Moderne Induktionskochfelder

Das Induktionskochen hat das herkömmliche Erhitzen ersetzt, indem Wärmeenergie über elektrische Heizelemente auf den Boden einer Pfanne/eines Topfes übertragen wird. Es funktioniert nach dem Prinzip induzierter Ströme, die im Topfboden zirkulieren. Damit Induktionskochfelder ordnungsgemäß funktionieren, muss sich der Topfboden physisch in der Nähe der Spule befinden. Geeignet sind nur bestimmte Metalle – solche mit hoher magnetischer Permeabilität.

Das Prinzip ähnelt dem herkömmlicher Leistungstransformatoren, wobei die Spule die Primärseite und der Topfboden die Sekundärseite bildet. Es weist auch viele Ähnlichkeiten mit der modernen Induktionsladetechnologie auf.

Die zum Erhitzen des Topfes erforderliche Wärme stammt aus den in der Bodenschicht zirkulierenden Wirbelströmen, genauer gesagt aus dem Widerstand, den diese Stromflüsse bieten. Durch die induktive Kopplung werden etwa 90 % der Energie übertragen, um im Topf Wärme zu erzeugen. Ein typischer Ofen mit glatter Glasplatte kann nur etwa 70 % der Energie übertragen, was zu einer Verdreifachung der Verluste führt.

Die verwendete Topologie unterscheidet sich nicht wesentlich von einer Schweißschaltung. Der Hauptwechselstrom wird gleichgerichtet und treibt eine kleine Hilfsstromversorgung für den Wechselrichter und die Steuerung an. Der Wechselrichter induziert den Strom in Kupferspulen und erzeugt so ein elektromagnetisches Feld, das Wirbelströme im Topf induziert. Die erzeugte Wärme entspricht dem Widerstand des Topfbodens multipliziert mit dem Quadrat des induzierten Stroms – bekannt als „Joule-Effekt“.

Abbildung 5: Übersicht über einen typischen Induktionskochfeld-Stromkreis

Im Gegensatz zu Schweißgeräten ist das Steuerungsschema für Induktionskochfelder typischerweise ein Frequenzvariationsschema. Obwohl dies eine einfache Methode ist, liegt die Herausforderung darin, den erforderlichen Frequenzbereich für die Ausgangsleistung über einen weiten Bereich zu steuern.

Selbst bei den für Induktionskochfelder erforderlichen hohen Frequenzen können Resonanzwandlerschaltungen mit hohem Wirkungsgrad arbeiten. Daher werden für diese Anwendung häufig Resonanzkreiswandler verwendet, insbesondere resonante Halbbrückenwandler (RHB) und quasiresonante Wechselrichter (QR). RHB-Konverter werden aufgrund ihrer Fähigkeit, ein breites Lastspektrum zu bewältigen, besonders bevorzugt. Um Leistungsverluste auf ein Minimum zu beschränken, werden in der Regel fortschrittliche Steuerungstechniken wie Nullstromschaltung (ZCS) oder Nullspannungsschaltung (ZVS) eingesetzt.

Abbildung 6: Typische Beispiele für RHB- und QR-Topologien

Aufgrund der Kosteneffizienz dieser Topologie werden QR-Konverter häufig in Induktionskochfeldanwendungen mit geringer Leistung (unter 2 W Spitzenleistung) eingesetzt.

Solarwechselrichter und USV

Beim Einsatz der Halbbrückentopologie in Anwendungen, die schnelles Schalten erfordern, gibt es viele Herausforderungen, darunter:

- Es können nur zwei Ausgangsspannungen erreicht werden

- Schaltverluste können erheblich sein

- Das Fahren großer Tore kann eine Herausforderung sein

- Die Belastung der Komponenten beeinträchtigt die Zuverlässigkeit

- Erhöhter Welligkeitsstrom und EMI erfordern eine umfassende Filterung

- Inkompatibel mit dem Hochspannungs-Gleichstrombus

- Thermisches Design ist nicht trivial

In modernen Anwendungen wird die HB-Topologie durch kritische Anwendungen wie unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) und Solar-Photovoltaik-Wechselrichter (PV) ersetzt. Dreistufige Topologien, bekannt als I-Typ und T-Typ, dominieren.

Es gibt viele Aspekte, die verbessert werden müssen, einschließlich der Reduzierung der Spannung an den aktiven Geräten, um Verluste zu verringern, harmonische Verzerrungen zu reduzieren und die Verwendung kleinerer Komponenten zu ermöglichen. Am wichtigsten ist, dass diese Topologien die Schaltverluste deutlich reduzieren und einen Wirkungsgrad von bis zu 98 % beim Schalten bei hohen Frequenzen von 16 kHz bis 40 kHz erreichen können.

Abbildung 7: I-Typ- und T-Typ-Konvertertopologien bieten im Vergleich zu HB viele Vorteile

In die Zukunft schauen

Obwohl manche die IGBT-Technologie als „traditionell“ betrachten, spielt sie in Hochleistungsanwendungen (hohe Spannung/Stromstärke) nach wie vor eine wichtige Rolle. Die IGBT-Technologie entwickelt sich ständig weiter. Die Vcesat-Werte nähern sich 1 V, und strukturelle Verbesserungen erhöhen die Dichte und reduzieren die Verluste.

Wie immer müssen Designer beim Einsatz von IGBTs die Anforderungen ihrer Anwendung vollständig verstehen und geeignete Topologien auswählen, um optimale Ergebnisse und Leistung sicherzustellen.