基於IPD Protect的2.1kW電磁感應加熱設計

原標題：基於IPD Protect的2.1kW電磁感應加熱設計

　　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，減小系統尺寸，降低系統成本和提高可靠性是越來越多客戶的需求。本文針對電磁感應加熱市場痛點，設計了一款 2.1kW 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。電路拓撲採用單端並聯諧振電路，最大輸出功率 2.1kW，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電流等功能，其中 IPD protect 過壓和過流保護點可以根據系統要求來調節。同時，經過優化的 PCB 板設計，可以長期可靠的運行，並通過了嚴格的 EMC 測試。

　　因加熱時間快，無明火，功率大，電能熱能轉換效率高和系統成本低等優點，感應加熱已經在家電市場大規模普遍應用。但製造商和最終用戶仍然對感應加熱提出了越來越多的要求，如減小系統尺寸和重量，降低系統成本和降低失效率返修率等。用戶對快速加熱和大功率環境工作，對感應加熱功率器件 IGBT 造成很大的應力衝擊，造成相當比率的市場失效，導致製造商需要花費大的成本來做售後維護，同時也影響了製造商的品牌口碑。另外一方面，激烈的市場競爭導致用於對系統成本提出更加嚴格的要求，設計者往往為了降低 BOM 成本會忽視甚至去掉極限情況下的 IGBT 的保護功能。同時，用戶對友好的人機界面也提出了更高的要求，系統的一些報警功能可以提醒用戶較少持續惡劣工況下運行，也可以做到降低系統的失效率。

　　因此，設計一種大功率，高可靠性，高集成的感應加熱系統就很有必要。本文介紹了一款 2.1kW 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，以及經過優化的 PCB 設計可以給設計者提供參考。

　　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 1350V 20A 的 RC-H5 IGBT 和獨立自帶保護的驅動器，集成的體內二極體可以實現軟換流 1。

圖 1。 IPD Protect 器件圖片和內部功能框圖

　　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)。晶片引腳埠都集成了 ESD 保護二極體。

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

　　VCE 過壓保護：VCE 過壓保護點可以設置，並可以實現 VCE 主動鉗位控制(Active clamp control-ACC)，VDET 腳檢測電壓超過設定電壓後，進入內部閉環控制，驅動電壓降低，IPD Protect 的 VCE 電壓一直鉗位在預設的最大電壓3。

　　過流保護：CS 引腳檢測流過 IPD Protect 的電流，達到設計值時就會出發逐波限流保護。

　　過溫保護：正常工作時 INN 電壓為 2.5V 典型值，當 IPD Protect 結溫達到溫度報警點(典型值 75)時，INN 電壓上升到 4.5V 典型值；當 IPD Protect 結溫達到過溫保護關機點(典型值 150)時，INN 電壓降為 0V。

　　VCC 欠壓保護：當 VCC 電壓上升到典型值 13.5V 時，晶片開始正常工作，其中有 1V 回差，即當電壓下降到典型值 12.5V 時，晶片欠壓保護啟動，停止動作。

　　綜上所述，這顆 IPD Protect 器件集成度高，自帶各種保護功能可以大大提高系統的可靠性，高集成度可以減少設計工程師的工作量，並可以減少元器件數量，縮小 PCB 面積，從而降低系統成本。

　　感應加熱系統設計1、感應加熱原理介紹

　　1831 年 8 月，英國物理學家法拉第發現了電磁感應現象，即交變的磁場在導體中會產生感應電流，從而導致導體發熱。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，導磁性物體置於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、單端並聯諧振電路拓撲介紹

　　感應加熱應用一般採用單端並聯諧振拓撲(single-ended parallel-resonant-SEPR)，如圖 2 所示，這種拓撲架構相對簡單，可以實現高效的能量轉換，同時，工作在諧振軟開關模式可以降低 EMC 噪音。

　　然而這種電路拓撲也有一些缺陷，如工作在諧振狀態下，輸入電壓經過諧振後放大，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，如果控制上不注意，或在某些極限工況運行時，也非常容易引起 IGBT 的過流損壞。

圖 2。 單端並聯協整拓撲

　　因此，系統設計的時候，需要特別注意 IGBT 的軟硬體保護策略。

　　3、系統整體介紹

圖 3。 系統整體功能框圖

　　系統整體框圖如圖 3 所示，220V 交流電壓經過濾波整流後，通過諧振電容，大線盤，IPD Protect 等進行高頻諧振。220V 交流電壓整流後通過反激電路分別輸出 18V 給 IPD Protect，輸出 5V 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控制，同時也檢測系統的一些保護信號。按鍵和 LED 顯示等人機互動界面用來控制和監測系統的運行狀態。

