基于IPD Protect的2.1 kW电磁感应加热设计

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_CE 尖峰电压1 036 V，ICE 尖峰电流50 A，I_NN 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_NN 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_CE 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_CE 被钳位到V_Clamp1，当达到VDET+2 时,内部闭环启动，V_E 被恒定钳位在V_Clamp2, 如果故障排除后，V_CE 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_CE 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_CE 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_NN 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。

3.6   运行时移锅测试

系统运行时，突然移动被加热的锅，会造成系统负载的突变，会对持续谐振工作状态下系统的稳定性和器件的应力造成冲击。实际测试中波形很稳定平滑，也没有出现IPD Protect 器件的电流电压应力问题。

3.7   PCB布板和整体设计建议

1)   外围旁路电路靠近器件放置

由于IPD Protect 内部集成了很多模拟和功率电路，芯片对于引脚采集的信号十分敏感，为了保证芯片功能不被干扰，芯片外围的电路需要尽量靠近芯片放置。

如芯片+18 V 供电电压的旁路电容需要靠近VCC 脚，VCE 电压采样电路的滤波电容需要靠近VDET 脚，ICE 电流采样的RC 滤波电路需要靠近CS 脚等。

2)   LC 滤波回路和谐振回路尽量短单端并联谐振电路拓扑一直工作在谐振模式，所以功率回路一定要尽量短，避免一些寄生参数造成工作不稳定。工作在谐振模式下的电感，IPD Protect，谐振电容和母线电容，需要尽量靠近放置[2]。

3)   安规距离

由于系统存在高压危险电压信号，同时又有一些人机交互的单片机数字电路，所以在布局的时候一定要考虑高压电路的安规距离。

图5 过压保护电路和V_CE波形

4) 散热设计

尽管IPD Protect 内部集成了过温报警和关闭功能，但是由于过温保护点的精度和过温保护的响应时间问题，同时系统运行时谐振状态会引起大的结温波动，所以系统设计的时候还是需要良好的散热，比如使用足够风量的风扇进行强制散热，IPD Protect 器件与散热器之间紧密的接触等。

图6 过流保护电路和I_CE波形

4   结语

本文针对感应加热产品的一些技术问题和客户痛点，设计了一款新颖的2.1 kW 感应加热系统，采用英飞凌高集成度的IPD Protect 功率器件，大大提高了系统的集成度和可靠性，同时也简化了设计的难度，在小家电市场的应用将具有很大的吸引力和前景。

参考文献：

[1] 英飞凌.IEWS20R5135IPB数据手册[Z].v2.3.2020.

[2] 英飞凌.UN2019-35_IEWS20R5135IPB评估板应用手册[Z].v01.2020.

[3] 英飞凌.Trenchstop feature IGBT Protected series for induction heating[Z].v01.2020.

[4] 英飞凌.AN2018-34 IPD Protect-features,description and design tips[Z]. V1.3.2020.

作者简介：施三保（1980—），男，高级主任工程师，硕士，从事功率半导体系统研发方案设计。邮箱：15769903@qq.com。

（本文来源于威廉希尔 官网app 杂志社2021年2月期）