Pannu, joka on leikattu kahtia, istuu keittotasolla, ja sen keskelle on varovasti isketty muna. Pannulla olevalla puoliskolla on täydellisesti kypsennetty, kiiltävä valkuainen, kun taas jäljelle jäävä puolisko on kirkas ja kypsentymätön. Se on voimakas kuva, joka tekee täysin selväksi, kuinka paljon tehokkaampia induktiokeittotasot ovat vaihtoehtoisiin keittotekniikoihin verrattuna. Viesti: induktiolämmitys sijoittaa energian sinne, missä sitä tarvitaan.

Puolijohdeteollisuus on vastannut induktiolämmityslaitteiden kysyntään virittämällä ja parantamalla jatkuvasti kytkentätekniikkaa, jota sen optimaalinen toteuttaminen edellyttää. Niinpä induktiotekniikka esiintyy yleisesti myös riisinkeittimissä, maidonvaahdottimissa ja keittolevyissä.

Induktion käyttö lämmityssovelluksissa

Induktiolämmityssovellusten perustana ovat tavallisen muuntajan periaatteet. Siinä missä muuntaja kuitenkin indusoi virran toisiokäämiin ensiökäämistä, induktiolämmitin käyttää ensiökäämiä indusoimaan virran itse keittoastiaan. Näin varmistetaan, että syntyvä lämmitysvaikutus keskittyy juuri sinne, missä sitä tarvitaan. Juuri keittoastian materiaaliin indusoituvat pyörrevirrat aiheuttavat lämmitysvaikutuksen, joka tunnetaan Joule-lämmityksenä. Magneettisista materiaaleista, kuten ruostumattomasta teräksestä ja raudasta, valmistetut astiat tarjoavat suuren vastuksen, kun taas ei-magneettiset materiaalit, kuten alumiini ja kupari, tarjoavat pienemmän vastuksen.

Käytettävien korkeiden taajuuksien vuoksi virta kulkee primäärikäämissä pääasiassa johtimen pinnalla, mikä on ominaisuus, joka tunnetaan nimellä ihovaikutus. Induktiolämmityskeloissa käytetään erityyppistä kuparilankaa, niin sanottua liitsilankaa, joka koostuu monista ohuista yksittäisistä säikeistä. Tämä kasvattaa kelan pinta-alaa ja pienentää siten vaihtovirtavastusta.

Topologian valinnat ja niiden tehtävät

Topologian valintaan on useita lähestymistapoja, mutta hintapaineiden vuoksi monilla näillä sovelluksilla tavoitelluilla markkinoilla SEPR-piiri (Single-Ended Parallel Resonance) on yleinen valinta (kuva 1). Tässä pehmeäkytkentäisessä topologiassa käytetään resonanssisäiliöverkkoa, joka koostuu kondensaattorista, Cr, ja litz-kelasta, Lr. IGBT, joka toimii nollajännitekytkentäolosuhteissa (ZVS) yhdessä rinnakkaisdiodin kanssa, täydentää suunnittelua. Erillisen lähestymistavan sijaan diodi on yleensä integroitu IGBT:hen, ja diodin ominaisuudet on optimoitu tämäntyyppisen piirin tarpeisiin. Kytkentätaajuudet 20 – 30 kHz takaavat, että mahdollinen melu on kuuloalueen ulkopuolella, joten tämä piiri soveltuu magneettisiin keittoastioihin. Korkeampia taajuuksia voidaan käyttää myös osana pehmokäynnistystoimintoa.

Kuva 1: Yksipäätteistä rinnakkaisresonanssipiiriä (single ended parallel resonance, SEPR) käytetään tyypillisesti jänniteresonanssipiireissä.

Jänniteresonanssipiirin toiminta jaetaan neljään aikajaksoon (kuva 3), ja se soveltuu tapaukseen, jossa käynnistysprosessi on suoritettu loppuun (eli Cr on täyteen ladattu):

1. T1 – Jakso alkaa Q1:n kytkeytymisellä päälle, jolloin virta pääsee kulkemaan Cm:stä Lr:n ja Q1:n lävitse ja aiheuttaa virran virtauksen lineaarisen kasvamisen halutulle tasolle asti. Tänä aikana Cr:n yli oleva jännite on puristettu Cm:n yli olevaan jännitteeseen.

2. T2 – Seuraavaksi Q1 kytketään pois päältä, jolloin Lr ja Cr menevät resonanssiin. Saavutettu resonanssihuippujännite kasvaa suhteessa päälläoloaikaan T1.

