Egy félbevágott serpenyő ül a főzőlapon, amelynek közepébe óvatosan egy tojást ütöttek. A serpenyőben lévő felének tökéletesen átsült, csillogó fehérje van, míg a másik fele tiszta és nyers. Ez egy erőteljes kép, amely világossá teszi, hogy az indukciós főzőlapok mennyivel hatékonyabbak az alternatív főzőkészülék-technológiáknál. Az üzenet: az indukciós fűtés oda helyezi az energiát, ahol arra szükség van.

A félvezetőipar az indukciós fűtőkészülékek iránti igényre az optimális megvalósításhoz szükséges kapcsolási technológia folyamatos hangolásával és fejlesztésével reagált. Így az indukciós technológia gyakran megjelenik a rizsfőzőkben, tejhabosítókban és főzőlapokban is.

Az indukció kezelése a fűtési alkalmazásokban

Az indukciós fűtési alkalmazások alapját a közös transzformátor elvei képezik. Míg azonban a transzformátor egy primer tekercsből indukál áramot egy szekunder tekercsben, az indukciós fűtőberendezés a primer tekercset használja arra, hogy áramot indukáljon magában a főzőedényben. Ez biztosítja, hogy a keletkező fűtőhatás pontosan ott koncentrálódik, ahol arra szükség van. A főzőedény anyagában indukált örvényáram az, ami a Joule-fűtésként ismert fűtési hatást eredményezi. A mágneses anyagok, mint a rozsdamentes acél és a vas, nagy ellenállást biztosítanak, míg a nem mágneses anyagok, mint az alumínium és a réz, kisebb ellenállást nyújtanak.

Az alkalmazott magas frekvenciák miatt az áram a primer tekercsben elsősorban a vezető felületén folyik, ez a tulajdonság a skin-effektus néven ismert. Az indukciós fűtőtekercsek egy speciális rézhuzaltípust, az úgynevezett litzhuzalt használják, amely sok vékony, egyedi szálból áll. Ennek hatására megnő a tekercs felülete, ezáltal csökken a váltakozó áramú ellenállás.

Topológia-választások és funkcióik

A topológia megválasztására többféle megközelítés létezik, de az árnyomás miatt az ezen alkalmazások által megcélzott számos piacon az egyvégű párhuzamos rezonancia (SEPR) áramkör az általános választás (1. ábra). Ez a puha kapcsolású topológia egy rezonáns tartályhálózatot használ, amely egy Cr kondenzátorból és az Lr litz-tekercsből áll. Egy IGBT, amely nulla feszültségű kapcsolási (ZVS) körülmények között működik, párhuzamos diódával együtt, kiegészíti a tervezést. A diszkrét megközelítés helyett a dióda jellemzően az IGBT-be van integrálva, a dióda jellemzőit pedig az ilyen típusú áramkör igényeihez optimalizálják. A 20-30 kHz-es kapcsolási frekvenciák biztosítják, hogy a zaj a hallható tartományon kívül maradjon, így ez az áramkör alkalmas mágneses főzőedényekhez. Magasabb frekvenciák is használhatók lágyindítási funkció részeként.

1. ábra: A feszültségrezonáns áramkörökhöz jellemzően egyvégű párhuzamos rezonancia (SEPR) áramkört használnak.

A feszültség-rezonancia áramkör működése négy időperiódusra bontható (3. ábra), és arra az esetre alkalmazható, ha az indítási folyamat befejeződött (azaz a Cr teljesen feltöltődött):

1. T1 – A ciklus a Q1 bekapcsolásával kezdődik, így a Cm-ből áram folyik át az Lr-en és a Q1-en, és az áram folyása lineárisan növekszik, amíg eléri a kívánt szintet. Ez idő alatt a Cr-en átmenő feszültséget a Cm-en átmenő feszültséghez szorítják.

2. T2 – Ezután a Q1-et kikapcsolják, aminek hatására az Lr és a Cr rezonanciába kerül. Az elért rezonancia csúcsfeszültség a T1 bekapcsolási idővel arányosan nő.

3. T3 – A rezonanciaáram folyása irányt vált, aminek következtében a Cr fölötti feszültség csökken.

4. T4 – A Cr fölötti feszültség polaritása most megfordul. Amikor meghaladja a Cm-en keresztüli feszültséget, áram kezd átfolyni a diódán, ami a Cr polaritását és feszültségét visszavezeti a Cm-en lévőhöz.

