基于IPD Protect的2.1 kW電磁感應(yīng)加熱設(shè)計(jì)

0   引言

因加熱時間快，無明火，功率大，電能熱能轉(zhuǎn)換效率高和系統(tǒng)成本低等優(yōu)點(diǎn)，感應(yīng)加熱已經(jīng)在家電市場大規(guī)模普遍應(yīng)用。但制造商和最終用戶仍然對感應(yīng)加熱提出了越來越多的要求，如減小系統(tǒng)尺寸和重量，降低系統(tǒng)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(yīng)加熱功率器件IGBT造成很大的應(yīng)力沖擊，引起相當(dāng)比率的市場失效，制造商需要花費(fèi)大的成本來做售后維護(hù)，同時也影響了品牌口碑。另外，激烈的市場競爭導(dǎo)致更加嚴(yán)格的成本要求，設(shè)計(jì)者往往為了降低BOM 成本會忽視甚至去掉極限情況下IGBT 的保護(hù)功能。同時系統(tǒng)的一些報(bào)警功能可以提醒用戶較少持續(xù)惡劣工況下運(yùn)行，也可以做到降低系統(tǒng)的失效率。

因此，設(shè)計(jì)一種大功率，高可靠性，高集成的感應(yīng)加熱系統(tǒng)就很有必要。本文介紹了一款2.1 kW 感應(yīng)加熱評估板，來滿足客戶的各種需求，同時，自帶完善的保護(hù)功能，以及經(jīng)過優(yōu)化的PCB 設(shè)計(jì)可以給設(shè)計(jì)者提供參考。

圖1 IPD Protect 器件圖片和內(nèi)部功能框圖

1   自帶保護(hù)功能TRENCHSTOP? IPD Protect器件介紹

針對感應(yīng)加熱市場應(yīng)用，英飛凌推出了一款新穎F系列TRENCHSTOP? IPD (Integrated Power Device)，也稱作“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(dú)立自帶保護(hù)的驅(qū)動器，集成的體內(nèi)二極管可以實(shí)現(xiàn)軟換流^[1]。

器件封裝TO247-6 實(shí)現(xiàn)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(xiàn)過壓保護(hù) ^[3]；CS 引腳檢測流過IPDProtect 的電流實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)：INN 引腳實(shí)現(xiàn)過溫報(bào)警和保護(hù)；VCC 引腳實(shí)現(xiàn)欠壓保護(hù)。

2   感應(yīng)加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1   感應(yīng)加熱原理介紹

1831 年8 月，英國物理學(xué)家法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，電磁感應(yīng)加熱的原理就是感應(yīng)加熱電源產(chǎn)生的交變電流通過感應(yīng)器（即線圈）產(chǎn)生交變磁場，導(dǎo)磁性物體置于其中切割交變磁力線，從而在物體內(nèi)部產(chǎn)生交變的電流（即渦流），渦流使物體內(nèi)部的原子高速無規(guī)則運(yùn)動，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(zhuǎn)化為磁能，使被加熱鋼體感應(yīng)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熱傳導(dǎo)方式加熱的效率低下問題。

2.2 系統(tǒng)整體介紹

感應(yīng)加熱應(yīng)用一般采用單端并聯(lián)諧振拓?fù)?singleended parallel-resonant-SEPR)，這種拓?fù)浼軜?gòu)相對簡單，可實(shí)現(xiàn)高效的能量轉(zhuǎn)換，同時可降低EMI。然而這種電

路拓?fù)湟灿幸恍┤毕?，如工作在諧振狀態(tài)下，輸入電壓經(jīng)過諧振后放大，電壓應(yīng)力加在IGBT 上，不可控的高壓很容易造成IGBT 的過壓失效。同時，諧振模式下的電流尖峰，也非常容易引起IGBT 的過流損壞。

系統(tǒng)整體框圖如圖2 所示，220 V 交流電壓經(jīng)濾波整流后，通過諧振電容，大線盤，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(jī)。單片機(jī)通過檢測輸入電壓，諧振電壓和輸出電壓進(jìn)行閉環(huán)控制，同時也檢測保護(hù)信號。按鍵和LED 顯示等人機(jī)交互界面用來控制和監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。PCB 板實(shí)物照片如圖3。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)和測試結(jié)果

3.1 正常滿載工作狀態(tài)

設(shè)置系統(tǒng)輸出滿載功率2.1 kW 運(yùn)行時，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關(guān)狀態(tài)中，I_NN 上升沿到VCE 電壓上升延時時間為1.8 μs。

3.2   過壓保護(hù)電路

如圖5 所示，IPD Protect的V_CE 電壓通過分壓電阻后連接到V_DET 腳，與內(nèi)部設(shè)定的過壓觸發(fā)電壓門限比較，當(dāng)達(dá)到V_DET+1 時, 過壓保護(hù)功能觸發(fā)，V_CE 被鉗位到V_Clamp1，當(dāng)達(dá)到VDET+2 時,內(nèi)部閉環(huán)啟動，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,退出過壓保護(hù)模式。

