Een doormidden gesneden koekenpan staat op een kookplaat, met voorzichtig een ei in het midden gebroken. De helft op de pan heeft een perfect gekookt, glinsterend wit, terwijl de andere helft helder en ongekookt is. Het is een krachtig beeld dat overduidelijk maakt hoeveel efficiënter inductiekookplaten zijn in vergelijking met alternatieve technologieën voor kooktoestellen. De boodschap: inductieverwarming plaatst de energie daar waar ze nodig is.

De halfgeleiderindustrie heeft op de vraag naar inductieverwarmingstoestellen gereageerd door de schakeltechnologie die nodig is voor de optimale implementatie ervan voortdurend af te stellen en te verbeteren. Aldus verschijnt inductietechnologie gewoonlijk ook in rijstkokers, melkopschuimers, en kookplaten.

Aanpak van inductie in verwarmingstoepassingen

Het zijn de principes van de gewone transformator die de basis vormen voor inductie verwarmingstoepassingen. Maar terwijl een transformator vanuit een primaire spoel een stroom induceert in een secundaire spoel, gebruikt een inductieverhitter de primaire spoel om stroom in het kookvat zelf te induceren. Dit zorgt ervoor dat het resulterende verwarmingseffect precies daar wordt geconcentreerd waar het nodig is. Het zijn de wervelstromen die in het materiaal van de kookpot worden geïnduceerd die resulteren in het verwarmingseffect dat bekend staat als Jouleverwarming. Vaten van magnetisch materiaal, zoals roestvrij staal en ijzer, bieden een hoge weerstand, terwijl niet-magnetische materialen, zoals aluminium en koper, minder weerstand bieden.

Door de hoge frequenties die worden gebruikt, vloeit de stroom in de primaire spoel voornamelijk in het oppervlak van de geleider, een eigenschap die bekend staat als het skin-effect. Inductieverhittingsspoelen maken gebruik van een speciaal soort koperdraad, litze draad genoemd, dat uit vele dunne afzonderlijke strengen bestaat. Dit heeft tot gevolg dat de oppervlakte van de spoel wordt vergroot, waardoor de wisselstroomweerstand afneemt.

Topologiekeuzes en hun functies

Er zijn verschillende benaderingen voor de keuze van de topologie, maar vanwege de prijsdruk op veel van de markten waarop deze toepassingen zich richten, is de Single-Ended Parallel Resonance (SEPR) schakeling een veelgebruikte keuze (figuur 1). Deze softswitching topologie maakt gebruik van een resonantietanknetwerk bestaande uit een condensator, Cr, en de litzespoel, Lr. Een IGBT, werkend onder nulspanningsschakelcondities (ZVS), samen met een parallelle diode, completeren het ontwerp. In plaats van een discrete aanpak toe te passen, wordt de diode gewoonlijk in de IGBT geïntegreerd, waarbij de kenmerken van de diode worden geoptimaliseerd voor de behoeften van dit type schakeling. Schakelfrequenties van 20 – 30 kHz zorgen ervoor dat eventuele ruis buiten het hoorbare bereik blijft, waardoor deze schakeling geschikt is voor magnetisch kookgerei. Hogere frequenties kunnen ook worden gebruikt als onderdeel van een soft-startfunctie.

Figuur 1: Een single ended parallel resonantie (SEPR) schakeling wordt gewoonlijk gebruikt voor spanningsresonante schakelingen.

De werking van de spanningsresonantiekring is onderverdeeld in vier tijdsperioden (figuur 3) en geldt voor het geval dat het opstartproces is voltooid (d.w.z. Cr is volledig geladen):

1. T1 – De cyclus begint met het inschakelen van Q1, waardoor stroom van Cm door Lr en Q1 kan stromen en de stroom lineair toeneemt totdat het gewenste niveau is bereikt. Gedurende deze tijd wordt de spanning over Cr vastgeklemd op de spanning over Cm.

2. T2 – Vervolgens wordt Q1 uitgeschakeld, waardoor Lr en Cr in resonantie gaan. De bereikte resonantiepiekspanning neemt evenredig toe met de inschakelduur T1.

