Die Gestaltung von induktiven Heizelementen in Küchengeräten kann einfach sein. IGBT-Lösungen mit integrierten Treibern sorgen für hohe Effizienz und geringe Kosten und Abmessungen. Umfangreiche Schutzmechanismen und umfangreiche Betriebsdaten sorgen für einen zuverlässigen Betrieb auch in der „heißesten“ Küche.

Kochen zu Hause ist wieder im Trend – Social Media inspiriert zu gesunden und interessanten Gerichten, und auch Umweltbelange spielen eine immer wichtigere Rolle. Smarte Küchengeräte mit neuester digital-elektronischer Technik bringen viele neue Funktionen und mehr Sicherheit, sind leichter zu reinigen und verbrauchen weniger Energie. Induktive Hitze ist ein wesentlicher Bestandteil der digitalen Technik in der Küche, beispielsweise für Kochfelder, Reiskocher, Fritteusen oder Milchaufschäumer. Im Vergleich zu herkömmlichen elektrischen Heizelementen profitieren die Geräte und Kunden von präziser und kontrollierter Erwärmung, schneller Rückmeldung mit geringerer Verbrennungsgefahr und hoher Energieeffizienz. Allein der Markt für induktive Kochfelder soll um rund sechs Prozent jährlich auf ein Marktvolumen von bis zu 13,5 Milliarden US-Dollar im Jahr 2022 wachsen [1].

Der Aufbau von Induktionsgeräten beginnt meist mit einem Transformator, wie er von vielen Produkten bekannt ist, bei denen eine Netzwechselspannung in eine niedrigere Spannung umgewandelt wird. Allerdings wird hier die Sekundärspule weggelassen und stattdessen ein Metall in die Nähe der Primärspule gebracht. Wenn die Primärspule erregt wird, entsteht durch das Metall auf der Sekundärseite ein Kurzschluss, der einen Wirbelstrom erzeugt. Hat das Metall einen definierten Widerstand, können die I2R-Verluste zum Heizen genutzt werden. Ist das Metall beispielsweise der Boden einer Pfanne oder die Oberseite eines Tischherdes, funktioniert das Prinzip eines Induktionsherdes (Abb. 1).

Allerdings verhält sich nicht jedes Metall gleich. Kupfer und Aluminium haben nur einen geringen Widerstand und erwärmen sich daher auch bei hoher Wechselspannungsfrequenz nicht so stark. Außerdem gibt es bei diesen Metallen einen Skin-Effekt, was bedeutet, dass der Strom an der Oberfläche und nicht im Metallkörper fließt. Dies begrenzt die elektrische Leitfähigkeit, den Widerstand und damit die Heizwirkung.

Für die induktive Erwärmung muss das Metall, beispielsweise Eisen oder Stahl, eine magnetische Permeabilität aufweisen, bei der die ferromagnetische Kristallstruktur aus mikroskopisch kleinen magnetischen Bereichen besteht. Diese Bereiche werden durch das angelegte Magnetfeld der Primärspule in wechselnde Orientierungen gezwungen. Beim Rotieren der Magnetflächen entsteht eine Art Reibung, die wiederum Wärme erzeugt. Dieser Vorgang wird als Joulesche Wärme bezeichnet und sorgt in diesem Fall für den Temperaturanstieg beim induktiven Kochen.

Grundlage ist daher das Elektrizitäts-Wärme-Gesetz, das besagt, dass ein elektrischer Strom in einem elektrischen Leiter durch kontinuierliche Umwandlung von elektrischer Energie, die dem Leiter entnommen wird, thermische Energie erzeugt.