其中，V_Clamp1 是設(shè)計(jì)期望的IPD Protect V_CE 鉗位電壓，VDET+1 是內(nèi)部的過壓觸發(fā)門限電壓。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   過流保護(hù)電路

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

IPD Protect 的過流保護(hù)點(diǎn)計(jì)算公式如下所示，經(jīng)過計(jì)算可得，IPD Protect 在系統(tǒng)中的I_CE 過流保護(hù)點(diǎn)為68 A。

3.4   過溫保護(hù)電路

IPD Protect 內(nèi)部自帶過溫保護(hù)功能，當(dāng)芯片內(nèi)部結(jié)溫達(dá)到結(jié)溫報(bào)警點(diǎn)TvjTW 時( 典型值75 ℃ )，I_NN PWM 電壓會從2.5 V 抬高到4 V，這樣單片機(jī)就可以檢測到這個抬高的報(bào)警信號，可以做一些降額處理。當(dāng)芯片結(jié)溫繼續(xù)上升，達(dá)到結(jié)溫保護(hù)關(guān)斷點(diǎn)TvjSD時( 典型值150 ℃ )，IPD Protect 的驅(qū)動就會被拉低，系統(tǒng)關(guān)機(jī)，當(dāng)溫度下降到75 ℃以下時，系統(tǒng)會自動重啟。

3.5   輸入電壓跌落試驗(yàn)

當(dāng)輸入電壓突變時，諧振電流突然增大可能導(dǎo)致功率器件失效。測試條件為，在滿載2.1 kW 工作時，輸入電壓從312 V 跌落到56 V，持續(xù)200 μs，查看系統(tǒng)是否異常。測試波形如圖7 所示，當(dāng)輸入電壓突然上升時，母線電壓過沖會導(dǎo)致功率器件IPD Protect 電壓VCE 和電流ICE 迅速上升，可能導(dǎo)致器件失效。由于IPD Protect 內(nèi)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(hù)IPD Protect 不損壞。

3.6   運(yùn)行時移鍋測試

系統(tǒng)運(yùn)行時，突然移動被加熱的鍋，會造成系統(tǒng)負(fù)載的突變，會對持續(xù)諧振工作狀態(tài)下系統(tǒng)的穩(wěn)定性和器件的應(yīng)力造成沖擊。實(shí)際測試中波形很穩(wěn)定平滑，也沒有出現(xiàn)IPD Protect 器件的電流電壓應(yīng)力問題。

3.7   PCB布板和整體設(shè)計(jì)建議

1)   外圍旁路電路靠近器件放置

由于IPD Protect 內(nèi)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?fù)湟恢惫ぷ髟谥C振模式，所以功率回路一定要盡量短，避免一些寄生參數(shù)造成工作不穩(wěn)定。工作在諧振模式下的電感，IPD Protect，諧振電容和母線電容，需要盡量靠近放置[2]。

3)   安規(guī)距離

由于系統(tǒng)存在高壓危險(xiǎn)電壓信號，同時又有一些人機(jī)交互的單片機(jī)數(shù)字電路，所以在布局的時候一定要考慮高壓電路的安規(guī)距離。

圖5 過壓保護(hù)電路和V_CE波形

4) 散熱設(shè)計(jì)

盡管IPD Protect 內(nèi)部集成了過溫報(bào)警和關(guān)閉功能，但是由于過溫保護(hù)點(diǎn)的精度和過溫保護(hù)的響應(yīng)時間問題，同時系統(tǒng)運(yùn)行時諧振狀態(tài)會引起大的結(jié)溫波動，所以系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時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(qiáng)制散熱，IPD Protect 器件與散熱器之間緊密的接觸等。

圖6 過流保護(hù)電路和I_CE波形

4   結(jié)語

本文針對感應(yīng)加熱產(chǎn)品的一些技術(shù)問題和客戶痛點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一款新穎的2.1 kW 感應(yīng)加熱系統(tǒng)，采用英飛凌高集成度的IPD Protect 功率器件，大大提高了系統(tǒng)的集成度和可靠性，同時也簡化了設(shè)計(jì)的難度，在小家電市場的應(yīng)用將具有很大的吸引力和前景。

參考文獻(xiàn)：

[1] 英飛凌.IEWS20R5135IPB數(shù)據(jù)手冊[Z].v2.3.2020.

[2] 英飛凌.UN2019-35_IEWS20R5135IPB評估板應(yīng)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.

作者簡介：施三保（1980—），男，高級主任工程師，碩士，從事功率半導(dǎo)體系統(tǒng)研發(fā)方案設(shè)計(jì)。郵箱：15769903@qq.com。

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志社2021年2月期）