Induktionserwärmung
Die Technik der praktischen Induktionserwärmung gibt es bereits seit den 1920er Jahren. Das Wachstum der Induktionserwärmungsindustrie nahm während des Zweiten Weltkriegs sehr schnell zu, als die Oberflächen-/Einsatzhärtung bei Militärfahrzeugen und -waffen sowie bei Achsen und Motoren eingesetzt wurde; diese Technik ermöglichte eine längere Lebensdauer dieser Komponenten. Nach dem Krieg fanden die technologischen Verbesserungen auch im zivilen Bereich Anwendung, da die Menschen zuverlässigere Autos wollten.
Induktionsschweißen und Hochfrequenzhärten sind zwei hervorragende Anwendungen für die Induktionserwärmung im Leistungsumrichter2. Leistungstransistoren mit breiter Bandlücke (Wide Bandgap, WBG) sind in diesen Anwendungen weitaus leistungsfähiger als Silizium-Bauelemente (Si). In diesem Artikel wird erläutert, warum das so ist.
Wie Induktionserwärmung funktioniert
Typische Induktionserwärmungsanlagen (IH) verwenden Wechselströme mit Frequenzen von 60 Hz bis über 1 MHz. Frühe Induktionserwärmungsanlagen verwendeten Funkenstreckenoszillatoren, motorgetriebene Generatoren und Vakuumröhren zur Erzeugung dieser Wechselströme. Später wurde die Technologie weiterentwickelt und es wurden siliziumgesteuerte Gleichrichter (SCR) verwendet, um ältere Generatoren zu ersetzen. Transistoren aus Siliziumkarbid (SiC) bieten nun optimale Leistung in Stromversorgungen für Induktionsheizungen. Der Grund dafür ist, dass bei der IH Hochfrequenzstrom zur Erwärmung elektrisch leitfähiger Materialien über ein starkes magnetisches Wechselfeld verwendet wird; SiC-Bauelemente arbeiten bei hohen Frequenzen (fünf- bis achtmal höher als herkömmliches Silizium), mit hohem Wirkungsgrad und hohen Spannungen, die von Si-IGBTs nicht erreicht werden können. Die WBG-Energie und die niedrige intrinsische Ladungsträgerkonzentration in SiC ermöglichen es außerdem, das Halbleiterverhalten bei viel höheren Temperaturen (bis zu 600 Grad Celsius) als bei Si beizubehalten und können daher bei höheren Sperrschichttemperaturen als IGBTs betrieben werden; SiC reduziert die Abwärme, was zu geringeren Kosten und weniger Gewicht im Wasserkühlsystem führt. SiC hat auch typische Chipgrößen, die fast 20-mal kleiner sind als vergleichbare Si-Chips, um besser in den IH-Arbeitskopf zu passen (siehe Abbildung 1 unten).
Eine Induktionserwärmungsanlage setzt sich aus mehreren Komponenten zusammen:
- Eine Stromversorgung, die einen Hochfrequenzstrom erzeugt
- Eine Lastanpassungsstation, die die Impedanz der Spule an das Stromnetz anpasst
- Eine Induktionsspule aus Kupfer, die um das zu erwärmende Gerät gewickelt wird
- Ein Wasserkühlsystem zur Ableitung von Abwärme in einem Hochleistungssystem
Bei der Induktion wird in einer Spule ein elektromagnetisches Feld erzeugt, das die Übertragung von Energie auf ein Zielgerät ermöglicht, das erwärmt werden muss. Ein elektrischer Strom fließt entlang eines gewickelten Drahtes und erzeugt so ein Magnetfeld um diesen Draht. Bei dieser Technik wird ein hoher Hochfrequenz-Wechselstrom durch die Spule geleitet, der wiederum ein sehr intensives und schnell wechselndes Magnetfeld erzeugt. Das Werkstück, das erwärmt werden soll, wird in dieses intensive magnetische Wechselfeld gelegt. Das magnetische Wechselfeld bewirkt, dass enorme Ströme durch das Werkstück fließen. Diese Ströme, die als Wirbelströme bezeichnet werden, fließen in einer dünnen Schicht zur Oberfläche des Werkstücks und bewirken eine Widerstandserwärmung.
