基于IPD Protect的2.1 kW電磁感應加熱設計

0   引言

因加熱時(shí)間快，無(wú)明火，功率大，電能熱能轉換效率高和系統成本低等優(yōu)點(diǎn)，感應加熱已經(jīng)在家電市場(chǎng)大規模普遍應用。但制造商和最終用戶(hù)仍然對感應加熱提出了越來(lái)越多的要求，如減小系統尺寸和重量，降低系統成本和降低失效率及返修率等。由于在快速加熱和大功率環(huán)境工作，對感應加熱功率器件IGBT造成很大的應力沖擊，引起相當比率的市場(chǎng)失效，制造商需要花費大的成本來(lái)做售后維護，同時(shí)也影響了品牌口碑。另外，激烈的市場(chǎng)競爭導致更加嚴格的成本要求，設計者往往為了降低BOM 成本會(huì )忽視甚至去掉極限情況下IGBT 的保護功能。同時(shí)系統的一些報警功能可以提醒用戶(hù)較少持續惡劣工況下運行，也可以做到降低系統的失效率。

因此，設計一種大功率，高可靠性，高集成的感應加熱系統就很有必要。本文介紹了一款2.1 kW 感應加熱評估板，來(lái)滿(mǎn)足客戶(hù)的各種需求，同時(shí)，自帶完善的保護功能，以及經(jīng)過(guò)優(yōu)化的PCB 設計可以給設計者提供參考。

圖1 IPD Protect 器件圖片和內部功能框圖

1   自帶保護功能TRENCHSTOP? IPD Protect器件介紹

針對感應加熱市場(chǎng)應用，英飛凌推出了一款新穎F系列TRENCHSTOP? IPD (Integrated Power Device)，也稱(chēng)作“IPD Protect”，TO-247-6 引腳封裝的IPD Protect器件EWS20R5135IPB 集成了1350 V 20 A 的RCH5IGBT 和獨立自帶保護的驅動(dòng)器，集成的體內二極管可以實(shí)現軟換流^[1]。

器件封裝TO247-6 實(shí)現集電極和發(fā)射極飛行距離3 mm，爬電距離5.7 mm 和7.5 mm^[4]。VDET 引腳檢測電壓VCEshi 實(shí)現過(guò)壓保護 ^[3]；CS 引腳檢測流過(guò)IPDProtect 的電流實(shí)現過(guò)流保護：INN 引腳實(shí)現過(guò)溫報警和保護；VCC 引腳實(shí)現欠壓保護。

2   感應加熱系統設計

2.1   感應加熱原理介紹

1831 年8 月，英國物理學(xué)家法拉第發(fā)現了電磁感應現象，電磁感應加熱的原理就是感應加熱電源產(chǎn)生的交變電流通過(guò)感應器（即線(xiàn)圈）產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，導磁性物體置于其中切割交變磁力線(xiàn)，從而在物體內部產(chǎn)生交變的電流（即渦流），渦流使物體內部的原子高速無(wú)規則運動(dòng)，原子互相碰撞、摩擦而產(chǎn)生熱能，從而起到加熱物品的效果。將電能轉化為磁能，使被加熱鋼體感應到磁能而發(fā)熱的一種加熱方式，這種方式從根本上解決了電熱片，電熱圈等電阻式通過(guò)熱傳導方式加熱的效率低下問(wèn)題。

2.2 系統整體介紹

感應加熱應用一般采用單端并聯(lián)諧振拓撲(singleended parallel-resonant-SEPR)，這種拓撲架構相對簡(jiǎn)單，可實(shí)現高效的能量轉換，同時(shí)可降低EMI。然而這種電

路拓撲也有一些缺陷，如工作在諧振狀態(tài)下，輸入電壓經(jīng)過(guò)諧振后放大，電壓應力加在IGBT 上，不可控的高壓很容易造成IGBT 的過(guò)壓失效。同時(shí)，諧振模式下的電流尖峰，也非常容易引起IGBT 的過(guò)流損壞。

系統整體框圖如圖2 所示，220 V 交流電壓經(jīng)濾波整流后，通過(guò)諧振電容，大線(xiàn)盤(pán)，IPD Protect 等進(jìn)行高頻諧振。輔助電源輸出18 V 給IPD Protect，5 V給單片機。單片機通過(guò)檢測輸入電壓，諧振電壓和輸出電壓進(jìn)行閉環(huán)控制，同時(shí)也檢測保護信號。按鍵和LED 顯示等人機交互界面用來(lái)控制和監測系統的運行狀態(tài)。PCB 板實(shí)物照片如圖3。

3 系統設計和測試結果

3.1 正常滿(mǎn)載工作狀態(tài)

設置系統輸出滿(mǎn)載功率2.1 kW 運行時(shí)，測試IPD Protect 器件的波形如圖4 所示，V_CE 尖峰電壓1 036 V，ICE 尖峰電流50 A，I_NN 高低電平分別為2.5 V 和0 V?？梢钥闯?，功率器件一直工作在軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)中，I_NN 上升沿到VCE 電壓上升延時(shí)時(shí)間為1.8 μs。

3.2   過(guò)壓保護電路

如圖5 所示，IPD Protect的V_CE 電壓通過(guò)分壓電阻后連接到V_DET 腳，與內部設定的過(guò)壓觸發(fā)電壓門(mén)限比較，當達到V_DET+1 時(shí), 過(guò)壓保護功能觸發(fā)，V_CE 被鉗位到V_Clamp1，當達到VDET+2 時(shí),內部閉環(huán)啟動(dòng)，V_E 被恒定鉗位在V_Clamp2, 如果故障排除后，V_CE 下降到V_RST 時(shí),退出過(guò)壓保護模式。

