基于IPD Protect的2.1 kW电磁感应加热设计-icspec

基于IPD Protect的2.1 kW电磁感应加热设计

来源:电子产品世界发布时间:2021-02-23

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

0 引言

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及返修率等。由于在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，引起相当比率的市场失效，制造商需要花费大的成本来做售后维护，同时也影响了品牌口碑。另外，激烈的市场竞争导致更加严格的成本要求，设计者往往为了降低BOM 成本会忽视甚至去掉极限情况下IGBT 的保护功能。同时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2.1 kW 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。

图1 IPD Protect 器件图片和内部功能框图

1 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1350 V 20 A 的RCH5IGBT 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]

。

器件封装TO247-6 实现集电极和发射极飞行距离3 mm，爬电距离5.7 mm 和7.5 mm

[4]

。VDET 引脚检测电压VCEshi 实现过压保护

[3]

；CS 引脚检测流过IPDProtect 的电流实现过流保护：INN 引脚实现过温报警和保护；VCC 引脚实现欠压保护。

2 感应加热系统设计

2.1 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，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。

2.2 系统整体介绍

感应加热应用一般采用单端并联谐振拓扑(singleended parallel-resonant-SEPR)，这种拓扑架构相对简单，可实现高效的能量转换，同时可降低EMI。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，也非常容易引起IGBT 的过流损坏。

系统整体框图如图2 所示，220 V 交流电压经滤波整流后，通过谐振电容，大线盘，IPD Protect 等进行高频谐振。辅助电源输出18 V 给IPD Protect，5 V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。PCB 板实物照片如图3。

3 系统设计和测试结果

3.1 正常满载工作状态

设置系统输出满载功率2.1 kW 运行时，测试IPD Protect 器件的波形如图4 所示，V

尖峰电压1 036 V，ICE 尖峰电流50 A，I

高低电平分别为2.5 V 和0 V。可以看出，功率器件一直工作在软开关状态中，I

上升沿到VCE 电压上升延时时间为1.8 μs。

3.2 过压保护电路

如图5 所示，IPD Protect的V

电压通过分压电阻后连接到V

DET

脚，与内部设定的过压触发电压门限比较，当达到V

DET+1

时, 过压保护功能触发，V

被钳位到V

Clamp1

，当达到VDET+2 时,内部闭环启动，V

被恒定钳位在V

Clamp2

, 如果故障排除后，V

下降到V

RST

时,退出过压保护模式。

其中，V

Clamp1

是设计期望的IPD Protect V

钳位电压，VDET+1 是内部的过压触发门限电压。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 过流保护电路

如图6 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V

CETH-

进行比较，如果大于V

CETH-

，过流保护功能将被触发。

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I

过流保护点为68 A。

3.4 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 ℃ )，I

PWM 电压会从2.5 V 抬高到4 V，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。

3.5 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2.1 kW 工作时，输入电压从312 V 跌落到56 V，持续200 μs，查看系统是否异常。测试波形如图7 所示，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。