电磁感应加热在小家电市场(如电饭煲,油炸锅和牛奶泡沫器等)已经得到广泛应用,减小系统尺寸,降低系统成本和提高可靠性是越来越多客户的需求。本文针对电磁感应加热市场痛点,设计了一款 2.1kW 电磁感应加热平台。搭载了英飞凌自带保护 IPD Protect,XMC 单片机和 CoolSET PWM 控制器辅助电源。电路拓扑采用单端并联谐振电路,最大输出功率 2.1kW,实现了 IPD Protect 的快速过流保护,过压保护,过温报警和保护,输入电压欠压保护和低静态电流等功能,其中 IPD protect 过压和过流保护点可以根据系统要求来调节。同时,经过优化的 PCB 板设计,可以长期可靠的运行,并通过了严格的 EMC 测试。

 

因加热时间快,无明火,功率大,电能热能转换效率高和系统成本低等优点,感应加热已经在家电市场大规模普遍应用。但制造商和最终用户仍然对感应加热提出了越来越多的要求,如减小系统尺寸和重量,降低系统成本和降低失效率返修率等。用户对快速加热和大功率环境工作,对感应加热功率器件 IGBT 造成很大的应力冲击,造成相当比率的市场失效,导致制造商需要花费大的成本来做售后维护,同时也影响了制造商的品牌口碑。另外一方面,激烈的市场竞争导致用于对系统成本提出更加严格的要求,设计者往往为了降低 BOM 成本会忽视甚至去掉极限情况下的 IGBT 的保护功能。同时,用户对友好的人机界面也提出了更高的要求,系统的一些报警功能可以提醒用户较少持续恶劣工况下运行,也可以做到降低系统的失效率。

 

因此,设计一种大功率,高可靠性,高集成的感应加热系统就很有必要。本文介绍了一款 2.1kW 感应加热评估板,来满足客户的各种需求,同时,自带完善的保护功能,以及经过优化的 PCB 设计可以给设计者提供参考。

 

自带保护功能 TRENCHSTOP™ IPD Protect 器件介绍

针对感应加热市场应用,英飞凌推出了一款新颖 F 系列 TRENCHSTOP™ IPD (Integrated Power Device),也称作“IPD Protect”,TO-247-6 引脚封装的 IPD Protect 器件 EWS20R5135IPB 集成了 1350V 20A 的 RC-H5 IGBT 和独立自带保护的驱动器,集成的体内二极管可以实现软换流 1。

 

图 1. IPD Protect 器件图片和内部功能框图

 

器件的 Pin 脚定义分别为:1-C(Collector),2-E/COM(Emitter/Ground),3-VCC(Supply),4-CS(Current Sense),5-INN(PWM Input),6-VDET(Voltage Sense)。芯片引脚端口都集成了 ESD 保护二极管。

 

器件安规距离:封装 TO247-6 实现集电极(Collector)和发射极(Emitter)飞行距离 3mm,引脚之间的爬电距离 5.7mm,背面散热基板到发射极爬电距离为 7.5mm4。 

 

VCE 过压保护:VCE 过压保护点可以设置,并可以实现 VCE 主动钳位控制(Active clamp control-ACC),VDET 脚检测电压超过设定电压后,进入内部闭环控制,驱动电压降低,IPD Protect 的 VCE 电压一直钳位在预设的最大电压3

 

过流保护:CS 引脚检测流过 IPD Protect 的电流,达到设计值时就会出发逐波限流保护。

 

过温保护:正常工作时 INN 电压为 2.5V 典型值,当 IPD Protect 结温达到温度报警点(典型值 75℃)时,INN 电压上升到 4.5V 典型值;当 IPD Protect 结温达到过温保护关机点(典型值 150℃)时,INN 电压降为 0V。

 

VCC 欠压保护:当 VCC 电压上升到典型值 13.5V 时,芯片开始正常工作,其中有 1V 回差,即当电压下降到典型值 12.5V 时,芯片欠压保护启动,停止动作。

 

综上所述,这颗 IPD Protect 器件集成度高,自带各种保护功能可以大大提高系统的可靠性,高集成度可以减少设计工程师的工作量,并可以减少元器件数量,缩小 PCB 面积,从而降低系统成本。