2. ábra: A működés négy fázisa egy SEPR feszültség-rezonancia kialakításban.

Az IGBT névleges teljesítménye attól függ, hogy a Q1 milyen feszültségcsúcsot lát, ami 100 VAC-ellátás esetén 900 és 1200 V közötti VCES névleges értéket igényel, vagy 1350 és 1800 V közötti értéket 220 VAC-ellátás esetén.

A teljesítményigény növekedésével általában két IGBT-t használó, integrált diódákkal ellátott félhidas áramrezonancia-megközelítést alkalmaznak (3. ábra). Az ilyen kialakítások támogatják a “minden fém” felhasználást is, ahol a 80-100 kHz-es kapcsolási frekvenciák még a nem mágneses főzőedények használatát is támogatják. A rezonáns áramkört soros LC vagy LCR konstrukcióban valósítják meg.

3. ábra: Indukciós fűtő félhíd áramkör áramrezonáns soros LC-vel.

Az áramkör működése négy fázisban is leírható (4. ábra), miután az indítási folyamat befejeződött, a következőképpen:

1. T1 – A felső kapcsoló, Q1, bekapcsol, aminek következtében a Cm kondenzátorból áram folyik a Cr-Lr rezonanciaáramkörbe.

2. T2 – A Q1 kapcsoló kikapcsol, így a Cr feltöltődik az Lr-ből az alsó kapcsoló diódáján keresztül áramló áram miatt.

3. T3 – A Q2 kapcsoló bekapcsol, így a Cr-ből a Q2-n keresztül az Lr-be rezonáns áram folyik. Ekkor a Q2 VCE-je a párhuzamos (vagy integrált) dióda előfeszültségénél van lefogva, így lehetővé válik a ZVS.

4. T4 – A Q2 kapcsolót kikapcsoljuk, így az Lr-ből Cr-en, a Q1-gyel párhuzamos diódán és Cm-en keresztül szabad áram folyik. Ekkor a Q1 VCE-je hasonlóan a párhuzamos (vagy integrált) dióda előfeszültségéhez van szorítva, lehetővé téve a ZVS-t a következő fázisra, T1-re.

4. ábra: A működés négy fázisa egy félhíd áram-rezonancia kialakításban.

Az eredmény az, hogy a csúcsfeszültségek a bemeneti AC csúcsfeszültség összegére korlátozódnak, így az IGBT-ket 600-650 V VCES-sel lehet specifikálni 220 V AC bemenet esetén. Az érintett nagyobb áramok kizárják ennek a kialakításnak a használatát 100 VAC bemeneteknél.

A megfelelő IBGT-k kiválasztása indukciós fűtőberendezésekben való használatra

Egyértelmű, hogy a VCES-en keletkező feszültségek megfelelő megértése kritikus tényező az IGBT-k kiválasztásában. A kapu meghajtófeszültség, VGES, szintén felülvizsgálatra szorul. Ezt jellemzően 18 V-on működtetik az IGBT teljesítményveszteségének csökkentése érdekében. A hálózati tápellátás sok piacon tapasztalható, néha akár 20%-os ingadozása azonban azt jelenti, hogy a tervezőknek biztosítaniuk kell, hogy az adatlapon elegendő mozgástér szerepeljen ezekre a paraméterekre vonatkozóan. A termikus paraméterek, mint például az Rth(j-c), útmutatást adnak a szükséges hűtési koncepcióról, míg az elektromágneses kompatibilitást (EMC), különösen az alacsonyabb vizsgálati frekvenciákon történő kikapcsolást illetően vizsgálatokat kell végezni.

Egy másik kritikus szempont, amelyet felül kell vizsgálni, az IC(sat) névleges értéke, egy olyan paraméter, amely a rövidzárlati áramok során fontos, amelyek a Cr töltéséhez áramlanak a kezdeti bekapcsoláskor, amíg annak feszültsége meg nem egyezik a Cm-en lévő feszültséggel. Végül, a különböző impulzusszélességek esetén ellenőrizni kell az előre előfeszített biztonságos működési terület (FBSOA) maximálisan megengedett kollektoráramát, a VCE-t.