其中，V_Clamp1 是設計期望的IPD Protect V_CE 鉗位電壓，VDET+1 是內部的過(guò)壓觸發(fā)門(mén)限電壓。V_DET+2=4.36 V 和V_RST-=1.37 V 代入，可得V_Clamp2=673.1 V，V_RST=211.5 V

3.3   過(guò)流保護電路

如圖6 所示， 流過(guò)IPD Protect 內部IGBT 發(fā)射極的電流經(jīng)過(guò)采樣電阻R8 后，通過(guò)電阻R27 和RCS 分壓后， 連接到IPD Protect 的CS 腳， 與內部的基準電壓V_CETH- 進(jìn)行比較，如果大于V_CETH-，過(guò)流保護功能將被觸發(fā)。

IPD Protect 的過(guò)流保護點(diǎn)計算公式如下所示，經(jīng)過(guò)計算可得，IPD Protect 在系統中的I_CE 過(guò)流保護點(diǎn)為68 A。

3.4   過(guò)溫保護電路

IPD Protect 內部自帶過(guò)溫保護功能，當芯片內部結溫達到結溫報警點(diǎn)TvjTW 時(shí)( 典型值75 ℃ )，I_NN PWM 電壓會(huì )從2.5 V 抬高到4 V，這樣單片機就可以檢測到這個(gè)抬高的報警信號，可以做一些降額處理。當芯片結溫繼續上升，達到結溫保護關(guān)斷點(diǎn)TvjSD時(shí)( 典型值150 ℃ )，IPD Protect 的驅動(dòng)就會(huì )被拉低，系統關(guān)機，當溫度下降到75 ℃以下時(shí)，系統會(huì )自動(dòng)重啟。

3.5   輸入電壓跌落試驗

當輸入電壓突變時(shí)，諧振電流突然增大可能導致功率器件失效。測試條件為，在滿(mǎn)載2.1 kW 工作時(shí)，輸入電壓從312 V 跌落到56 V，持續200 μs，查看系統是否異常。測試波形如圖7 所示，當輸入電壓突然上升時(shí)，母線(xiàn)電壓過(guò)沖會(huì )導致功率器件IPD Protect 電壓VCE 和電流ICE 迅速上升，可能導致器件失效。由于IPD Protect 內部集成良好的電流限制功能，從而可以限制器件電壓的上升，保護IPD Protect 不損壞。

3.6   運行時(shí)移鍋測試

系統運行時(shí)，突然移動(dòng)被加熱的鍋，會(huì )造成系統負載的突變，會(huì )對持續諧振工作狀態(tài)下系統的穩定性和器件的應力造成沖擊。實(shí)際測試中波形很穩定平滑，也沒(méi)有出現IPD Protect 器件的電流電壓應力問(wèn)題。

3.7   PCB布板和整體設計建議

1)   外圍旁路電路靠近器件放置

由于IPD Protect 內部集成了很多模擬和功率電路，芯片對于引腳采集的信號十分敏感，為了保證芯片功能不被干擾，芯片外圍的電路需要盡量靠近芯片放置。

如芯片+18 V 供電電壓的旁路電容需要靠近VCC 腳，VCE 電壓采樣電路的濾波電容需要靠近VDET 腳，ICE 電流采樣的RC 濾波電路需要靠近CS 腳等。

2)   LC 濾波回路和諧振回路盡量短單端并聯(lián)諧振電路拓撲一直工作在諧振模式，所以功率回路一定要盡量短，避免一些寄生參數造成工作不穩定。工作在諧振模式下的電感，IPD Protect，諧振電容和母線(xiàn)電容，需要盡量靠近放置[2]。

3)   安規距離

由于系統存在高壓危險電壓信號，同時(shí)又有一些人機交互的單片機數字電路，所以在布局的時(shí)候一定要考慮高壓電路的安規距離。

圖5 過(guò)壓保護電路和V_CE波形

4) 散熱設計

盡管IPD Protect 內部集成了過(guò)溫報警和關(guān)閉功能，但是由于過(guò)溫保護點(diǎn)的精度和過(guò)溫保護的響應時(shí)間問(wèn)題，同時(shí)系統運行時(shí)諧振狀態(tài)會(huì )引起大的結溫波動(dòng)，所以系統設計的時(shí)候還是需要良好的散熱，比如使用足夠風(fēng)量的風(fēng)扇進(jìn)行強制散熱，IPD Protect 器件與散熱器之間緊密的接觸等。

圖6 過(guò)流保護電路和I_CE波形

4   結語(yǔ)

本文針對感應加熱產(chǎn)品的一些技術(shù)問(wèn)題和客戶(hù)痛點(diǎn)，設計了一款新穎的2.1 kW 感應加熱系統，采用英飛凌高集成度的IPD Protect 功率器件，大大提高了系統的集成度和可靠性，同時(shí)也簡(jiǎn)化了設計的難度，在小家電市場(chǎng)的應用將具有很大的吸引力和前景。

參考文獻：

[1] 英飛凌.IEWS20R5135IPB數據手冊[Z].v2.3.2020.

[2] 英飛凌.UN2019-35_IEWS20R5135IPB評估板應用手冊[Z].v01.2020.

[3] 英飛凌.Trenchstop feature IGBT Protected series for induction heating[Z].v01.2020.

[4] 英飛凌.AN2018-34 IPD Protect-features,description and design tips[Z]. V1.3.2020.

作者簡(jiǎn)介：施三保（1980—），男，高級主任工程師，碩士，從事功率半導體系統研發(fā)方案設計。郵箱：15769903@qq.com。

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志社2021年2月期）