Das Induktionserwärmungsverfahren wird auch für Metalle wie Stahl und leitfähige Materialien verwendet. Kleine und dünne Materialien werden im Vergleich zu großen und dicken Materialien schnell erwärmt. Je höher die Frequenz des Wechselstroms ist, desto geringer ist die Eindringtiefe der Erwärmung. Einige Beispiele für elektrisch leitende Metalle, die erwärmt werden können, sind:
- Kupfer und Kupferlegierungen
- Messing
- Aluminium
- Eisen
- Stahl und rostfreier Stahl
- Wolfram
- Chrom
- Nickel und Nickellegierungen
- Kobalt
- Kohlefaser
- Graphit
- Silizium
- Platin
- Silber
- Gold
IH erzeugt eine effiziente und schnelle Erwärmung, die sowohl wiederholbar als auch genau ist; die Genauigkeit der Erwärmung verlängert die Lebensdauer der Vorrichtungen. Da keine Flamme verwendet wird, ist dieses Verfahren außerdem sicherer.
In diesem Artikel wird die Stromversorgung in einer Design-Architektur unter Verwendung von SiC-Leistungstransistoren erörtert, die hocheffizient sind und bei den für IH erforderlichen hohen Frequenzen arbeiten können.
Die Stromversorgung
Bei der Berechnung der Stromversorgungsleistung sind die spezifische Wärme des zu erwärmenden Materials, die Masse des Materials und der erforderliche Temperaturanstieg zu berücksichtigen. Auch die Wärmeverluste durch Leitung, Konvektion und Strahlung sollten bei der Bestimmung der Stromversorgungsleistung berücksichtigt werden.
Bei IH-Anwendungen fließt ein so hoher Strom durch eine Spule, dass eine Wasserkühlung erforderlich ist. Der Wechselstrom aus der Wechselstromleitung wird durch die Stromversorgung in einen hochfrequenten Wechselstrom umgewandelt, der der Kombination aus Spuleninduktivität, Werkstückkopf (in diesem Fall ist der Werkstückkopf die Vorrichtung, die den Tankkreislauf hält), Kapazität und Widerstand der Komponenten entspricht. Das Werkstück wird so in der Spule positioniert, dass dieses Feld einen Strom in das Werkstück induziert, der wiederum Wärme erzeugt (siehe Abbildung 1, rechts).
Traditionell war der Silizium-Isolierschicht-Bipolartransistor (Si-IGBT) das Arbeitspferd für Hochfrequenz-Wechselrichter in industriellen und häuslichen IH-Anwendungen. SiC-Bauelemente überholen diese Art von Anwendungen, da Si eine begrenzte Schaltfrequenz von etwa 20 kHz hat.
Abbildung 1: Blockdiagramm einer typischen Induktionserwärmungsanlage (Bild aus Referenz 1)
Verwendung von SiC-Leistungstransistoren
Kommerzielle induktive Erwärmung
Die Induktionserwärmung ist eine hervorragende Anwendung für Hochleistungsanwendungen; eine dieser Anwendungen ist eine effiziente Methode zur Verflüssigung von Metall. Die Induktion erfordert eine extrem hohe Stromstärke und Hochfrequenzleistung, gekoppelt mit geringen Leitungsverlusten. SiC-MOSFETs ermöglichen die erforderliche Leistung bei gleichzeitiger Minimierung der Gesamtsystemkosten im Vergleich zu den weit weniger effizienten Si-IGBTs.
Induktionsschweißen und Hochfrequenzhärten/-glühen sind die beiden einfachsten Anwendungen der Induktionserwärmung für den Leistungsumrichter.
Industrielle Schweißgeräte benötigen Leistungen bis zu 1 MW und Frequenzen im Bereich von 200-500 kHz, je nach den Eigenschaften des zu schweißenden Rohrs.
Das Härten/Glühen erfordert Leistungen bis zu 400 kW mit Frequenzen im Bereich bis zu 200 kHz, aber mit einer extrem hohen Anzahl von Leistungszyklen.
Erwärmung von Walzlegierungen
10 bis 100 kW Leistung für kleine Knüppel und Stangenenden (Knüppel ist ein halbfertiges Rundmaterial, das teilweise bearbeitet wurde, aber noch weiter auf die endgültige Größe bearbeitet wird. Bei Stangen handelt es sich um fertiges Material, das vollständig auf Maß gewalzt wurde).