Standard-Netzspannung von 50 oder 60 Hz kann geliefert werden. Das würde aber zu sehr großen Produktabmessungen und einem sehr kleinen Skineffekt führen. Daher werden höhere Frequenzen im Bereich von 25 bis 75 kHz verwendet, was sehr kompakte Abmessungen ermöglicht. In diesem Fall hat die Primärseite des Transformators (Induktionsspule) weniger Windungen bei einer höheren Frequenz. Dies bedeutet zwar geringere Widerstandsverluste, hat aber auch noch einen Skin-Effekt. Eine typische Spule verwendet Wicklungen mit Litzendraht, also sehr dünnen, parallelen und isolierten Drähten – jeweils mit einem kleineren Durchmesser als die Tiefe des Skin-Effekts, um die entsprechenden Verluste zu reduzieren.

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

Die Komponente Q1 ist ein IGBT, der von einem Controller mit variabler Frequenz geschaltet wird, beispielsweise mit nur 20 kHz bei Volllast. Leq ist die Induktionsspule. Im eingeschwungenen Zustand schaltet der IGBT Q1 mit Null Volt an seinem Kollektor und Strom fließt durch die gleichgerichteten Leitungen durch Leq. Der Strom steigt linear an. Bei einer bestimmten Stromstärke schaltet Q1 ab und der Strom zirkuliert durch Cres - wobei die Kollektorspannung zunächst ihren Spitzenwert erreicht und dann auf die Resonanzfrequenz von Leq und Cres abfällt: die erforderliche Wechselspannung für die Induktionsspule. Wenn die Spannung unter Null fällt, leitet D1 und Strom fließt durch Cf. An diesem Punkt wird der IGBT Q1 wieder geschaltet und der Zyklus wiederholt sich.

Die Leistungsregelung erfolgt über die Einstellung des Abschaltstroms für den IGBT Ipk. Dies definiert die verfügbare Energie in Leq (0,5 LeqIpk2). Die Schaltung ist effizient mit Nullspannungsschaltung beim Einschalten, aber der IGBT hat eine Spannung bis zum Doppelten der Spitzenspannung der Leitungen. Auch die Abschaltverluste sind gering, da die Oszillatorspannung langsam ansteigt, begrenzt durch den Resonanzkondensator. Hier ist kein Bulk- oder Reservoirkondensator erforderlich, da Cf sehr klein ist. Das bedeutet letztlich einen guten Leistungsfaktor. Es müssen keine Korrekturen vorgenommen werden, um die EMV-Standards zu erfüllen. Es sollte jedoch ein HF-Netzfilter verwendet werden, damit die gesetzlichen Störgrenzen eingehalten werden.

Die beschriebene Schaltung ist relativ einfach, hat aber einige Einschränkungen: Die Spannungsbelastung für Q1 ist hoch. Es gibt keinen Bulk-Kondensator, um Spannungsstöße auf den Leitungen zu mildern, um Stress zu reduzieren. Transienten beim Einschalten oder beispielsweise beim einfachen Herausnehmen des Topfes vom Induktionsherd können zu Stromspitzen führen oder dazu führen, dass ein Abschalten der Stromversorgung (ZVS) nicht mehr möglich ist. Der Q1 IGBT könnte zerstört werden. Der IGBT muss daher für die jeweilige Anwendung genau spezifiziert und mit Schutzmechanismen ausgestattet werden.

Die Spannungsklasse sollte für den IGBT bei induktiver Erwärmung hoch sein, mindestens 1200 V, um ein Einschwingen bei hohen Resonanzspitzen sowie Transienten bei hohen Wechselspannungen zu ermöglichen. Die Angabe für den Strom sollte einen entsprechenden Spielraum haben, um auch Einschwingbedingungen abfedern zu können. Außerdem sollte die Sättigungsspannung VCE (ON) möglichst niedrig sein, um Leitungsverluste zu minimieren. Durch den langsamen dV/dt-Anstieg der Kollektorspannung sind die Abschaltverluste gering. Idealerweise sollten Strom, Spannung und Temperatur des IGBT überwacht und unter transienten Bedingungen begrenzt werden. Ein Beispiel für einen solchen IGBT unter den genannten Anforderungen ist der RC-H5 IGBT der Trenchstop F-Serie von Infineon (Bild 3).

