コンロの上に半分に切ったフライパンが置かれ、その中央に卵が丁寧に割りつけられています。 フライパンの上の半分は完璧な焼き上がりで白身が光っており、残りの半分は透明で焼き目がついていない。 IHコンロが他の調理機器に比べていかに効率的であるかがよくわかる、力強いイメージです。

半導体業界では、IH調理器の需要に応えるため、IH調理器を実現するためのスイッチング技術のチューニングや改良が続けられています。

加熱アプリケーションにおける誘導への取り組み

誘導加熱アプリケーションの基礎を形成するのは、一般的なトランスの原理である。 しかし、トランスが1次コイルから2次コイルに電流を誘起するのに対し、IHヒーターは1次コイルから調理容器そのものに電流を誘起します。 これにより、加熱効果を必要な部分に集中させることができるのです。 ジュール熱と呼ばれる加熱効果は、調理容器の素材に誘導される渦電流によるものです。

高い周波数を使用するため、一次コイルの電流は主に導体の表面を流れ、表皮効果として知られる性質があります。 誘導加熱コイルは、リッツ線と呼ばれる特殊な銅線を使用しており、細い一本一本の線がたくさん集まってできています。 7912>

トポロジーの選択とその機能

トポロジー選択にはいくつかのアプローチがありますが、これらのアプリケーションが対象とする多くの市場では価格圧力により、シングルエンド並列共振（SEPR）回路がよく選択されます（図 1）。 このソフトスイッチング方式は、コンデンサーCrとリッツコイルLrからなる共振タンクネットワークを利用する。 ゼロ電圧スイッチング（ZVS）条件下で動作するIGBTと並列ダイオードで構成され、設計は完了します。 ダイオードはディスクリート方式ではなく、IGBTに内蔵され、ダイオードの特性はこの種の回路の必要性に応じて最適化されます。 スイッチング周波数は20〜30kHzで、ノイズが可聴範囲外になるように設計されており、磁気調理器具に適した回路となっています。

Figure 1: A single ended parallel resonance (SEPR) circuit is typically used for voltage resonant circuits.

SEPR function in a soft-start function as used as more frequencies may also be part of the soft-start functions.

電圧共振回路の動作は4つの時間帯に分けられ（図3）、起動プロセスが完了した（すなわちCrがフル充電された）場合に適用される：

1. T1 – サイクルはQ1がオンになって始まり、CmからLrおよびQ1を通じて電流を流し、流れる電流を望ましいレベルに達するまで直線的に増加させる。 この間、Crの電圧はCmの電圧にクランプされます。

2. T2 – 次にQ1がオフになり、LrとCrが共振状態になります。 共振電圧のピークはオン時間T1に比例して増加します。

3. T3 – 共振電流の流れは方向を変え、Crにかかる電圧は減少します。

図 2: SEPR 電圧共振設計における動作の 4 つのフェーズ。

IGBTの定格は、Q1が見る電圧ピークに依存し、AC100V電源では900～1200V、AC220V電源では1350～1800VのVCES定格が必要です。

電力要件が増加すると、集積ダイオード付きIGBTを2つ使用するハーフブリッジ電流共振アプローチが通常使用されます (図3)。 このような設計では、80～100 kHzのスイッチング周波数により、非磁性調理容器の使用にも対応できる「オールメタル」使用も可能です。

図 3: 電流共振型直列 LC による誘導加熱器ハーフブリッジ回路。

また、この回路の動作は、起動が完了すると、以下の4段階（図4）で表現することができます。

1. T1 – 上段のスイッチQ1がオンし、コンデンサCmから共振電流回路Cr-Lrに電流が流れ込みます。

2. T2 – スイッチQ1がオフになり、Lrから下のスイッチのダイオードを介して流れる電流によりCrが充電されます。

3. T3 – スイッチQ2がオンになり共振電流がCrからQ2を通ってLrに流れ込みます。 この時点で、Q2 の VCE は並列（または統合）ダイオードの順方向電圧でクランプされ、それによって ZVS が可能になります。

4. T4 – スイッチ Q2 がオフになり、フリーホイール電流が Lr から Cr、Q1 に並列なダイオード、Cm を通じて流れることが可能になります。 この時点で、Q1 の VCE は同様に並列（または統合）ダイオードの順方向電圧にクランプされ、次のフェーズ T1 の ZVS が可能になります。

