannungen ein kritischer Faktor bei der IGBT-Auswahl ist. Die Gate-Treiberspannung, VGES, muss ebenfalls überprüft werden. Diese wird normalerweise mit 18 V betrieben, um die Leistungsverluste im IGBT zu verringern. Aufgrund der Schwankungen in der Netzversorgung, die in vielen Märkten bis zu 20 % betragen können, müssen die Konstrukteure jedoch sicherstellen, dass im Datenblatt genügend Spielraum für diese Parameter angegeben ist. Thermische Parameter wie Rth(j-c) geben Hinweise auf das erforderliche Kühlkonzept, während Tests zur elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) durchgeführt werden sollten, insbesondere die Abschaltung bei niedrigeren Testfrequenzen.

Ein weiterer kritischer Aspekt, der überprüft werden muss, ist die IC(sat)-Bewertung, ein Parameter, der während der Kurzschlussströme relevant ist, die fließen, um Cr beim anfänglichen Einschalten aufzuladen, bis seine Spannung der an Cm entspricht. Schließlich sollte der maximal zulässige Kollektorstrom, VCE, für verschiedene Impulsbreiten geprüft werden.

Durchgesteckte IGBTs (PT) sind das Bauteil der Wahl für solche Anwendungen, da sie höhere Schaltfrequenzen unterstützen als die bisherigen Nicht-PT-Typen. Bei den jüngsten Fortschritten wurde die P-Kollektorschicht ausgedünnt, um Strukturen zu schaffen, die als Field Stop (FS) IGBTs bekannt sind. Dies ermöglicht die Schaffung einer N-Schicht, die eine rückwärts leitende (RC) Body-Diode ermöglicht, was zu RC-IGBTs führt. Mit einem reduzierten Schwanzstrom eignen sie sich gut für sanft schaltende Schaltungen. Toshibas neueste RC-IGBT, die GT20N135SRA, ist eine neue Generation von Bauelementen, die 20 A bei 100°C und 1350 V unterstützen. Dies ist ideal für 220 VAC-gespeiste Induktionsheizungsanwendungen für 2200-W-Geräte mit mittlerer Leistung.

Im Vergleich zu Bauelementen der vorherigen Generation ist der Kurzschlussstrom, IC(sat), auf etwa 150 A bei 100°C begrenzt. Während der Anlaufphase des Stromkreises, wenn Cr geladen wird, trägt dies dazu bei, den Kollektorsättigungsstrom zu verringern und Spannungsschwankungen zu unterdrücken (Abbildung 5). Der breitere FBSOA bedeutet auch, dass höhere Ströme fließen können, aber dies muss gegen einen Teil der Verluste, die in Wärme umgewandelt werden, abgewogen werden. Der GT20N135SRA hat einen maximalen Rth(j-c) von 0,48 °C/W. Wenn man also annimmt, dass der IGBT in einem Haushaltsgerät 35 W abführen muss, wäre die Sperrschichttemperatur etwa 6 °C niedriger als bei der vorherigen Generation (GT40RR21 – 0,65 °C/W).

Abbildung 5: Die Kurzschluss-Kollektor-Sättigung, wenn Cr nicht geladen ist, ist beim GT20N135SRA (rechts) im Vergleich zur vorherigen IGBT-Generation (links) deutlich verbessert und führt zu einer reduzierten Oszillation (roter Kreis)

Die verbesserte N-Schicht hat auch zu einer Verringerung der Vorwärtsspannung (VF) um 0.5 V im Vergleich zu Bauteilen der vorherigen Generation. Mit einem typischen Wert von 1,75 V bei 25°C reduziert dies die Verluste und verbessert die Effizienz. Der Abschaltbetrieb von IGBTs kann die Einhaltung der CISPR-Norm erschweren, da ein Widerstand im Gate-Pfad zur Verlangsamung der Schaltgeschwindigkeit erforderlich ist. Dies führt jedoch zu erhöhten Verlusten. Bei der gleichen Tischanwendung mit dem GT20N135SRA wird jetzt ohne einen solchen Widerstand eine um etwa 10 dB höhere Marge bei 30 MHz erreicht, was einen besseren Kompromiss zwischen abgestrahlten Emissionen und Verlustleistung ermöglicht (Abbildung 6).

Abbildung 6: Eine verbesserte Abschaltung führt zu einer um 10 dB höheren CISPR-Marge bei 30 MHz für dasselbe Gerät.

Zusammenfassung

Induktionsheizgeräte bieten zwar im Vergleich zu vielen alternativen Technologien eine höhere Effizienz und eine bessere Steuerung, aber der Entwicklungsingenieur muss sich mit der Komplexität der Steuerelektronik auseinandersetzen, um sie zu implementieren. Die Halbleiterindustrie hat darauf mit IGBT-Schaltgeräten reagiert, die über mehrere Generationen hinweg die für eine optimale Leistung entscheidenden Eigenschaften immer weiter verbessert haben, von der Wärmeableitung und EMV über die Spannungs- und Stromfähigkeit bis hin zur verbesserten rückwärtsleitenden Body-Diode.

Der GT20N135SRA, Toshibas neueste Generation von RC-IGBT, macht es einfacher, Produkte auf den Markt zu bringen, die die Tests für abgestrahlte Emissionen erfüllen und gleichzeitig effizienter sind. Während sie für 220-VAC-Stromresonanzanwendungen optimiert sind, werden künftige Produkte den höheren Strombedarf größerer Kochgefäße und höhere Spannungen in 100-VAC-Geräten abdecken.