1MW bis 5MW Leistung ist für Knüppel, Stangen oder Rohre.
100 kW bis 1500 kW sind für die Erwärmung von Knüppeln, Stangen und Stangenenden vorgesehen.
10 bis 100 kW sind für das Glühen, Trocknen, Aushärten und Beschichten vorgesehen.
Warum SiC?
Die WBG-Energie und die niedrige intrinsische Ladungsträgerkonzentration von SiC ermöglichen es diesen Bauelementen, das Halbleiterverhalten bei viel höheren Temperaturen als Silizium beizubehalten, was wiederum die Funktionalität der SiC-Bauelemente bei viel höheren Temperaturen als Silizium ermöglicht.
Die Möglichkeit, Hochtemperatur-Halbleiterelektronik, die nicht gekühlt wird, direkt in heiße Umgebungen einzubetten, bietet entscheidende Vorteile für Induktionsheizungsanwendungen. Die Hochtemperaturfähigkeit (ungehäuste SiC-MOSFET-Chips können bei einer Sperrschichttemperatur von 400 °C arbeiten, und ein SiC-Modul mit Gehäuse hat eine ungefähre Sperrschichttemperatur von bis zu 175 °C) eliminiert Leistungs-, Zuverlässigkeits- und Gewichtseinbußen anstelle von Flüssigkeitskühlung, Lüftern, thermischer Abschirmung und längeren Kabelwegen, die erforderlich sind, um ähnliche Funktionen in Anwendungen mit herkömmlichen Silizium-Halbleitern zu erreichen.
SiC-Bauelemente haben ein hohes Durchbruchsfeld und eine hohe Wärmeleitfähigkeit; wenn diese Merkmale zu hohen Sperrschichttemperaturen hinzukommen, können mit SiC-Bauelementen sehr hohe Leistungsdichten und Wirkungsgrade erzielt werden. Das hohe Durchbruchsfeld und die breite Energiebandlücke der SiC-Technologie ermöglichen ein deutlich schnelleres Leistungsschalten als bei Silizium-Leistungsschaltern. (Siehe Abbildung 2, rechts.)
Der Hochspannungsbetrieb in SiC-Leistungsbauelementen ist aufgrund der viel dünneren Sperrbereiche möglich, die ein schnelles Schalten ermöglichen. Dadurch können SiC-basierte Leistungswandler mit höheren Schaltfrequenzen und einem höheren Wirkungsgrad (also weniger Schaltenergieverlust) betrieben werden. Höhere Schaltfrequenzen sind bei der Induktionserwärmung unerlässlich, da sie die Verwendung kleinerer Kondensatoren, Induktoren und Transformatoren ermöglichen, was wiederum einen kleineren Tankkreis ermöglicht und die Gesamtgröße, das Gewicht und die Kosten des Stromrichters erheblich reduzieren kann. Si-Bauteile können diese Schaltgeschwindigkeiten nicht erreichen.
Eigenschaft (relativ zu Si) | Si | SiC | LT8614 | 1 | 3.1 |
|---|---|---|
Wärmeausdehnungskoeffizient | 1 | 1.6 |
Dielektrizitätskonstante | 1 | 0.9 |
Mobilität der Elektronen | 1 | 0.67 |
Mobilität der Löcher | 1 | 7.34 |
Zusammenbruch des elektrischen Feldes | 1 | 7.34 |
Sättigungsgeschwindigkeit | 1 | 2 |
Maximale Arbeitstemperatur | 1 | 5.2 |
Abbildung 2: Silizium im Vergleich zu Siliziumkarbid-Halbleitern, die die besseren Materialeigenschaften von Siliziumkarbid zeigen (Bild aus Referenz 5)
Die richtigen Wandlerarchitekturen für IH
Zwei der gängigsten Umrichtertypen für Induktionserwärmungsanwendungen sind ein Halbbrücken-Resonanzumrichter (Abbildung 3) oder ein Vollbrücken-Resonanzumrichter (Abbildung 4). Der Vorteil des Resonanzumrichters besteht darin, dass er seinen Zustand umschalten kann (von ein zu aus und umgekehrt), wenn die Spannung an ihm und/oder ein Strom durch ihn im Schaltzeitpunkt null ist. Dadurch werden die Belastung der Transistoren und die Leistungsverluste erheblich minimiert.
