作者簡介：施三保，高級主任工程師，碩士，從事功率半導體系統(tǒng)研發(fā)方案設計。

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(jīng)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。電路拓撲采用單端并聯(lián)諧振電路，最大輸出功率2.1kW，實現(xiàn)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(jù)系統(tǒng)要求來調(diào)節(jié)。同時，經(jīng)過優(yōu)化的PCB板設計，可以長期可靠的運行，并通過了嚴格的EMC測試。

引 言

因加熱時間快，無明火，功率大，電能熱能轉(zhuǎn)換效率高和系統(tǒng)成本低等優(yōu)點，感應加熱已經(jīng)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)成本和降低失效率返修率等。用戶對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，造成相當比率的市場失效，導致制造商需要花費大的成本來做售后維護，同時也影響了制造商的品牌口碑。另外一方面，激烈的市場競爭導致用于對系統(tǒng)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(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2.1kW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(jīng)過優(yōu)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(qū)動器，集成的體內(nèi)二極管可以實現(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保護二極管。

器件安規(guī)距離：封裝TO247-6實現(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過壓保護：VCE過壓保護點可以設置，并可以實現(xiàn)VCE主動鉗位控制(Active clamp control-ACC)，VDET腳檢測電壓超過設定電壓后，進入內(nèi)部閉環(huán)控制，驅(qū)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(fā)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(jié)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(jié)溫達到過溫保護關(guān)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，芯片開始正常工作，其中有1V回差，即當電壓下降到典型值12.5V時，芯片欠壓保護啟動，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(tǒng)的可靠性，高集成度可以減少設計工程師的工作量，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。

感應加熱系統(tǒng)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(fā)現(xiàn)了電磁感應現(xiàn)象，即交變的磁場在導體中會產(chǎn)生感應電流，從而導致導體發(fā)熱。電磁感應加熱的原理就是感應加熱電源產(chǎn)生的交變電流通過感應器（即線圈）產(chǎn)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(nèi)部產(chǎn)生交變的電流（即渦流），渦流使物體內(nèi)部的原子高速無規(guī)則運動，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. 單端并聯(lián)諧振電路拓撲介紹

感應加熱應用一般采用單端并聯(lián)諧振拓撲(single-ended parallel-resonant-SEPR)，如圖2所示，這種拓撲架構(gòu)相對簡單，可以實現(xiàn)高效的能量轉(zhuǎn)換，同時，工作在諧振軟開關(guān)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(tài)下，輸入電壓經(jīng)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，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. 單端并聯(lián)協(xié)整拓撲

因此，系統(tǒng)設計的時候，需要特別注意IGBT的軟硬件保護策略。

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)過濾波整流后，通過諧振電容，大線盤，IPD Protect等進行高頻諧振。220V交流電壓整流后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(huán)控制，同時也檢測系統(tǒng)的一些保護信號。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)。

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管和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回路在PCB板中間，輔助電源板板給單片機和風扇供電，經(jīng)過加強絕緣隔離的控制電路和人機交互電路部分在PCB背面。

系統(tǒng)設計和測試結(jié)果

1. 正常滿載工作狀態(tài)

設置系統(tǒng)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(guān)狀態(tài)中，INN上升沿到VCE電壓上升延時時間為1.8µs。

圖5. 系統(tǒng)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電壓通過分壓電阻后連接到VDET腳，與內(nèi)部設定的過壓觸發(fā)電壓門限比較，當達到VDET+1時,過壓保護功能觸發(fā)，VCE被鉗位到VClamp1，當達到VDET+2時,內(nèi)部閉環(huán)啟動，VCE被恒定鉗位在VClamp2,如果故障排除后，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(nèi)部的過壓觸發(fā)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(nèi)部IGBT發(fā)射極的電流經(jīng)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(nèi)部的基準電壓VCETH-進行比較，如果大于VCETH-，過流保護功能將被觸發(fā)。

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(jīng)過計算可得，IPD Protect在系統(tǒng)中的ICE過流保護點為68A。

4. 過溫保護電路

IPD Protect內(nèi)部自帶過溫保護功能，當芯片內(nèi)部結(jié)溫達到結(jié)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。

當芯片結(jié)溫繼續(xù)上升，達到結(jié)溫保護關(guān)斷點TvjSD時(典型值150℃)，IPD Protect的驅(qū)動就會被拉低，系統(tǒng)關(guān)機，當溫度下降到75℃以下時，系統(tǒng)會自動重啟，如圖8所示。

圖8. 過溫保護報警和關(guān)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(xù)200µs，查看系統(tǒng)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(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(tǒng)運行時，突然移動被加熱的鍋，會造成系統(tǒng)負載的突變，會對系統(tǒng)的穩(wěn)定性和器件的應力造成沖擊。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(tǒng)波形很穩(wěn)定平滑，也沒有出現(xiàn)IPD Protect器件的電流電壓應力問題。

圖10. 系統(tǒng)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

由于IPD Protect內(nèi)部集成了很多模擬和功率功率電路，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+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(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)存在高壓危險電壓信號，同時又有一些人機交互的單片機數(shù)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。

散熱設計

盡管IPD Protect內(nèi)部集成了過溫報警和關(guān)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(jié)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。

結(jié)束語

本文針對感應加熱產(chǎn)品的一些技術(shù)問題和客戶痛點，設計了一款新穎的2.1kW感應加熱系統(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。

參考文獻

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4.英飛凌,AN2018-34 IPD Protect-features,description and design tips, V1.3,2020