En stekpanna, som är halverad, står på en kokplatta med ett ägg som försiktigt har brutits in i mitten. Halvan på pannan har ett perfekt tillagat, glittrande vitt, medan den återstående halvan är klar och okokad. Det är en kraftfull bild som tydligt visar hur mycket effektivare induktionshällar är jämfört med alternativa tekniker för matlagningsutrustning. Budskapet: Induktionsvärme placerar energin där den behövs.

Halvledarindustrin har svarat på efterfrågan på apparater med induktionsvärme genom att kontinuerligt ställa in och förbättra den omkopplingsteknik som krävs för ett optimalt genomförande. Induktionsteknik förekommer därför ofta även i riskokare, mjölkskumare och kokplattor.

Att hantera induktion i uppvärmningstillämpningar

Det är principerna för den vanliga transformatorn som utgör grunden för tillämpningar för induktionsuppvärmning. Medan en transformator inducerar en ström i en sekundärspole från en primärspole, använder en induktionsvärmare emellertid primärspolen för att inducera ström i själva matlagningskärlet. Detta garanterar att den resulterande värmeeffekten koncentreras exakt där den behövs. Det är Eddyströmmarna som induceras i matlagningskärlets material som ger upphov till den uppvärmningseffekt som kallas Joule-värme. Kärl av magnetiska material, t.ex. rostfritt stål och järn, ger hög resistans, medan icke-magnetiska material, t.ex. aluminium och koppar, ger lägre resistans.

På grund av de höga frekvenser som används flyter strömmen i den primära spolen huvudsakligen i ledarens yta, en egenskap som kallas hudeffekt. Induktionsvärmeslingor använder sig av en speciell typ av koppartråd, så kallad litztråd, som består av många tunna enskilda trådar. Detta har den effekten att spolens yta ökar, vilket minskar växelströmsmotståndet.

Topologival och deras funktioner

Det finns flera tillvägagångssätt när det gäller val av topologi, men på grund av prispressen på många av de marknader som dessa tillämpningar riktar sig till, är SEPR-kretsen (Single-Ended Parallel Resonance) ett vanligt val (figur 1). Denna mjukväxlande topologi använder sig av ett resonanstanknätverk som består av en kondensator, Cr, och litzspolen, Lr. En IGBT som arbetar under ZVS-förhållanden (zerovoltage switching) tillsammans med en parallelldiod kompletterar konstruktionen. Istället för att tillämpa ett diskret tillvägagångssätt integreras dioden vanligen i IGBT:n, varvid diodens egenskaper optimeras för behoven i denna typ av krets. Omkopplingsfrekvenser på 20-30 kHz säkerställer att allt buller ligger utanför det hörbara området, vilket gör denna krets lämplig för magnetiska kokkärl. Högre frekvenser kan också användas som en del av en mjukstartsfunktion.

Figur 1: En SEPR-krets (single ended parallel resonance) används vanligtvis för spänningsresonanta kretsar.

Spänningsresonanskretsens funktion delas upp i fyra tidsperioder (figur 3) och gäller för det fall att uppstartsprocessen har slutförts (dvs. Cr är fulladdad):

1. T1 – Cykeln startar med att Q1 slås på, vilket gör att strömmen kan flöda från Cm genom Lr och Q1 och gör att den flödande strömmen ökar linjärt tills den når den önskade nivån. Under denna tid kläms spänningen över Cr till spänningen över Cm.

2. T2 – Därefter stängs Q1 av, vilket får Lr och Cr att gå i resonans. Den toppresonansspänning som uppnås ökar proportionellt mot påslagstiden T1.

3. T3 – Resonansströmflödet ändrar riktning, vilket gör att spänningen över Cr minskar.

4. T4 – Polariteten för spänningen över Cr vänder nu om. När den överstiger spänningen över Cm börjar strömmen flöda genom dioden vilket för polariteten och spänningen över Cr tillbaka till den över Cm.

Figur 2: De fyra faserna i en SEPR-spänningsresonanskonstruktion.

IGBT:ns klassning beror på den spänningstopp som Q1 ser, vilket för 100 VAC-försörjning kräver en VCES-klassning på mellan 900 och 1200 V, eller 1350 till 1800 V för 220 VAC-försörjning.

När effektkraven ökar används vanligen en halvbryggans strömresonansmetod med två IGBT:er med integrerade dioder (figur 3). Sådana konstruktioner kan också stödja ”all metal”-användning, där växlingsfrekvenser på 80 till 100 kHz till och med kan stödja användningen av icke-magnetiska matlagningskärl. Resonanskretsen implementeras som en serie-LC- eller LCR-konstruktion.

Figur 3: Induktionsvärmare halvbryggkrets med strömresonant serie-LC.

Den här kretsens funktion kan också beskrivas i fyra faser (figur 4), när väl startprocessen är avslutad, enligt följande:

1. T1 – Den övre strömbrytaren, Q1, slås på, vilket resulterar i att en ström flödar från kondensatorn, Cm, till resonansströmkretsen Cr-Lr.

2. T2 – Strömbrytaren Q1 stängs av, vilket gör att Cr laddas på grund av den ström som flödar från Lr genom den nedre brytarens diod.

3. T3 – Strömbrytaren Q2 slås på, vilket gör att en resonansström flödar från Cr genom Q2 och in i Lr. Vid denna tidpunkt är Q2:s VCE fastklämd vid den parallella (eller integrerade) diodens framspänning, vilket möjliggör en ZVS.