圖 4。 PCB 板圖片

　　設計的 PCB 板實物照片如圖 4 所示，功率器件整流橋二極體和 IPD Protect 緊靠散熱器，風扇對散熱器強制風冷散熱，諧振電感和電容等功率迴路在 PCB 板中間，輔助電源板板給單片機和風扇供電，經過加強絕緣隔離的控制電路和人機互動電路部分在 PCB 背面。

　　系統設計和測試結果1、正常滿載工作狀態

　　設置系統輸出滿載功率 2.1kW 運行時，測試 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關狀態中，INN 上升沿到 VCE 電壓上升延時時間為 1.8μs。

圖 5。 系統滿載 2.1kW 運行時的波形圖

　　2、過壓保護電路

　　如圖 6 所示，IPD Protect 的 VCE 電壓通過分壓電阻後連接到 VDET 腳，與內部設定的過壓觸發電壓門限比較，當達到 VDET+1 時，過壓保護功能觸發，VCE 被鉗位到 VClamp1，當達到 VDET+2 時，內部閉環啟動，VCE 被恆定鉗位在 VClamp2，如果故障排除後，VCE 下降到 VRST 時，退出過壓保護模式。

　　其中，VClamp1 是設計期望的 IPD Protect VCE 鉗位電壓，VDET+1 是內部的過壓觸發門限電壓。

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

圖 6。 過壓保護電路和 VCE 波形

　　3、過流保護電路

　　如圖 7 所示，流過 IPD Protect 內部 IGBT 發射極的電流經過採樣電阻 R8 後，通過電阻 R27 和 RCS 分壓後，連接到 IPD Protect 的 CS 腳，與內部的基準電壓 VCETH- 進行比較，如果大於 VCETH-，過流保護功能將被觸發。

圖 7。 過流保護電路和 ICE 波形

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

　　4、過溫保護電路

　　IPD Protect 內部自帶過溫保護功能，當晶片內部結溫達到結溫報警點 TvjTW 時(典型值 75)，INN PWM 電壓會被抬高，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。

　　當晶片結溫繼續上升，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，系統關機，當溫度下降到 75以下時，系統會自動重啟，如圖 8 所示。

圖 8。 過溫保護報警和關機波形

　　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 2.1kW 工作時，輸入電壓從 312V 跌落到 56V，持續 200μs，查看系統是否異常。測試波形如圖 9 所示(其中通道 1 為 ICE，通道 2 為 VCE，通道 3 為 INN)，當輸入電壓突然上升時，母線電壓過衝會導致功率器件 IPD Protect 電壓 VCE 和電流 ICE 迅速上升，可能導致器件失效。由於 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。

圖 9。 輸入電壓跌落試驗波形

　　6、運行時移鍋測試

　　系統運行時，突然移動被加熱的鍋，會造成系統負載的突變，會對系統的穩定性和器件的應力造成衝擊。測試波形如圖 10 所示，其中通道 1 為 INN，通道 2 為 VCE，通道 4 為 ICE， 可以看出系統波形很穩定平滑，也沒有出現 IPD Protect 器件的電流電壓應力問題。

圖 10。 系統運行時移鍋測試

　　7、PCB 布板和整體設計建議

　　外圍旁路電路靠近器件放置

　　由於 IPD Protect 內部集成了很多模擬和功率功率電路，晶片對於引腳採集的信號十分敏感，為了保證晶片功能不被幹擾，晶片外圍的電路需要儘量靠近晶片放置。如晶片+18V 供電電壓的旁路電容需要靠近 VCC 腳，VCE 電壓採樣電路的濾波電容需要靠近 VDET 腳，ICE 電流採樣的 RC 濾波電路需要靠近 CS 腳等。

　　LC 濾波迴路和諧振迴路儘量短

　　單端並聯諧振電路拓撲一直工作在諧振模式，所以功率迴路一定要儘量短，避免一些寄生參數造成工作不穩定。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，需要儘量靠近放置 2。

圖 11。 PCB 功率迴路

　　安規距離

　　由於系統存在高壓危險電壓信號，同時又有一些人機互動的單片機數字電路，所以在布局的時候一定要考慮高壓電路的安規距離。

　　散熱設計

　　儘管 IPD Protect 內部集成了過溫報警和關閉功能，但是由於過溫保護點的精度和過溫保護的響應時間問題，同時系統運行時諧振狀態會引起大的結溫波動，所以系統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。

　　結束語

　　本文針對感應加熱產品的一些技術問題和客戶痛點，設計了一款新穎的 2.1kW 感應加熱系統，採用英飛凌高集成度的 IPD Protect 功率器件，大大提高了系統的集成度和可靠性，同時也簡化了設計的難度，在小家電市場的應用將具有很大的吸引力和前景。

（文章來源：與非網）

(責任編輯：DF537)