基于IPD Protect的2.1 kW電磁感應加熱設計

作者：施三保，陳銳（英飛凌科技（中國）有限公司，深圳 518000）時間：2021-02-23 來源：電子產品世界

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編者按：電磁感應加熱在小家電市場(如電飯煲，油炸鍋和牛奶泡沫器等)已經得到廣泛應用，減小系統(tǒng)尺寸，降低系統(tǒng)成本和提高可靠性是越來越多客戶的需求。本文設計了一款2.1 kW電磁感應加熱平臺。搭載了英飛凌自帶保護IPD Protect，XMC單片機和CoolSET PWM控制器輔助電源。電路拓撲采用單端并聯諧振電路，最大輸出功率2.1 kW，實現了IPD Protect的快速過流保護，過壓保護，過溫報警和保護，輸入電壓欠壓保護和低靜態(tài)電流等功能，其中IPD protect過壓和過流保護點可以根據系統(tǒng)要求來調節(jié)。同時，

本文引用地址：http://www.butianyuan.cn/article/202102/422893.htm

0 引言

因加熱時間快，無明火，功率大，電能熱能轉換效率高和系統(tǒng)成本低等優(yōu)點，感應加熱已經在家電市場大規(guī)模普遍應用。但制造商和最終用戶仍然對感應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失效，制造商需要花費大的成本來做售后維護，同時也影響了品牌口碑。另外，激烈的市場競爭導致更加嚴格的成本要求，設計者往往為了降低BOM 成本會忽視甚至去掉極限情況下IGBT 的保護功能。同時系統(tǒng)的一些報警功能可以提醒用戶較少持續(xù)惡劣工況下運行，也可以做到降低系統(tǒng)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(tǒng)就很有必要。本文介紹了一款2.1 kW 感應加熱評估板，來滿足客戶的各種需求，同時，自帶完善的保護功能，以及經過優(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

針對感應加熱市場應用，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 和獨立自帶保護的驅動器，集成的體內二極管可以實現軟換流^[1]。

器件封裝TO247-6 實現集電極和發(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 實現過壓保護 ^[3]；CS 引腳檢測流過IPDProtect 的電流實現過流保護：INN 引腳實現過溫報警和保護；VCC 引腳實現欠壓保護。

2 感應加熱系統(tǒng)設計

2.1 感應加熱原理介紹

1831 年8 月，英國物理學家法拉第發(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生的交變電流通過感應器（即線圈）產生交變磁場，導磁性物體置于其中切割交變磁力線，從而在物體內部產生交變的電流（即渦流），渦流使物體內部的原子高速無規(guī)則運動，原子互相碰撞、摩擦而產生熱能，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熱傳導方式加熱的效率低下問題。

2.2 系統(tǒng)整體介紹

感應加熱應用一般采用單端并聯諧振拓撲(singleended parallel-resonant-SEPR)，這種拓撲架構相對簡單，可實現高效的能量轉換，同時可降低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，輸入電壓經過諧振后放大，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 交流電壓經濾波整流后，通過諧振電容，大線盤，IPD Protect 等進行高頻諧振。輔助電源輸出18 V 給IPD Protect，5 V給單片機。單片機通過檢測輸入電壓，諧振電壓和輸出電壓進行閉環(huán)控制，同時也檢測保護信號。按鍵和LED 顯示等人機交互界面用來控制和監(jiān)測系統(tǒng)的運行狀態(tài)。PCB 板實物照片如圖3。

3 系統(tǒng)設計和測試結果

3.1 正常滿載工作狀態(tài)

設置系統(tǒng)輸出滿載功率2.1 kW 運行時，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?？梢钥闯觯β势骷恢惫ぷ髟谲涢_關狀態(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，與內部設定的過壓觸發(fā)電壓門限比較，當達到V_DET+1 時, 過壓保護功能觸發(fā)，V_CE 被鉗位到V_Clamp1，當達到VDET+2 時,內部閉環(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 過流保護電路

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

IPD Protect 的過流保護點計算公式如下所示，經過計算可得，IPD Protect 在系統(tǒng)中的I_CE 過流保護點為68 A。

3.4 過溫保護電路

IPD Protect 內部自帶過溫保護功能，當芯片內部結溫達到結溫報警點TvjTW 時( 典型值75 ℃ )，I_NN PWM 電壓會從2.5 V 抬高到4 V，這樣單片機就可以檢測到這個抬高的報警信號，可以做一些降額處理。當芯片結溫繼續(xù)上升，達到結溫保護關斷點TvjSD時( 典型值150 ℃ )，IPD Protect 的驅動就會被拉低，系統(tǒng)關機，當溫度下降到75 ℃以下時，系統(tǒng)會自動重啟。

3.5 輸入電壓跌落試驗

當輸入電壓突變時，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，當輸入電壓突然上升時，母線電壓過沖會導致功率器件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 運行時移鍋測試

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

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(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)存在高壓危險電壓信號，同時又有一些人機交互的單片機數字電路，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 過壓保護電路和V_CE波形

4) 散熱設計

盡管IPD Protect 內部集成了過溫報警和關閉功能，但是由于過溫保護點的精度和過溫保護的響應時間問題，同時系統(tǒng)運行時諧振狀態(tài)會引起大的結溫波動，所以系統(tǒng)設計的時候還是需要良好的散熱，比如使用足夠風量的風扇進行強制散熱，IPD Protect 器件與散熱器之間緊密的接觸等。