3. T3 – De resonantiestroom verandert van richting, waardoor de spanning over Cr afneemt.

4. T4 – De polariteit van de spanning over Cr keert nu om. Wanneer deze de spanning over Cm overschrijdt, begint er stroom door de diode te lopen, waardoor de polariteit en de spanning van Cr terugvallen naar die van Cm.

Figuur 2: De vier werkingsfasen in een SEPR-spanningsresonantie-ontwerp.

De nominale waarde van de IGBT zal afhangen van de spanningspiek die Q1 ziet, die voor 100 VAC-voedingen een VCES-classificatie vereist tussen 900 en 1200 V, of 1350 tot 1800 V voor 220 VAC-voedingen.

Als de vermogensvereisten toenemen, wordt gewoonlijk een aanpak met een halve brugstroomresonantie gebruikt waarbij twee IGBT’s met geïntegreerde diodes worden gebruikt (figuur 3). Dergelijke ontwerpen zijn ook geschikt voor “alle metalen” gebruik, waarbij schakelfrequenties van 80 tot 100 kHz zelfs het gebruik van niet-magnetische kookpotten kunnen ondersteunen. De resonantiekringloop wordt uitgevoerd als een LC- of LCR-reeksconstructie.

Figuur 3: Inductieverwarmer-halfbrugschakeling met stroom-resonantiereeks LC.

De werking van deze schakeling kan ook in vier fasen worden beschreven (figuur 4), zodra het opstartproces is voltooid, en wel als volgt:

1. T1 – De bovenste schakelaar, Q1, wordt ingeschakeld, waardoor er een stroom gaat lopen van de condensator, Cm, naar de resonantiestroomkring Cr-Lr.

2. T2 – Schakelaar Q1 wordt uitgeschakeld, waardoor Cr wordt opgeladen door de stroom die vanuit Lr door de diode van de onderste schakelaar vloeit.

3. T3 – Schakelaar Q2 wordt ingeschakeld, waardoor een resonantiestroom vanuit Cr door Q2 en naar Lr vloeit. Op dit punt wordt de VCE van Q2 geklemd op de voorwaartse spanning van de parallelle (of geïntegreerde) diode, waardoor een ZVS mogelijk wordt.

4. T4 – Schakelaar Q2 wordt uitgeschakeld, waardoor een vrijloopstroom kan vloeien van Lr door Cr, de diode parallel aan Q1, en Cm. Op dit punt wordt de VCE van Q1 eveneens geklemd tot de voorwaartse spanning van de parallelle (of geïntegreerde) diode, waardoor ZVS mogelijk wordt voor de volgende fase, T1.

Figuur 4: De vier werkingsfasen in een halfbrug stroom-resonantie-ontwerp.

Dientengevolge zijn de piekspanningen beperkt tot de som van de piekwisselspanning, waardoor IGBT’s kunnen worden gespecificeerd met een VCES van 600 tot 650 V voor ingangen van 220 VAC. De hogere betrokken stromen sluiten het gebruik van dit ontwerp met 100 VAC inputs.

Selectie van geschikte IBGTs voor gebruik in inductieverwarmingstoestellen

Het is duidelijk dat het juiste begrip voor de spanningen die over VCES worden gegenereerd een kritieke factor is bij de selectie van IGBTs. Het voltage van de poortaandrijving, VGES, moet ook worden herzien. Deze wordt gewoonlijk op 18 V gezet om de vermogensverliezen in de IGBT te beperken. Schommelingen in de netvoeding op vele markten, soms tot 20%, betekenen echter dat ontwerpers ervoor moeten zorgen dat het gegevensblad voldoende speling voor deze parameters aangeeft. Thermische parameters, zoals Rth(j-c), geven aanwijzingen over het vereiste koelingsconcept, terwijl tests moeten worden uitgevoerd op elektromagnetische compatibiliteit (EMC), met name de uitschakeling bij lagere testfrequenties.

Een ander kritisch aspect om te bekijken is de IC(sat)-classificatie, een parameter die relevant is tijdens de kortsluitstromen die vloeien om Cr bij de eerste inschakeling op te laden totdat de spanning ervan overeenkomt met die op Cm. Tenslotte moet de maximaal toelaatbare collectorstroom VCE (forward-biased safe operating area, FBSOA) worden gecontroleerd voor verschillende pulsbreedten.

