作者簡(jiǎn)介：施三保，高級(jí)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)。

電磁感應(yīng)加熱在小家電市場(chǎng)（如電飯煲，油炸鍋和牛奶泡沫器等）已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，減小系統(tǒng)尺寸，降低系統(tǒng)成本和提高可靠性是越來(lái)越多客戶的需求。本文針對(duì)電磁感應(yīng)加熱市場(chǎng)痛點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一款2.1kW電磁感應(yīng)加熱平臺(tái)。搭載了英飛凌自帶保護(hù)IPD Protect，XMC單片機(jī)和CoolSET PWM控制器輔助電源。電路拓?fù)洳捎脝味瞬⒙?lián)諧振電路，最大輸出功率2.1kW，實(shí)現(xiàn)了IPD Protect的快速過(guò)流保護(hù)，過(guò)壓保護(hù)，過(guò)溫報(bào)警和保護(hù)，輸入電壓欠壓保護(hù)和低靜態(tài)電流等功能，其中IPD protect過(guò)壓和過(guò)流保護(hù)點(diǎn)可以根據(jù)系統(tǒng)要求來(lái)調(diào)節(jié)。同時(shí)，經(jīng)過(guò)優(yōu)化的PCB板設(shè)計(jì)，可以長(zhǎng)期可靠的運(yùn)行，并通過(guò)了嚴(yán)格的EMC測(cè)試。

引 言

因加熱時(shí)間快，無(wú)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(chǎng)大規(guī)模普遍應(yīng)用。但制造商和最終用戶仍然對(duì)感應(yīng)加熱提出了越來(lái)越多的要求，如減小系統(tǒng)尺寸和重量，降低系統(tǒng)成本和降低失效率返修率等。用戶對(duì)快速加熱和大功率環(huán)境工作，對(duì)感應(yīng)加熱功率器件IGBT造成很大的應(yīng)力沖擊，造成相當(dāng)比率的市場(chǎng)失效，導(dǎo)致制造商需要花費(fèi)大的成本來(lái)做售后維護(hù)，同時(shí)也影響了制造商的品牌口碑。另外一方面，激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致用于對(duì)系統(tǒng)成本提出更加嚴(yán)格的要求，設(shè)計(jì)者往往為了降低BOM成本會(huì)忽視甚至去掉極限情況下的IGBT的保護(hù)功能。同時(shí)，用戶對(duì)友好的人機(jī)界面也提出了更高的要求，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2.1kW感應(yīng)加熱評(píng)估板，來(lái)滿足客戶的各種需求，同時(shí)，自帶完善的保護(hù)功能，以及經(jīng)過(guò)優(yōu)化的PCB設(shè)計(jì)可以給設(shè)計(jì)者提供參考。

自帶保護(hù)功能TRENCHSTOP™ IPD Protect器件介紹

針對(duì)感應(yīng)加熱市場(chǎng)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1350V 20A的RC-H5 IGBT和獨(dú)立自帶保護(hù)的驅(qū)動(dòng)器，集成的體內(nèi)二極管可以實(shí)現(xiàn)軟換流1。

圖1. IPD Protect器件圖片和內(nèi)部功能框圖

器件的Pin腳定義分別為：1-C(Collector),2-E/COM（Emitter/Ground),3-VCC(Supply),4-CS(Current Sense),5-INN(PWM Input),6-VDET(Voltage Sense)。芯片引腳端口都集成了ESD保護(hù)二極管。

器件安規(guī)距離：封裝TO247-6實(shí)現(xiàn)集電極(Collector)和發(fā)射極(Emitter)飛行距離3mm，引腳之間的爬電距離5.7mm，背面散熱基板到發(fā)射極爬電距離為7.5mm4。 

VCE過(guò)壓保護(hù)：VCE過(guò)壓保護(hù)點(diǎn)可以設(shè)置，并可以實(shí)現(xiàn)VCE主動(dòng)鉗位控制(Active clamp control-ACC)，VDET腳檢測(cè)電壓超過(guò)設(shè)定電壓后，進(jìn)入內(nèi)部閉環(huán)控制，驅(qū)動(dòng)電壓降低，IPD Protect的VCE電壓一直鉗位在預(yù)設(shè)的最大電壓3。

