IGBTs mit Gate-Treiber und Schutz Induktive Erwärmung leichtgemacht

IGBTS mit integriertem Treiber und Schutzfunktionen können das Design von induktiven Küchengeräten vereinfachen.
IGBTS mit integriertem Treiber und Schutzfunktionen können das Design von induktiven Küchengeräten vereinfachen.

Das Design induktiver Heizelemente in Küchengeräten kann einfach sein. IGBT-Lösungen mit integriertem Treiber sorgen für hohe Effizienz und geringe Kosten und Abmessungen. Für zuverlässigen Betrieb, auch in der „heißesten“ Küche, sorgen umfassende Schutzmechanismen und weitreichende Betriebsdaten.

Das Kochen zu Hause ist wieder Trend – die sozialen Medien inspirieren zu gesunden und interessanten Gerichten, auch der Umweltgedanke spielt eine immer größere Rolle. Smarte Küchengeräte mit neuester digital-elektronischer Technik bringen viele neue Funktionen und mehr Sicherheit, sind leichter zu reinigen und verbrauchen weniger Energie. Induktive Wärme ist ein wesentlicher Bestandteil digitaler Technologie in der Küche, etwa für Kochfelder, Reiskocher, Fritteusen oder Milchaufschäumer. Gegenüber konventionellen elektrischen Heizelementen profitieren die Geräte und Kunden von einer präzisen und gesteuerten Erwärmung, schneller Rückmeldung mit weniger Verbrennungsrisiko sowie hoher Energieeffizienz. Allein der Markt für induktive Kochfelder soll jährlich rund sechs Prozent wachsen, auf ein Marktvolumen von bis zu 13,5 Milliarden US-Dollar in 2022 [1].

Starter-Schalter für induktives Kochen

Das Design von Induktionsgeräten beginnt üblicherweise mit einem Transformator, wie man ihn von vielen Produkten kennt, bei denen eine Netz-Wechselspannung auf eine geringere Spannung umgesetzt wird. Allerdings wird hier auf die sekundäre Spule verzichtet und stattdessen ein Metall nahe an die primäre Spule gebracht. Wenn die primäre Spule mit Energie versorgt wird, dann kommt es durch das Metall auf der Sekundärseite zu einem Kurzschluss, der einen Wirbelstrom erzeugt. Verfügt das Metall über einen definierten Widerstand, dann können die I2R-Verluste zur Erwärmung genutzt werden. Ist das Metall zum Beispiel der Boden einer Pfanne oder der Belag eines Tischkochers, dann wirkt das Prinzip eines Induktionskochers (Bild 1).

Eignung verschiedener Metalle

Nicht jedes Metall verhält sich jedoch gleich. Kupfer und Aluminium weisen nur einen geringen Widerstand auf und erwärmen sich daher nicht so stark, selbst wenn die Wechselspannungsfrequenz hoch ist. Außerdem kommt es bei diesen Metallen zu einem Skin-Effekt, der dazu führt, dass der Strom auf der Oberfläche und nicht im Metallkörper fließt. Das begrenzt die elektrische Leitfähigkeit, den Widerstand und damit den Heizeffekt.

Für induktive Erwärmung muss das Metall, wie Eisen oder Stahl, über eine magnetische Permeabilität verfügen, bei der die ferromagnetische kristalline Struktur aus mikroskopisch kleinen magnetischen Bereichen besteht. Diese Bereiche werden durch das angelegte magnetische Feld der Primärspule in alternierende Orientierungen gezwungen. Bei der Rotation der magnetischen Bereiche entsteht eine Art Reibung, die wiederum Wärme erzeugt. Dieser Prozess wird als Joulesche Wärme bezeichnet und liefert in diesem Fall den Temperaturanstieg für induktives Kochen.

Grundlage ist also das Stromwärmegesetz, das besagt, dass ein elektrischer Strom in einem elektrischen Leiter Wärmeenergie erzeugt, durch fortwährende Umformung von elektrischer Energie, die dem Leiter entnommen wird.