Punch-through (PT) IGBT’s zijn het apparaat bij uitstek in dergelijke toepassingen en ondersteunen hogere schakelfrequenties dan niet-PT types uit het verleden. De laatste ontwikkelingen hebben de P-collectorlaag uitgedund om structuren te creëren die bekend staan als veldstop-(FS) IGBT’s. Dit maakt het mogelijk een N-laag te creëren om een omgekeerd geleidende (RC) lichaamsdiode mogelijk te maken, wat leidt tot RC-IGBT’s. Met hun lagere staartstroom zijn ze zeer geschikt voor softswitching-schakelingen. Toshiba’s nieuwste RC-IGBT, de GT20N135SRA, is een nieuwe generatie apparaat met ondersteuning voor 20 A @ 100°C en 1350 V. Dit is ideaal voor 220 VAC gevoede inductieverwarmingstoepassingen voor apparaten van 2200 W met een gemiddeld vermogen.

In vergelijking met apparaten van de vorige generatie is de kortsluitstroom, IC(sat), beperkt tot ongeveer 150 A bij 100°C. Tijdens de opstartfase van het circuit, wanneer Cr wordt geladen, helpt dit de verzadigingsstroom van de collector te verminderen en spanningsoscillatie te onderdrukken (figuur 5). De bredere FBSOA betekent ook dat hogere stromen kunnen vloeien, maar dit moet worden afgewogen tegen een deel van de verliezen die in warmte worden omgezet. De GT20N135SRA heeft een maximale Rth(j-c) van 0,48 °C/W, dus, ervan uitgaande dat de IGBT 35 W moet dissiperen in een toestel, zou de junctioncase-temperatuur ongeveer 6 °C lager zijn dan bij toestellen van de vorige generatie (GT40RR21 – 0,65 °C/W).

Figuur 5: De kortsluitverzadiging van de collector wanneer Cr niet is opgeladen, is aanzienlijk verbeterd bij de GT20N135SRA (rechts) in vergelijking met de vorige generatie IGBT’s (links) en resulteert in verminderde oscillatie (rode cirkel)

De verbeterde N-laag heeft ook een vermindering van de voorwaartse spanning, VF, van 0.5 V vergeleken met de apparaten van de vorige generatie. Met een typische waarde van 1,75 V bij 25°C gedefinieerd, vermindert dit de verliezen en verbetert het rendement. De uitschakeling van IGBT’s kan het moeilijk maken om aan de CISPR-norm te voldoen, omdat een weerstand in het gate-pad nodig is om de schakelsnelheid te vertragen. Dit resulteert echter in grotere verliezen. Ongeveer 10 dB meer marge bij 30 MHz wordt nu bereikt zonder een dergelijke weerstand in dezelfde tafeltoepassing met de GT20N135SRA, waardoor een betere afweging wordt gemaakt tussen uitgestraalde emissies en vermogensdissipatie (figuur 6).

Figuur 6: Een verbeterde uitschakeling resulteert in 10dB meer CISPR-marge bij 30 MHz voor hetzelfde apparaat.

Samenvatting

Terwijl inductieverwarmingstoestellen een hoger rendement en een betere regeling bieden in vergelijking met veel alternatieve technologieën, is het de taak van de ontwerpingenieur om de complexiteit van de regelelektronica voor de implementatie ervan aan te pakken. De halfgeleiderindustrie heeft hierop gereageerd met IGBT-schakelapparaten die, gedurende verschillende generaties, de kenmerken die cruciaal zijn voor optimale prestaties zijn blijven verbeteren, van warmteafvoer en EMC tot spannings- en stroomvermogen en verbeterde omgekeerd geleidende lichaamsdiode.

De GT20N135SRA, Toshiba’s nieuwste generatie RC-IGBT, maakt het gemakkelijker om producten op de markt te brengen die voldoen aan stralingsemissietests, terwijl ze ook efficiënter zijn. Hoewel geoptimaliseerd voor 220 VAC stroomresonantietoepassingen, zullen toekomstige producten worden uitgebreid om te voldoen aan de hogere stroombehoeften van grotere kooktoestellen en hogere spanningen die voorkomen in 100 VAC apparaten.