4. T4 – Strömbrytaren Q2 stängs av, vilket gör att en frihjulsström kan flöda från Lr genom Cr, dioden som är parallell med Q1, och Cm. Vid denna tidpunkt är VCE för Q1 på samma sätt fastklämd till den parallella (eller integrerade) diodens framspänning, vilket möjliggör ZVS för nästa fas, T1.

Figur 4: De fyra driftsfaser i en halvbryggans strömresonanskonstruktion.

Som ett resultat av detta begränsas toppspänningarna till summan av den högsta växelströmsingångsspänningen, vilket gör att IGBT:er kan specificeras med en VCES på 600-650 V för ingångar på 220 VAC. De högre strömmarna utesluter användning av denna konstruktion med ingångar på 100 VAC.

Väljning av lämpliga IGBT:er för användning i apparater för induktionsuppvärmning

Det är uppenbart att en lämplig förståelse för de spänningar som genereras över VCES är en kritisk faktor vid valet av IGBT:er. Gate-drivspänningen, VGES, behöver också ses över. Denna drivs vanligtvis vid 18 V för att minska effektförlusterna i IGBT:n. Men svängningar i elnätet på många marknader, ibland så mycket som 20 %, innebär att konstruktörerna måste se till att databladet anger tillräckligt utrymme för dessa parametrar. Termiska parametrar, t.ex. Rth(j-c), ger vägledning om vilket kylningskoncept som krävs, medan tester bör göras av den elektromagnetiska kompatibiliteten (EMC), särskilt avstängningen vid lägre testfrekvenser.

En annan kritisk aspekt som bör granskas är IC(sat)-klassningen, en parameter som är relevant under de kortslutningsströmmar som flödar för att ladda Cr vid den första uppladdningen tills dess spänning matchar den på Cm. Slutligen bör den maximalt tillåtna kollektorströmmen, VCE, för FBSOA (forward-biased safe operating area) kontrolleras för olika pulsbredder.

Punch-through (PT) IGBT:er är den lämpligaste enheten i sådana tillämpningar, eftersom de stöder högre kopplingsfrekvenser än tidigare icke-PT-typer. De senaste framstegen har förtunnat P-kollektorskiktet för att skapa strukturer som kallas field stop (FS) IGBT:er. Detta gör det möjligt att skapa ett N-skikt för att möjliggöra en omvänt ledande (RC) kroppsdiod, vilket leder till RC-IGBT:er. Med en reducerad svansström är de väl lämpade för mjukväxlande kretsar. Toshibas senaste RC-IGBT, GT20N135SRA, är en ny generation enheter med stöd för 20 A vid 100 °C och 1350 V. Detta är idealiskt för 220 VAC-försörjda induktionsuppvärmningstillämpningar för 2200 W apparater med medelhög kapacitet.

Jämfört med enheter av tidigare generation är kortslutningsströmmen, IC(sat), begränsad till omkring 150 A vid 100 °C. Under kretsens startfas, när Cr laddas, bidrar detta till att minska kollektormättnadsströmmen och undertrycka spänningsoscillation (figur 5). Den bredare FBSOA innebär också att högre strömmar kan flöda, men detta måste balanseras mot att en del av förlusterna omvandlas till värme. GT20N135SRA har en maximal Rth(j-c) på 0,48 °C/W, så om man antar att IGBT:n behöver släppa ut 35 W i en apparat, skulle temperaturen i junctioncase vara cirka 6 °C lägre än tidigare generationers enheter (GT40RR21 – 0,65 °C/W).

Figur 5: Den förbättrade N-skiktet har också medfört en minskning av framspänningen, VF, med 0,5 %.5 V jämfört med tidigare generationens enheter. Med ett typiskt värde på 1,75 V vid 25 °C definierat minskar detta förlusterna och förbättrar effektiviteten. IGBT:s avstängningsfunktion kan göra det svårt att uppfylla CISPR-standarden, vilket kräver ett motstånd i grindbanan för att sänka omkopplingshastigheten. Detta leder dock till ökade förluster. Omkring 10 dB mer marginal vid 30 MHz uppnås nu utan ett sådant motstånd i samma bordsapplikation med GT20N135SRA, vilket ger en bättre kompromiss mellan utstrålade utsläpp och effektförlust (figur 6).

Figur 6: En förbättrad avstängning ger 10 dB mer CISPR-marginal vid 30 MHz för samma apparat.

Sammanfattning

Induktionsvärmare ger högre effektivitet och bättre styrning jämfört med många alternativa tekniker, men det är konstruktören som måste ta itu med komplexiteten i styrelektroniken för att genomföra dem. Halvledarindustrin har svarat med IGBT-omkopplare som under flera generationer har fortsatt att förbättra de egenskaper som är avgörande för optimal prestanda, från värmeavledning och EMC, till spännings- och strömkapacitet och förbättrad bakåtledande kroppsdiod.

GT20N135SRA, Toshibas senaste generation av RC-IGBT, gör det lättare att få ut produkter på marknaden som uppfyller testerna för strålningsutsläpp, samtidigt som de är mer effektiva. Även om den är optimerad för 220 VAC-strömresonanstillämpningar kommer framtida produkter att utökas för att täcka behoven av högre strömmar i större matlagningskärl och högre spänningar som förekommer i 100 VAC-apparater.