Die beste Zutat: ein Resonanzwandler

Standard-Netzspannung von 50 oder 60 Hz versorgt werden. Das würde aber zu sehr großen Produktmaßen und einem sehr kleinen Skin-Effekt führen. Daher werden höhere
Frequenzen im Bereich von 25 bis 75 kHz verwendet, was sehr kompakte Abmessungen ermöglicht. In diesem Fall verfügt die Primärseite des Transformators (Induktionsspule) über weniger Wicklungen bei höherer Frequenz. Das bedeutet zwar geringere resistive Verluste, aber auch immer noch einen Skin-Effekt. Eine typische Spule nutzt Wicklungen mit Litzendraht, also sehr dünne, parallele und isolierte Drähte – jeder mit einem geringeren Durchmesser als die Tiefe des Skin-Effektes, um die entsprechenden Verluste zu reduzieren.

Zur Erzeugung der hochfrequenten Wechselspannung für die Induktionsspule stehen mehrere Möglichkeiten zur Verfügung. Dabei stellt ein SEPR (Single-Ended Parallel Resonance)-Umsetzer für kompakte Haushaltsgeräte bis etwa 2,1 kW das beste Verhältnis von Kosten zu hoher Energie­effizienz dar (Bild 2).

Der Baustein Q1 ist ein IGBT, der von einem Controller mit variabler Frequenz geschaltet wird, beispielweise mit nur 20 kHz bei voller Last. Leq ist die Induktionsspule. Im eingeschwungenen Zustand (Steady-State) schaltet der IGBT Q1 mit null Volt an seinem Kollektor und Strom fließt durch die gleichgerichteten Leitungen durch Leq. Dabei steigt der Strom linear an. Bei einem vorgegebenen Stromlevel schaltet Q1 ab und der Strom zirkuliert durch Cres – wobei die Kollektorspannung zuerst ihren Spitzenwert erreicht und dann auf die Resonanzfrequenz von Leq und Cres fällt: der benötigten Wechselspannung für die Induktionsspule. Wenn die Spannung unter null fällt, dann leitet D1 und Strom zirkuliert durch Cf. An diesem Punkt wird der IGBT Q1 wieder geschaltet und der Zyklus wiederholt sich.

Die Leistung wird geregelt, indem man den Abschaltstrom für den IGBT Ipk einstellt. So wird die in Leq verfügbare Energie (0,5 LeqIpk2) definiert. Die Schaltung ist mit Zero-Voltage-Switching beim Einschalten effizient, aber der IGBT weist eine Spannung bis zur doppelten Spitzenspannung der Leitungen auf. Auch die Abschaltverluste sind gering, da der Anstieg der Oszillatorspannung langsam erfolgt, begrenzt durch den Resonanzkondensator. Hier ist kein Bulk- oder Reservoir-Kondensator erforderlich, da Cf sehr klein ist. Letztlich bedeutet das einen guten Leistungsfaktor. Es müssen keine Korrekturen vorgenommen werden, um EMC-Standards zu erfüllen. Allerdings sollte ein HF-Leitungsfilter eingesetzt werden, damit gesetzliche Interferenzlimits eingehalten werden.

Die beschriebene Schaltung ist relativ einfach, bringt aber einige Beschränkungen mit sich: So ist der Spannungsstress für Q1 hoch. Es gibt keinen Bulk-Kondensator, der Spannungsanstiege an den Leitungen abschwächt, um den Stress zu reduzieren. Transienten beim Einschalten oder beispielsweise das simple Entfernen der Pfanne vom Induktionsherd können so zu Stromspitzen führen oder dazu, dass kein spannungsloses Schalten (ZVS) mehr möglich ist. Der Q1-IGBT könnte zerstört werden. Daher muss der IGBT für die jeweilige Applikation genau spezifiziert und mit Schutzmechanismen ausgestattet sein.

Der IGBT und seine Ansteuerung

Die Spannungsklasse sollte für den IGBT beim induktiven Erwärmen hoch sein, mindestens 1200 V, um ein Einschwingen mit hohen resonanten Spitzen sowie Transienten bei hohen Wechselspannungen zu erlauben. Die Spezifikation für den Strom sollte über eine entsprechende Marge verfügen, um auch transiente Bedingungen abfedern zu können. Außerdem sollte die Sättigungsspannung VCE(ON) so gering wie möglich sein, um die Leitverluste zu minimieren. Die Abschaltverluste sind gering aufgrund des langsamen dV/dt-Anstiegs der Kollektorspannung. Unter transienten Bedingungen sollten im Idealfall Strom, Spannung und Temperatur des IGBT überwacht und limitiert werden. Ein Beispiel für einen solchen IGBT unter den genannten Anforderungen ist der RC-H5-IGBT der Trenchstop-F-Serie von Infineon (Bild 3).