過(guò)流保護(hù)：CS引腳檢測(cè)流過(guò)IPD Protect的電流，達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí)就會(huì)出發(fā)逐波限流保護(hù)。

過(guò)溫保護(hù)：正常工作時(shí)INN電壓為2.5V典型值，當(dāng)IPD Protect結(jié)溫達(dá)到溫度報(bào)警點(diǎn)（典型值75℃）時(shí)，INN電壓上升到4.5V典型值；當(dāng)IPD Protect結(jié)溫達(dá)到過(guò)溫保護(hù)關(guān)機(jī)點(diǎn)（典型值150℃）時(shí)，INN電壓降為0V。

VCC欠壓保護(hù)：當(dāng)VCC電壓上升到典型值13.5V時(shí)，芯片開(kāi)始正常工作，其中有1V回差，即當(dāng)電壓下降到典型值12.5V時(shí)，芯片欠壓保護(hù)啟動(dòng)，停止動(dòng)作。

綜上所述，這顆IPD Protect器件集成度高，自帶各種保護(hù)功能可以大大提高系統(tǒng)的可靠性，高集成度可以減少設(shè)計(jì)工程師的工作量，并可以減少元器件數(shù)量，縮小PCB面積，從而降低系統(tǒng)成本。

感應(yīng)加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1. 感應(yīng)加熱原理介紹

1831年8月，英國(guó)物理學(xué)家法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，即交變的磁場(chǎng)在導(dǎo)體中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而導(dǎo)致導(dǎo)體發(fā)熱。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(guò)感應(yīng)器（即線圈）產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，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(wú)規(guī)則運(yùn)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(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(guò)熱傳導(dǎo)方式加熱的效率低下問(wèn)題。

2. 單端并聯(lián)諧振電路拓?fù)浣榻B

感應(yīng)加熱應(yīng)用一般采用單端并聯(lián)諧振拓?fù)?single-ended parallel-resonant-SEPR)，如圖2所示，這種拓?fù)浼軜?gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)高效的能量轉(zhuǎn)換，同時(shí)，工作在諧振軟開(kāi)關(guān)模式可以降低EMC噪音。

然而這種電路拓?fù)湟灿幸恍┤毕荩绻ぷ髟谥C振狀態(tài)下，輸入電壓經(jīng)過(guò)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(guò)壓失效。同時(shí)，諧振模式下的電流尖峰，如果控制上不注意，或在某些極限工況運(yùn)行時(shí)，也非常容易引起IGBT的過(guò)流損壞。

圖2. 單端并聯(lián)協(xié)整拓?fù)?/p>

因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)候，需要特別注意IGBT的軟硬件保護(hù)策略。

3. 系統(tǒng)整體介紹

圖3. 系統(tǒng)整體功能框圖

系統(tǒng)整體框圖如圖3所示，220V交流電壓經(jīng)過(guò)濾波整流后，通過(guò)諧振電容，大線盤(pán)，IPD Protect等進(jìn)行高頻諧振。220V交流電壓整流后通過(guò)反激電路分別輸出18V給IPD Protect，輸出5V給單片機(jī)。單片機(jī)通過(guò)檢測(cè)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(cè)系統(tǒng)的一些保護(hù)信號(hào)。按鍵和LED顯示等人機(jī)交互界面用來(lái)控制和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

圖4. PCB板圖片

設(shè)計(jì)的PCB板實(shí)物照片如圖4所示，功率器件整流橋二極管和IPD Protect緊靠散熱器，風(fēng)扇對(duì)散熱器強(qiáng)制風(fēng)冷散熱，諧振電感和電容等功率回路在PCB板中間，輔助電源板板給單片機(jī)和風(fēng)扇供電，經(jīng)過(guò)加強(qiáng)絕緣隔離的控制電路和人機(jī)交互電路部分在PCB背面。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)和測(cè)試結(jié)果

1. 正常滿載工作狀態(tài)

設(shè)置系統(tǒng)輸出滿載功率2.1kW運(yùn)行時(shí)，測(cè)試IPD Protect器件的波形如圖5所示，VCE尖峰電壓1036V，ICE尖峰電流50A，INN高低電平分別為2.5V和0V。可以看出，功率器件一直工作在軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)中，INN上升沿到VCE電壓上升延時(shí)時(shí)間為1.8µs。

