5. September 2023, 09:00 Uhr |
Von Jinchang Zhou, Product Line Manager bei onsemi
Heute dreht sich ein Großteil der Berichterstattung um Bauelemente, die auf WBG-Materialien (Wide Bandgap) wie SiC und GaN basieren. Dabei vergisst man aber leicht, dass auch IGBTs weiterentwickelt werden und dementsprechend auch weiterhin oft eine gute Wahl darstellen.
Anstelle ohmscher elektrischer Heizelemente, die heiß werden und Wärmeenergie an den Topf übertragen, wird beim Induktionsherd das Prinzip der Erregung einer Spule genutzt, die Wirbelströme im Topfboden erzeugen, die wiederum zum Teil in Wärme umgewandelt werden. Damit das Induktionskochen funktioniert, muss sich der Topfboden physikalisch in unmittelbarer Nähe der Spule befinden, und nur bestimmte Metalle sind dafür geeignet – ein Material mit hoher magnetischer Permeabilität ist erforderlich.
Die Theorie ähnelt einem Leistungstransformator, wobei die Spule die Primärseite und der Topfboden die Sekundärseite darstellt. Sie hat auch viel mit den modernen induktiven Ladetechniken gemeinsam.
Die Wärme entsteht durch die Zirkulation der Wirbelströme in der Bodenschicht des Topfes oder, genauer gesagt, durch den Widerstand, der diesen Strömen entgegengesetzt wird. Bei der induktiven Kopplung werden etwa 90 Prozent der Energie für die Erzeugung von Wärme im Topf übertragen. Ein typischer nicht induktiver Herd mit glatter Oberfläche würde nur etwa 70 Prozent der Energie übertragen, sodass die Verluste um den Faktor drei geringer sind.
Die verwendete Topologie ist dem Schweißstromkreis ähnlich. Der Wechselstrom aus dem Netz wird gleichgerichtet, um den Wechselrichter und eine kleine Hilfsstromversorgung für die Steuerung zu betreiben. Der Wechselrichter induziert einen Strom in die Kupferspule und erzeugt dadurch ein elektromagnetisches Feld, das die Wirbelströme im Topf induziert. Die erzeugte Wärme entspricht dem elektrischen Widerstand des Topfbodens, multipliziert mit dem Quadrat des induzierten Stroms (Joule-Effekt).
Anders als bei Schweißgeräten erfolgt die Steuerung von Induktionsherden häufig über eine variable Frequenz. Dies ist zwar ein einfacher Ansatz, aber die Herausforderung liegt im Frequenzbereich, der für die Steuerung der Ausgangsleistung über einen breiten Bereich erforderlich ist.
Resonanzwandler können selbst bei den hohen Frequenzen, die für Induktionsherde erforderlich sind, mit hohem Wirkungsgrad arbeiten. Daher werden in dieser Anwendung häufig Wandler eingesetzt, die auf Schwingkreisen, sogenannten Resonanztanksm, basieren – vor allem resonante Halbbrücken-Wandler (RHB) und quasiresonante Wechselrichter (QR). RHB-Wandler werden aufgrund des großen Lastbereichs, den sie bewältigen können, besonders geschätzt. Häufig kommen fortschrittliche Steuerungstechniken wie die Nullstromschaltung (ZCS) oder die Nullspannungsschaltung (ZVS) zum Einsatz, um die Leistungsverluste auf ein Minimum zu beschränken.
QR-Wandler wiederum werden aufgrund ihres kosteneffizienten Aufbaus häufig in Induktionsherden mit geringer Leistung (unter 2 kW Spitzenleistung) eingesetzt.
Solar-Wechselrichter und USV
Beim Einsatz einer Halbbrücke in Anwendungen, die schnelles Schalten erfordern, ergeben sich einige Herausforderungen:
Es sind nur zwei Ausgangsspannungen möglich.
Die Schaltverluste können erheblich sein.
Die Ansteuerung des Gates kann schwierig sein.
Die Belastung der Komponenten wirkt sich auf die Zuverlässigkeit aus.
Ein erhöhter Ripple-Strom und EMI erfordern einen deutlich größeren Filteraufwand.
Die Halbbrücke ist inkompatibel mit HV-DC-Bus.
Das thermische Design kann anspruchsvoll sein.
Dementsprechend wird in modernen Anwendungen wie zum Beispiel in unterbrechungsfreien Stromversorgungen und Solar-Wechselrichtern heute die Halbbrücke ersetzt. Im Gegenzug dazu werden dreistufige Topologien immer dominanter – bekannt als I- und T-Typ.
Es gibt viele Möglichkeiten zur Verbesserung, z. B. mithilfe einer geringeren Spannung über den aktiven Bauelementen, was die Verluste und die harmonische Verzerrung reduziert und kleinere Komponenten ermöglicht. Vor allem aber sorgen diese Topologien für wesentlich geringere Schaltverluste, sodass sich bei hohen Frequenzen von 16 bis 40 kHz Wirkungsgrade bis zu 98 Prozent erzielen lassen.
Auch in Zukunft spielen IGBTs eine wichtige Rolle
Auch wenn IGBTs heute teilweise als veraltet ansehen werden: Sie spielen bei Hochleistungsanwendungen (hohe Spannung/hoher Strom) auch weiterhin eine wichtige Rolle. Denn IGBTs entwickeln sich weiter, ihre UCEsat-Werte nähern sich 1 V, und die Strukturen werden weiter verbessert, sodass ein kompakterer Aufbau und reduzierte Verluste möglich sind.
Wie immer bei der Arbeit mit IGBTs müssen Entwickler die Anforderungen der Anwendung genau verstehen und die geeignete Topologie auswählen, um beste Ergebnisse und eine hohe Leistungsfähigkeit zu erzielen.