Es zeigt, wie ein IGBT für optimale Leistung in induktiven Anwendungen konstruiert werden kann. Der beispielhafte IGBT ist mit 1350 V und 20 A spezifiziert, speziell ausgelegt für SEPR-Anwendungen und induktive Erwärmung bis 2,2 kW Leistung. Bei diesen Anwendungen ist es wichtig, dass das Bauteil sehr geringe Schaltverluste aufweist und eine Paralleldiode für den erforderlichen Abfall der Flussspannung integriert ist. Darüber hinaus benötigt der IGBT zahlreiche Schutzfunktionen, wie beispielsweise eine Strombegrenzung für jeden Schaltzyklus, die auch die maximale LC-Resonanzenergie und die Spitzenspannung begrenzt. Dieser Status wird mit drei Schwellwerten über die VDET-Verbindung überwacht. Dazu wird eine skalierbare Nachbildung der Kollektor-Emitter-Spannung über einen Spannungsteiler bestehend aus zwei Widerständen verwendet.

Der IGBT wird zunächst für 5 µs eingeschaltet, um Überspannungen zu begrenzen. Nach dieser Zeit schaltet der IGBT ab, solange die Energie in der Spule noch vorhanden ist. Die Spannung steigt daher bis zum nächsten Schwellwert weiter an. An diesem Punkt schaltet sich der IGBT wieder ein und bleibt in diesem Zustand, bis VDET unter den ersten Schwellenwert fällt. Bei diesem zweistufigen Verfahren ist die Verlustleistung deutlich geringer als bei einer kontinuierlichen Klemmung mit transienten Überspannungen. Der dritte und niedrigste Schwellenwert hat den gegenteiligen Effekt, indem er verhindert, dass sich der IGBT normal einschaltet, wenn die Spannung zu hoch ist. Die erforderlichen Widerstandswerte für den Spannungsteiler können wie in Bild 4 dargestellt ermittelt werden. Auch ein Sperrkondensator sollte in Betracht gezogen werden, da für einen zuverlässigen Betrieb eine stabile Spannung erforderlich ist.

Der Gate-Treiberstrom wird in zwei Schritten eingeschaltet. Zuerst wird ein niedrigerer Wert erreicht, um dV / dt und dI / dt zu reduzieren. Dies reduziert die Spitze des Kollektorstroms aufgrund der Ladung auf dem Resonanzkondensator. Anschließend wird ein höherer Gate-Strom eingestellt, um eine volle IGBT-Sättigung bei geringsten Leitungsverlusten zu gewährleisten.

Auch die Temperatur wird überwacht. Über den multifunktionalen INN-Anschluss wird ein Warnsignal ausgegeben, wenn die Temperatur des Moduls 75° Celsius überschreitet. Bei über 150° Celsius wird es abgeschaltet. Im aktiven Betrieb ist der INN-Pin niedrig, um den IGBT zu treiben. Im ausgeschalteten Zustand wird die externe Schaltung hochohmig und die IGBT-Signale steuern dann den Pin mit unterschiedlichen Spannungspegeln. Normalbetrieb oder Übertemperatur werden angezeigt (Abbildung 5).

Die Entwicklung digital-elektronischer Küchengeräte hängt insbesondere von den richtigen IGBTs ab. Komponenten mit integrierten Treibern und den passenden Schutzfunktionen sorgen nicht nur für ein unkompliziertes Design auf kleinem Raum, sondern auch für Genuss und Sicherheit beim induktiven Kochen und Erhitzen. ÄH

Literatur [1] Verma, Preksha: Markt für Haushalts-Induktionskochfelder - Globale Chancenanalyse und Branchenprognose 2014-2022, Allied Market Research, 2017, https://www.alliedmarketresearch.com/household-induction-cooktops-market

Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG

EBV Elektronik GmbH & Co. KG

© 2021 WEKA FACHMEDIEN GmbH. Alle Rechte vorbehalten.