 

感应加热系统设计

1、感应加热原理介绍

1831 年 8 月,英国物理学家法拉第发现了电磁感应现象,即交变的磁场在导体中会产生感应电流,从而导致导体发热。电磁感应加热的原理就是感应加热电源产生的交变电流通过感应器(即线圈)产生交变磁场,导磁性物体置于其中切割交变磁力线,从而在物体内部产生交变的电流(即涡流),涡流使物体内部的原子高速无规则运动,原子互相碰撞、摩擦而产生热能,从而起到加热物品的效果。将电能转化为磁能,使被加热钢体感应到磁能而发热的一种加热方式,这种方式从根本上解决了电热片,电热圈等电阻式通过热传导方式加热的效率低下问题。

 

2、单端并联谐振电路拓扑介绍

感应加热应用一般采用单端并联谐振拓扑(single-ended parallel-resonant-SEPR),如图 2 所示,这种拓扑架构相对简单,可以实现高效的能量转换,同时,工作在谐振软开关模式可以降低 EMC 噪音。

 

然而这种电路拓扑也有一些缺陷,如工作在谐振状态下,输入电压经过谐振后放大,电压应力加在 IGBT 上,不可控的高压很容易造成 IGBT 的过压失效。同时,谐振模式下的电流尖峰,如果控制上不注意,或在某些极限工况运行时,也非常容易引起 IGBT 的过流损坏。

 

图 2. 单端并联协整拓扑

 

因此,系统设计的时候,需要特别注意 IGBT 的软硬件保护策略。

 

3、系统整体介绍

 

图 3. 系统整体功能框图

 

系统整体框图如图 3 所示,220V 交流电压经过滤波整流后,通过谐振电容,大线盘,IPD Protect 等进行高频谐振。220V 交流电压整流后通过反激电路分别输出 18V 给 IPD Protect,输出 5V 给单片机。单片机通过检测输入电压,谐振电压和输出电压进行闭环控制,同时也检测系统的一些保护信号。按键和 LED 显示等人机交互界面用来控制和监测系统的运行状态。

 

图 4. PCB 板图片

 

设计的 PCB 板实物照片如图 4 所示,功率器件整流桥二极管和 IPD Protect 紧靠散热器,风扇对散热器强制风冷散热,谐振电感和电容等功率回路在 PCB 板中间,辅助电源板板给单片机和风扇供电,经过加强绝缘隔离的控制电路和人机交互电路部分在 PCB 背面。

 

系统设计和测试结果

1、正常满载工作状态

设置系统输出满载功率 2.1kW 运行时,测试 IPD Protect 器件的波形如图 5 所示,VCE 尖峰电压 1036V,ICE 尖峰电流 50A,INN 高低电平分别为 2.5V 和 0V。可以看出,功率器件一直工作在软开关状态中,INN 上升沿到 VCE 电压上升延时时间为 1.8µs。

 

图 5. 系统满载 2.1kW 运行时的波形图

 

2、过压保护电路

如图 6 所示,IPD Protect 的 VCE 电压通过分压电阻后连接到 VDET 脚,与内部设定的过压触发电压门限比较,当达到 VDET+1 时,过压保护功能触发,VCE 被钳位到 VClamp1,当达到 VDET+2 时,内部闭环启动,VCE 被恒定钳位在 VClamp2,如果故障排除后,VCE 下降到 VRST 时,退出过压保护模式。

 

 

其中,VClamp1 是设计期望的 IPD Protect VCE 钳位电压,VDET+1 是内部的过压触发门限电压。

 

VDET+2=4.36V 和 VRST-=1.37V 代入,可得 VClamp2=673.1V, VRST=211.5V

 

图 6. 过压保护电路和 VCE 波形

 

3、过流保护电路

如图 7 所示,流过 IPD Protect 内部 IGBT 发射极的电流经过采样电阻 R8 后,通过电阻 R27 和 RCS 分压后,连接到 IPD Protect 的 CS 脚,与内部的基准电压 VCETH- 进行比较,如果大于 VCETH-,过流保护功能将被触发。