Der Halbbrückenwechselrichter
Der grundlegende Halbbrückenwechselrichter ist in Abbildung 3 (rechts) dargestellt. Abbildung 3 zeigt zwei identische Gleichspannungsquellen (E), die in Reihe geschaltet sind, zwei statische Schalter (Q1 und Q2) und zwei Dioden (D1 und D2). Zum Schutz der Schalter sind D1 und D2 parallel zu den SiC-Bauelementen (Q1 und Q2) geschaltet, da die Schalter Ströme in umgekehrter Richtung verarbeiten. In Abbildung 2 wird eine induktive Last verwendet, da die meisten einphasigen Lasten in der Regel induktiv sind. Sobald die beiden großen Elektrolytkondensatoren C1 und C2 vollständig aufgeladen sind, fungieren sie als Spannungsquellen. Es gibt zwei gleiche Widerstände parallel zu den Kondensatoren (intern/nicht dargestellt), die nicht nur sicherstellen, dass die Spannungen an den beiden Kondensatoren gleich hoch sind, sondern auch die Wege für die Entladung der Kondensatoren bereitstellen, sobald der Halbbrückenwechselrichter ausgeschaltet ist.
Der Vollbrückenwechselrichter
Abbildung 4 zeigt einen LLC-Resonanzwechselrichter in Vollbrückenschaltung. In dieser Vollbrückenkonfiguration gibt es vier SiC-Schalter, S1 bis S4, die aufgrund der induktiven Last mit antiparallelen Dioden als Dämpfer ausgestattet sind. Cp ist ein Resonanzkondensator und die Serieninduktivität LS zusammen mit einer Induktionsspule, die aus der Reihenschaltung von Req und einer Induktionsspule (Lcoil) besteht. Cb ist ein Gleichstrom-Sperrkondensator, der mit der Primärseite des Transformators in Reihe geschaltet ist. Siehe Referenz 3 für weitere Einzelheiten.
Der Vollbrücken-LLC-Resonanzwechselrichter ist aufgrund seiner einfachen Konstruktion und seines hohen Wirkungsgrads einer der am häufigsten verwendeten Wechselrichter in Induktionsheizungsanwendungen. Der Hauptvorteil eines Resonanzumrichters besteht darin, dass diese Architektur ihren Zustand umschaltet (von ein zu aus und umgekehrt), wenn die Spannung über dem Umrichter und/oder der Strom durch den Umrichter zum Zeitpunkt des Umschaltens Null ist. Dadurch werden die Belastung der Transistoren und die Leistungsverluste erheblich reduziert.
Abbildung 3: Ein Halbbrücken-Wechselrichter mit Resonanzlast (Bild aus Referenz 3)
Abbildung 4: Ein Vollbrücken-LLC-Resonanzwechselrichter (Bild aus Referenz 3)
Andere IH-Anwendungen
Schlussfolgerung
Referenzen
- Was ist Induktionserwärmung und wie funktionieren Induktionsspulen?, gesponsert von Ambrell Induction Heating Solutions, 27. Januar 2015 auf der Website von AZO Materials
- Der praktische Einsatz von SiC-Bauelementen in Hochleistungs- und Hochfrequenz-Wechselrichtern für industrielle Induktionsheizungsanwendungen, Enrique J. Dede, José Jordán, Vicente Esteve, IEEE 2016
- Power Electronics for Renewable Energy Induction Heating with SiC Transistors, Mathew M'kandawire, Jiaying Wang, Tatjana Kalitjuka, Aleksejs Grigorjevs, Norwegian University of Science and Technology, Department of Electrical Power Engineering, 2010
- SiC-MOSFET-Modul ersetzt bis zu dreifach stromstärkere Si-IGBT-Module in Spannungsquellen-Wechselrichteranwendungen, Dr. Mrinal K. Das, Product Marketing Manager, Cree, Inc., 2013
- BODY OF KNOWLEDGE FOR SILICON CARBIDE POWER ELECTRONICS, NASA Electronic Parts and Packaging (NEPP) Program Office of Safety and Mission Assurance