Er zeigt, wie ein IGBT für optimale Leistung in induktiven Anwendungen aufgebaut sein kann. Der exemplarische IGBT ist mit 1350 V und 20 A spezifiziert, speziell ausgelegt für SEPR-Anwendungen und induktive Erwärmung bis zu 2,2 kW Leistung. Wichtig für das Bauteil sind in diesen Anwendungen sehr geringe Schaltverluste und, dass für den erforderlichen Abfall der Vorwärtsspannung eine parallele Diode integriert ist. Darüber hinaus braucht der IGBT zahlreiche Schutzfunktionen, etwa eine Strombegrenzung für jeden Schaltzyklus, die auch die maximale LC-Resonanzenergie und die Spitzenspannung begrenzt. Dieser Status wird über den VDET-Anschluss mit drei Schwellwerten überwacht. Dazu wird eine skalierbare Reproduktion der Kollektor-Emitter-Spannung über einen Spannungsteiler, der aus zwei Widerständen besteht, genutzt.

Initial wird der IGBT für 5 µs eingeschaltet, um Überspannung zu begrenzen. Nach dieser Zeitspanne schaltet der IGBT ab, während die Energie in der Spule immer noch vorhanden ist. Die Spannung steigt deshalb weiter bis zum nächsten Schwellwert. An diesem Punkt schaltet der IGBT wieder ein und bleibt in diesem Status, bis VDET unter den ersten Schwellwert fällt. Mit diesem Zweischritt-Prozess ist die Verlustleistung deutlich geringer als bei einer kontinuierlichen Klemmung mit transienten Überspannungen. Der dritte und geringste Schwellwert hat den gegenteiligen Effekt, indem er das normale Einschalten des IGBT verhindert, wenn die Spannung zu hoch ist. Die erforderlichen Widerstandswerte für den Spannungsteiler können – wie in Bild 4 dargestellt – ermittelt werden. Ein Abblock-Kondensator sollte zudem in Betracht gezogen werden, da eine stabile Spannung für einen zuverlässigen Betrieb erforderlich ist.

Schutz der Induktion

Das Einschalten des Gatetreiber-Stroms erfolgt in zwei Schritten. Zuerst wird ein geringerer Wert erreicht, um dV/dt und dI/dt zu reduzieren. Damit wird die Spitze des Kollektor-Stromes aufgrund der Ladung des Resonanzkondensators reduziert. Danach wird eine höherer Gate-Strom eingestellt, um die volle IGBT-Sättigung bei geringsten Leitverlusten zu sichern.

Auch die Temperatur wird überwacht. Über den multifunktionalen INN-Anschluss wird ein Warnsignal ausgegeben, wenn die Temperatur des Bausteins 75° Celsius überschreitet. Bei mehr als 150° Celsius wird abgeschaltet. Im aktiven Betrieb ist der INN-Pin auf Low, um den IGBT zu treiben. Im ausgeschalteten Zustand wird die externe Schaltung hoch impedant und die IGBT-Signale steuern dann den Pin mit verschiedenen Spannungsleveln. Dabei werden normaler Betrieb oder Übertemperatur angezeigt (Bild 5).

 

Die Entwicklung digital-elektronischer Küchengeräten hängt insbesondere von den passenden IGBTs ab. Bausteine mit integrierten Treibern und den richtigen Schutzfunktionen sorgen nicht nur für ein unkompliziertes Design auf wenig Bauraum, sie sorgen auch für Freude und Sicherheit beim induktiven Kochen und Erwärmen. UH

 

Literatur
[1] Verma, Preksha: Household Induction Cooktops Market - Global Opportunity Analysis and Industry Forecast 2014-2022, Allied Market Research, 2017, https://www.alliedmarketresearch.com/household-induction-cooktops-market