 

图 7. 过流保护电路和 ICE 波形

 

IPD Protect 的过流保护点计算公式如下所示,经过计算可得,IPD Protect 在系统中的 ICE 过流保护点为 68A。

 

 

4、过温保护电路

IPD Protect 内部自带过温保护功能,当芯片内部结温达到结温报警点 TvjTW 时(典型值 75℃),INN PWM 电压会被抬高,这样单片机就可以检测到这个抬高的报警信号,可以做一些降额处理。

 

当芯片结温继续上升,达到结温保护关断点 TvjSD 时(典型值 150℃),IPD Protect 的驱动就会被拉低,系统关机,当温度下降到 75℃以下时,系统会自动重启,如图 8 所示。

 

图 8. 过温保护报警和关机波形

 

5、输入电压跌落试验

当输入电压突变时,谐振电流突然增大可能导致功率器件失效。测试条件为,在满载 2.1kW 工作时,输入电压从 312V 跌落到 56V,持续 200µs,查看系统是否异常。测试波形如图 9 所示(其中通道 1 为 ICE,通道 2 为 VCE,通道 3 为 INN),当输入电压突然上升时,母线电压过冲会导致功率器件 IPD Protect 电压 VCE 和电流 ICE 迅速上升,可能导致器件失效。由于 IPD Protect 内部集成良好的电流限制功能,从而可以限制器件电压的上升,保护 IPD Protect 不损坏。

 

图 9. 输入电压跌落试验波形

 

6、运行时移锅测试

系统运行时,突然移动被加热的锅,会造成系统负载的突变,会对系统的稳定性和器件的应力造成冲击。测试波形如图 10 所示,其中通道 1 为 INN,通道 2 为 VCE,通道 4 为 ICE, 可以看出系统波形很稳定平滑,也没有出现 IPD Protect 器件的电流电压应力问题。

 

图 10. 系统运行时移锅测试

 

7、PCB 布板和整体设计建议

外围旁路电路靠近器件放置

由于 IPD Protect 内部集成了很多模拟和功率功率电路,芯片对于引脚采集的信号十分敏感,为了保证芯片功能不被干扰,芯片外围的电路需要尽量靠近芯片放置。如芯片+18V 供电电压的旁路电容需要靠近 VCC 脚,VCE 电压采样电路的滤波电容需要靠近 VDET 脚,ICE 电流采样的 RC 滤波电路需要靠近 CS 脚等。

 

LC 滤波回路和谐振回路尽量短

单端并联谐振电路拓扑一直工作在谐振模式,所以功率回路一定要尽量短,避免一些寄生参数造成工作不稳定。如图 11 所示,工作在谐振模式下的电感,IPD Protect, 谐振电容和母线电容,需要尽量靠近放置 2。

 

图 11. PCB 功率回路

 

安规距离

由于系统存在高压危险电压信号,同时又有一些人机交互的单片机数字电路,所以在布局的时候一定要考虑高压电路的安规距离。

 

散热设计

尽管 IPD Protect 内部集成了过温报警和关闭功能,但是由于过温保护点的精度和过温保护的响应时间问题,同时系统运行时谐振状态会引起大的结温波动,所以系统设计的时候还是需要良好的散热,比如使用足够风量的风扇进行强制散热,IPD Protect 器件与散热器之间紧密的接触等。

 

结束语

本文针对感应加热产品的一些技术问题和客户痛点,设计了一款新颖的 2.1kW 感应加热系统,采用英飞凌高集成度的 IPD Protect 功率器件,大大提高了系统的集成度和可靠性,同时也简化了设计的难度,在小家电市场的应用将具有很大的吸引力和前景。

 

参考文献

1. 英飞凌,IEWS20R5135IPB 数据手册,v2.3,2020

 

2. 英飞凌,UN2019-35_IEWS20R5135IPB 评估板应用手册,v01,2020

 

3. 英飞凌,Trenchstop feature IGBT Protected series for induction heating,v01,2020

 

4. 英飞凌,AN2018-34 IPD Protect-features,description and design tips, V1.3,2020