Az ilyen alkalmazásokban az átütött (PT) IGBT-k a választott eszközök, amelyek magasabb kapcsolási frekvenciákat támogatnak, mint a korábbi nem PT típusok. A legújabb fejlesztések a P kollektorréteget elvékonyították, hogy a field stop (FS) IGBT-ként ismert szerkezeteket hozzanak létre. Ez lehetővé teszi egy N réteg létrehozását, amely lehetővé teszi a fordított vezető (RC) testdióda létrehozását, ami RC-IGBT-khez vezet. Csökkentett farokáramukkal jól alkalmazhatók a puha kapcsolású áramkörökben. A Toshiba legújabb RC-IGBT-je, a GT20N135SRA egy új generációs eszköz, amely támogatja a 20 A @ 100°C és 1350 V feszültséget. Ez ideális a 2200 W-os, közepes teljesítményű készülékek 220 VAC tápfeszültségű indukciós fűtési alkalmazásaihoz.

A korábbi generációs eszközökhöz képest a rövidzárlati áram, IC(sat), 100°C-on körülbelül 150 A-ra korlátozódik. Az áramkör indítási fázisában, ahogy a Cr feltöltődik, ez segít csökkenteni a kollektor telítési áramát és elnyomni a feszültségoszcillációt (5. ábra). A szélesebb FBSOA azt is jelenti, hogy nagyobb áramok áramolhatnak, de ezt ellensúlyozni kell a veszteségek egy részének hővé alakításával. A GT20N135SRA maximális Rth(j-c) értéke 0,48 °C/W, így – feltételezve, hogy az IGBT-nek 35 W-ot kell elvezetnie egy készülék implementációjában – a csatlakozóház hőmérséklete körülbelül 6 °C-kal alacsonyabb lenne, mint az előző generációs eszközöké (GT40RR21 – 0,65 °C/W).

5. ábra: A rövidzárlatos kollektor telítettsége, amikor a Cr nincs feltöltve, jelentősen javult a GT20N135SRA-nál (jobbra) az előző generációs IGBT-khez képest (balra), és csökkentett oszcillációt eredményez (piros kör)

A továbbfejlesztett N réteg az előfeszültség, VF, csökkenését is eredményezte 0.5 V-ot az előző generációs eszközökhöz képest. A 25°C-on meghatározott tipikus 1,75 V-os értékkel ez csökkenti a veszteségeket és javítja a hatékonyságot. Az IGBT-k kikapcsolt működése kihívássá teheti a CISPR-szabvány betartását, mivel a kapcsolási sebesség lassítása érdekében ellenállást igényel a kapuútban. Ez azonban megnövekedett veszteségeket eredményez. A GT20N135SRA-val ugyanabban az asztali alkalmazásban 30 MHz-en most körülbelül 10 dB-lel több tartalék érhető el ilyen ellenállás nélkül, ami jobb kompromisszumot biztosít a sugárzott kibocsátás és a teljesítményleadás között (6. ábra).

6. ábra: A jobb kikapcsolás 10 dB-rel nagyobb CISPR-maradványt eredményez 30 MHz-en ugyanannál a készüléknél.

Összefoglalás

Míg az indukciós fűtőberendezések több alternatív technológiához képest nagyobb hatékonyságot és jobb szabályozást biztosítanak, a tervezőmérnökre hárul a feladat, hogy megbirkózzon a megvalósításukhoz szükséges vezérlőelektronika összetettségével. A félvezetőipar IGBT kapcsolóeszközökkel válaszolt, amelyek több generáción keresztül folyamatosan javították az optimális teljesítmény szempontjából kritikus tulajdonságokat, a hőelvezetéstől és az EMC-től kezdve a feszültség- és áramerősségen át a feszültség- és áramerősségig és a továbbfejlesztett hátrafelé vezető testdiódáig.

A GT20N135SRA, a Toshiba legújabb generációs RC-IGBT-je megkönnyíti a sugárzási teszteknek megfelelő, ugyanakkor hatékonyabb termékek piacra dobását. Bár a 220 VAC-os áramrezonancia-alkalmazásokra optimalizálták, a jövőbeni termékek a nagyobb főzőedények nagyobb áramigényének és a 100 VAC-os készülékekben előforduló magasabb feszültségeknek a kielégítésére bővülnek.