圖5. 系統(tǒng)滿載2.1kW運(yùn)行時(shí)的波形圖

2. 過(guò)壓保護(hù)電路

如圖6所示，IPD Protect的VCE電壓通過(guò)分壓電阻后連接到VDET腳，與內(nèi)部設(shè)定的過(guò)壓觸發(fā)電壓門(mén)限比較，當(dāng)達(dá)到VDET+1時(shí),過(guò)壓保護(hù)功能觸發(fā)，VCE被鉗位到VClamp1，當(dāng)達(dá)到VDET+2時(shí),內(nèi)部閉環(huán)啟動(dòng)，VCE被恒定鉗位在VClamp2,如果故障排除后，VCE下降到VRST時(shí),退出過(guò)壓保護(hù)模式。

其中，VClamp1是設(shè)計(jì)期望的IPD Protect VCE鉗位電壓，VDET+1是內(nèi)部的過(guò)壓觸發(fā)門(mén)限電壓。

VDET+2=4.36V和VRST-=1.37V代入，可得VClamp2=673.1V, VRST=211.5V

圖6. 過(guò)壓保護(hù)電路和VCE波形

3. 過(guò)流保護(hù)電路

如圖7所示，流過(guò)IPD Protect內(nèi)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(nèi)部的基準(zhǔn)電壓VCETH-進(jìn)行比較，如果大于VCETH-，過(guò)流保護(hù)功能將被觸發(fā)。

圖7. 過(guò)流保護(hù)電路和ICE波形

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

4. 過(guò)溫保護(hù)電路

IPD Protect內(nèi)部自帶過(guò)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(shí)(典型值75℃)，INN PWM電壓會(huì)被抬高，這樣單片機(jī)就可以檢測(cè)到這個(gè)抬高的報(bào)警信號(hào)，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(shí)(典型值150℃)，IPD Protect的驅(qū)動(dòng)就會(huì)被拉低，系統(tǒng)關(guān)機(jī)，當(dāng)溫度下降到75℃以下時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)重啟，如圖8所示。

圖8. 過(guò)溫保護(hù)報(bào)警和關(guān)機(jī)波形

5. 輸入電壓跌落試驗(yàn)

當(dāng)輸入電壓突變時(shí)，諧振電流突然增大可能導(dǎo)致功率器件失效。測(cè)試條件為，在滿載2.1kW工作時(shí)，輸入電壓從312V跌落到56V，持續(xù)200µs，查看系統(tǒng)是否異常。測(cè)試波形如圖9所示（其中通道1為ICE，通道2為VCE，通道3為INN），當(dāng)輸入電壓突然上升時(shí)，母線電壓過(guò)沖會(huì)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。

圖9.輸入電壓跌落試驗(yàn)波形

6. 運(yùn)行時(shí)移鍋測(cè)試

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，突然移動(dòng)被加熱的鍋，會(huì)造成系統(tǒng)負(fù)載的突變，會(huì)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和器件的應(yīng)力造成沖擊。測(cè)試波形如圖10所示，其中通道1為INN，通道2為VCE，通道4為ICE, 可以看出系統(tǒng)波形很穩(wěn)定平滑，也沒(méi)有出現(xiàn)IPD Protect器件的電流電壓應(yīng)力問(wèn)題。

圖10. 系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)移鍋測(cè)試

7. PCB布板和整體設(shè)計(jì)建議

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功率電路，芯片對(duì)于引腳采集的信號(hào)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+18V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。

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。如圖11所示，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。

圖11. PCB功率回路

安規(guī)距離

由于系統(tǒng)存在高壓危險(xiǎn)電壓信號(hào)，同時(shí)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(shí)候一定要考慮高壓電路的安規(guī)距離。

散熱設(shè)計(jì)

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

結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)感應(yīng)加熱產(chǎn)品的一些技術(shù)問(wèn)題和客戶痛點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一款新穎的2.1kW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(shí)也簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)的難度，在小家電市場(chǎng)的應(yīng)用將具有很大的吸引力和前景。

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