3. T3 – Resonanssivirran kulku vaihtaa suuntaa, jolloin Cr:n yli tuleva jännite pienenee.

4. T4 – Cr:n yli tulevan jännitteen polariteetti kääntyy nyt. Kun se ylittää Cm:n yli olevan jännitteen, virta alkaa kulkea diodin läpi, jolloin Cr:n napaisuus ja jännite palautuvat Cm:n napaisuuteen ja jännitteeseen.

Kuva 2: SEPR-jänniteresonanssirakenteen neljä toimintavaihetta.

IGBT:n mitoitus riippuu jännitepiikistä, jonka Q1 näkee, mikä 100 VAC-syötöissä edellyttää VCES-mitoitusta 900-1200 V:n välillä tai 1350-1800 V:n välillä 220 VAC-syötöissä.

Tehovaatimusten kasvaessa käytetään tyypillisesti puolisiltavirtaresonanssilähestymistapaa, jossa käytetään kahta integroiduilla diodeilla varustettua IGBT:tä (kuva 3). Tällaiset mallit voivat tukea myös ”kaikki metallia” -käyttöä, jolloin 80-100 kHz:n kytkentätaajuudet voivat tukea jopa ei-magneettisten keittoastioiden käyttöä. Resonanssipiiri toteutetaan sarja-LC- tai LCR-rakenteena.

Kuva 3: Induktiolämmittimen puolisiltapiiri virtaresonanssisarjan LC:llä.

Tämän piirin toiminta voidaan kuvata myös neljässä vaiheessa (kuva 4), kun käynnistysprosessi on suoritettu, seuraavasti:

1. T1 – Ylempi kytkin Q1 kytketään päälle, jolloin kondensaattorista Cm virtaa virta resonanssivirtapiiriin Cr-Lr.

2. T2 – Kytkin Q1 kytkeytyy pois päältä, jolloin Cr latautuu alemman kytkimen diodin kautta Lr:stä kulkevan virran johdosta.

3. T3 – Kytkin Q2 kytkeytyy päälle, jolloin resonanssivirta virtaa Cr:stä Q2:n kautta Lr:ään. Tässä vaiheessa Q2:n VCE on puristettu rinnakkaisen (tai integroidun) diodin etujännitteeseen, mikä mahdollistaa ZVS:n.

4. T4 – Kytkin Q2 kytketään pois päältä, jolloin vapaavirta pääsee virtaamaan Lr:stä Cr:n, Q1:n kanssa rinnakkaisen diodin ja Cm:n läpi. Tässä vaiheessa Q1:n VCE on vastaavasti puristettu rinnakkaisen (tai integroidun) diodin etujännitteeseen, mikä mahdollistaa ZVS:n seuraavaan vaiheeseen, T1.

Kuva 4: Puolisillan virtaresonanssisuunnittelun neljä toimintavaihetta.

Tuloksena huippujännitteet rajoittuvat tulon vaihtovirran huippujännitteen summaan, minkä ansiosta IGBT:t voidaan määritellä 600-650 V:n VCES:n kanssa 220 VAC:n tuloille. Suuremmat virrat estävät tämän rakenteen käytön 100 VAC:n tuloilla.

Sopivien IBGT:iden valinta induktiolämmityslaitteisiin

On selvää, että VCES:n yli syntyvien jännitteiden asianmukainen ymmärtäminen on ratkaiseva tekijä IGBT:n valinnassa. Myös portin käyttöjännite, VGES, vaatii tarkastelua. Tätä käytetään tyypillisesti 18 V:ssa IGBT:n tehohäviöiden vähentämiseksi. Verkkojännitteen vaihtelut monilla markkinoilla, joskus jopa 20 %, merkitsevät kuitenkin sitä, että suunnittelijoiden on varmistettava, että datalehdessä ilmoitetaan riittävästi liikkumavaraa näille parametreille. Lämpöparametrit, kuten Rth(j-c), antavat ohjeita tarvittavasta jäähdytyskonseptista, kun taas sähkömagneettista yhteensopivuutta (EMC) olisi testattava, erityisesti kytkeytymistä pois päältä alemmilla testitaajuuksilla.

Toinen kriittinen näkökohta, joka on tarkistettava, on IC(sat)-luokitus, parametri, joka on merkityksellinen oikosulkuvirroissa, jotka kulkevat Cr:n latautumiseen virran alkuvirran kytkennän yhteydessä, kunnes sen jännite on sama kuin Cm:llä. Lopuksi olisi tarkistettava eteenpäin suunnatun turvallisen toiminta-alueen (FBSOA) suurin sallittu kollektorivirta, VCE, eri pulssinleveyksillä.