Figure 4: ハーフブリッジ電流共振設計での 4 相の動作

その結果、ピーク電圧はピーク AC 入力電圧の合計に制限され、AC220V の入力に対して 600～650V の VCES で IGBT を指定することが可能になります。

Selection of Suitable IBGTs for Use in Induction Heating Appliances

VCESで発生する電圧を適切に理解することが、IGBTの選択における重要な要素であることは明らかである。 また、ゲート駆動電圧 VGES も見直しが必要です。 これは、IGBTの電力損失を低減するために、通常18Vで動作させます。 しかし、多くの市場で主電源が20%も変動しているため、設計者はデータシートでこれらのパラメータに十分な余裕があることを確認する必要があります。 Rth(j-c) などの熱パラメータは、必要な冷却コンセプトのガイダンスを提供し、電磁両立性 (EMC) のテスト、特に低いテスト周波数でのターンオフを実施する必要があります。

レビューすべきもう 1 つの重要な点は IC (sat) 定格で、初期電源投入時に Cr を充電し Cm と電圧が一致するまで短絡電流が流れる際に関連するパラメータです。 最後に、順方向バイアス安全動作領域（FBSOA）の最大許容コレクタ電流VCEを異なるパルス幅で確認する必要があります。

パンチスルー（PT）IGBTは、このようなアプリケーションに適したデバイスで、過去の非PTタイプより高いスイッチング周波数に対応しています。 最近では、Pコレクタ層を薄くし、フィールドストップ(FS)IGBTと呼ばれる構造になっています。 これにより、N層が形成され、逆導通（RC）ボディダイオードが可能となり、RC-IGBTが実現されました。 テール電流が小さく、ソフトスイッチング回路に適しています。 東芝の最新RC-IGBTであるGT20N135SRAは、20A@100℃、1350Vに対応した新世代デバイスで、2200W、中容量家電のAC220V供給誘導加熱アプリケーションに最適です。

前世代のデバイスと比較して、短絡電流IC（sat）は100℃において150A程度に制限されています。 回路の立ち上げ時にCrを充電することで、コレクタの飽和電流を減らし、電圧の発振を抑制することができる（図5）。 FBSOAが広いということは、より大きな電流を流せるということでもあるが、損失の一部が熱に変換されるため、そのバランスをとる必要がある。 GT20N135SRAの最大Rth（j-c）は0.48℃/Wなので、IGBTが家電製品で35Wを消費する必要があると仮定すると、ジャンクションケース温度は前世代のデバイス（GT40RR21 – 0.65℃/W）よりも6℃程度低くなるはずです。

図5.Cr非充電時の短絡コレクタ飽和度（右）

図5.Cr非充電時の短絡コレクタ飽和度（右）

図5.Cr非充電時の短絡コレクタ飽和度（左）

N層の改善により順電圧（VF）も0.5%低減された。5V低減しました。 これは、25℃定義で1.75Vという典型的な値であり、損失を低減し、効率を向上させることができます。 IGBTのターンオフ動作は、CISPR規格を満たすことが難しく、スイッチング速度を遅くするためにゲート経路に抵抗が必要になります。 しかし、その結果、損失が増加してしまいます。 ターンオフの改善により、30 MHzでのCISPRマージンが10 dB増加しました。

Figure 6: 改善されたターン オフにより、同じ機器の 30 MHz での CISPR マージンが 10dB 増えます。

誘導加熱機器は多くの代替技術と比較して、より効率と優れた制御を提供しますが、設計エンジニアはそれらを実装するための制御電子機器の複雑さに対処する責任を負わなければなりません。 半導体業界は、IGBTスイッチングデバイスで対応し、数世代にわたって、放熱やEMC、電圧・電流能力、改良型逆導通ボディダイオードなど、最適性能に不可欠な特性の改善を続けてきました。 AC220Vの電流共振用途に最適化されていますが、将来的には、大型調理器の大電流化やAC100V機器での高電圧化に対応する製品も展開していきます。