Punch-through (PT) IGBT:t ovat tällaisissa sovelluksissa valittu laite, joka tukee korkeampia kytkentätaajuuksia kuin aiemmat ei-PT-tyypit. Viimeisimmät edistysaskeleet ovat ohentaneet P-kollektorikerrosta ja luoneet rakenteita, jotka tunnetaan nimellä field stop (FS) IGBT:t. Tämä mahdollistaa N-kerroksen luomisen käänteisjohtavan (RC) runkodiodin mahdollistamiseksi, mikä johtaa RC-IGBT:iin. Koska niiden häntävirta on pienempi, ne soveltuvat hyvin pehmeäkytkentäisiin piireihin. Toshiban uusin RC-IGBT, GT20N135SRA, on uuden sukupolven laite, joka tukee 20 A:n tehoa 100 °C:ssa ja 1350 V:ssa. Tämä sopii erinomaisesti 220 VAC-syötöllä varustettuihin induktiolämmityssovelluksiin 2200 W:n keskikapasiteettisia laitteita varten.

Vertailtuna aikaisemman sukupolven laitteisiin oikosulkuvirta IC(sat) on rajoitettu noin 150 A:iin 100 °C:ssa. Piirin käynnistysvaiheessa Cr:n latautuessa tämä auttaa vähentämään kollektorin kyllästysvirtaa ja vaimentamaan jännitteen värähtelyä (kuva 5). Laajempi FBSOA tarkoittaa myös sitä, että suuremmat virrat voivat kulkea, mutta tämä on tasapainotettava sitä vastaan, että osa häviöistä muunnetaan lämmöksi. GT20N135SRA:n suurin Rth(j-c) on 0,48 °C/W, joten jos oletetaan, että IGBT:n on haihdutettava 35 W laitteessa, liitäntäkotelon lämpötila olisi noin 6 °C alhaisempi kuin edellisen sukupolven laitteilla (GT40RR21 – 0,65 °C/W).

Kuva 5: Oikosulkukollektorin kyllästyminen, kun Cr ei ole ladattu, on parantunut merkittävästi GT20N135SRA:ssa (oikealla) verrattuna edellisen sukupolven IGBT:iin (vasemmalla), ja tuloksena on vähentynyt värähtely (punainen ympyrä)

Parannettu N-kerros on tuonut mukanaan myös eteenpäinvirtausjännitteen, VF, pienenemisen 0.5 V verrattuna edellisen sukupolven laitteisiin. Kun tyypillinen arvo on 1,75 V 25 °C:n lämpötilassa määritelty, tämä vähentää häviöitä ja parantaa tehokkuutta. IGBT:iden sammutustoiminta voi tehdä CISPR-standardin täyttämisen haastavaksi, sillä se edellyttää vastusta porttipolulla kytkentänopeuden hidastamiseksi. Tämä kuitenkin lisää häviöitä. Noin 10 dB enemmän marginaalia 30 MHz:n taajuudella saavutetaan nyt ilman tällaista vastusta samassa pöytäsovelluksessa GT20N135SRA:lla, mikä tarjoaa paremman kompromissin säteilypäästöjen ja tehohäviön välillä (kuva 6).

Kuva 6: Parempi sammutus johtaa 10 dB suurempaan CISPR-marginaaliin 30 MHz:n taajuudella samassa laitteessa.

Yhteenveto

Induktiolämmityslaitteilla saavutetaan suurempi hyötysuhde ja parempi säätö verrattuna moniin vaihtoehtoisiin tekniikoihin, mutta suunnitteluinsinöörin vastuulle jää niiden toteuttamiseen tarvittavan ohjauselektroniikan monimutkaisuuden käsitteleminen. Puolijohdeteollisuus on vastannut tähän IGBT-kytkentälaitteilla, jotka ovat useiden sukupolvien ajan parantaneet jatkuvasti optimaalisen suorituskyvyn kannalta kriittisiä ominaisuuksia, kuten lämmöntuottoa ja sähkömagneettista yhteensopivuutta, jännite- ja virtakapasiteettia sekä parannettua käänteisjohtavaa runkodiodia.

Toshiban viimeisimmän sukupolven IGBT-kytkentälaite GT20N135SRA:n avulla on helpompaa tuoda markkinoille tuotteita, jotka täyttävät säteilypäästöjä koskevat testit, mutta ovat samalla myös tehokkaampia. Vaikka tuotteet on optimoitu 220 VAC:n virtaresonanssisovelluksiin, tulevat tuotteet laajenevat kattamaan suurempien keittoastioiden korkeamman virran tarpeet ja 100 VAC-laitteissa esiintyvät korkeammat jännitteet.