April 2008

Bauelemente für Induktionsherde

Energieeffizienz in der Küche

EPCOS hat sich als Lieferant von Schlüsselbauelementen für Induktionsherde etabliert. Dazu zählen Folien-Kondensatoren, Drosseln, Übertrager, Thermistoren und Varistoren.

Induktionsherde gelten als die Königsklasse unter den Herden. Gerade der hohe Wirkungsgrad, dem in Zeiten rasant steigender Energiekosten immer größere Bedeutung zukommt, hebt sie deutlich von konventionellen Geräten ab. Dieser Gradmesser der Energieeffizienz liegt bei 90 Prozent und fällt damit weit besser aus als der von Gas- (40 Prozent) oder normalen Elektroherden (50 bis 60 Prozent). Namhafte europäische Hersteller wie BSH Bosch und Siemens Hausgeräte, Fagor oder Arcelik produzieren diese Hightech-Herde inzwischen in Serie.

Erzielt wird die hohe Energieausbeute der Induktionsherde durch eine aufwendige Technik, bei der das spezielle Kochgeschirr mit ferromagnetischem Boden selbst zum Ofen wird. Der Induktionsherd als solcher erzeugt keinerlei Wärme, sondern liefert im Kochfeld durch eine Spule ein magnetisches Wechselfeld, das im Frequenzbereich von 20 kHz bis 50 kHz betrieben wird. Dieses Feld wiederum erzeugt im Boden des Kochgeschirrs Wirbelströme, die für die Erwärmung sorgen. Verstärkt wird dieser Effekt noch durch Ummagnetisierungsverluste, die ebenfalls für eine Erwärmung sorgen. Dabei ist das Kochgeschirr eine kurzgeschlossene Sekundärwicklung eines Transformators. Abbildung 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau des Leistungsteils eines Induktionsherds.

 ABBILDUNG 1: PRINZIPSCHALTBILD DES LEISTUNGSTEILS EINES INDUKTIONSHERDS

Von links nach rechts: EMV/EMI-Eingangsfilter, Gleichrichter mit Zwischenkreiskondensator, Inverter mit Snubber- und Resonanzkondensatoren. EPCOS bietet alle passiven elektronischen Bauelemente für den Leistungsteil von Induktionsherden.

EMV-Eingangsfilter

Wegen der relativ hohen Frequenzen und der steilen Schaltflanken der IGBTs ist eine ausreichende EMV-Befilterung erforderlich. Abbildung 2 zeigt das Schaltbild des verwendeten Filters. Für die beiden X2-Kondensatoren eignen sich besonders Kondensatoren der Serie B32923A2105M* mit Kapazitätswerten von 1 µF. Ihr herausragendes Merkmal ist die geringe Bauhöhe von nur 22 mm. Bei den Y1-Kondensatoren, die symmetrische Störungen und Transienten unterdrücken, bietet EPCOS die Serien B81122C1222M* mit 2,2 nF beziehungsweise B81122A1153M* mit 15 nF. Derzeit verfügt EPCOS im Bereich der X2- und Y1-Kondensatoren über die platzsparendsten Typen auf dem Markt.

Auch für die Netzdrosseln hat EPCOS ein reichhaltiges Produktportfolio sowohl in Normalausführung wie auch in stromkompensierten Varianten, wie sie in der Serie B82726S* realisiert sind.

 ABBILDUNG 2: PRINZIPSCHALTUNG DES EMV-EINGANGSFILTERS
Das Eingangsfilter sorgt dafür, dass von den hohen Frequenzen des Leistungsteils keine Rückwirkungen auf das Netz entstehen.

Schaltungsschutz

Im Eingangsteil befinden sich auch die wichtigen Schutzfunktionen Einschaltstrombegrenzung und Überspannungsschutz (Abbildung 2).

Die Strombegrenzung erfüllt zwei Aufgaben:

  • Da die Zwischenkreiskondensatoren im Einschaltmoment noch ungeladen sind, würden bei direkter Netzaufschaltung kurzfristig sehr hohe Ladeströme fließen, die den Gleichrichter gefährden. Durch einen ICL (Inrush Current Limiter) auf Basis eines bedrahteten Scheiben-NTCs wird der Einschaltstrom auf ein verträgliches Maß reduziert. Diese Heißleiter sind im Einschaltmoment kalt und relativ hochohmig. Erst durch den Stromfluss erwärmen sie sich und werden niederohmig. Durch dieses Verhalten schützen sie nicht nur den Gleichrichter, sondern verhindern auch ein Auslösen der Netzsicherung. In Induktionsherden und anderen Haushaltsgeräten kommt für diese Aufgabe zum Beispiel der EPCOS-ICL der Serie B57153S* in Frage.
  • Um die Elektronik gegen Überspannungen zu schützen, empfiehlt sich der Einsatz von Varistoren. EPCOS bietet auf diesem Sektor die Familie B7221* an, die alle gängigen Netzspannungen abdeckt.

Abbildung 3 zeigt eine Auswahl von EPCOS-Schutzbauelementen, wie sie typischerweise im Eingangskreis von Induktionsherden verwendet werden.

 ABBILDUNG 3: EPCOS-SCHUTZBAUELEMENTE

Von links nach rechts: Y1-Kondensator, X2-Kondensator, stromkompensierte Netzdrossel, NTC-Einschaltstrombegrenzer, Scheibenvaristor.

Das Prinzipschaltbild des Leistungsteils, das die Induktionsspule treibt, ist in Abbildung 4 dargestellt. Neben den IGBT-Leistungsschaltern wird diese Baugruppe von Kondensatoren mit unterschiedlichen Aufgaben bestimmt.

 ABBILDUNG 4: LEISTUNGSTEIL VON INDUKTIONSHERDEN
Für das Leistungsteil sind Zwischenkreis-, Snubber- und Resonanzkondensatoren erforderlich.

Snubber-Kondensatoren

Da durch das Schalten der Induktionsspule hohe Induktionsspannungsspitzen auftreten, muss die Kollektor-Emitter-Strecke der IGBTs entsprechend geschützt werden. Diese Funktion übernehmen die Snubber-Kondensatoren, von denen EPCOS zahlreiche Varianten anbietet. Neben den bedrahteten Versionen der Serie B32652A1153K* wurden auch spezielle Typen mit Laschenanschlüssen realisiert, die zum Beispiel in Frequenzumrichtern direkt auf die Leistungshalbleiter geschraubt werden können. Die Kondensatoren zeichnen sich durch minimierte ESR- und ESL-Werte aus. Wie bei allen Folien-Kondensatoren von EPCOS handelt es sich auch hier um ein selbstheilendes Design, was die Zuverlässigkeit entscheidend verbessert.

Zwischenkreiskondensatoren

Um die gleichgerichtete Wechselspannung zu glätten und Ripple-Spannungen zu minimieren, sind Zwischenkreiskondensatoren (DC-Link) erforderlich. In Anwendungen der Industrie-Elektronik – zum Beispiel Umrichter oder Stromversorgungen – werden hierfür üblicherweise Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren mit Snap-in- oder Schraubanschluss eingesetzt. Im Fall der Induktionsherde allerdings wird aus Platzgründen ebenfalls auf Folien-Kondensatoren zurückgegriffen. Mit der Serie B32564* hat EPCOS hier eine große Vielfalt an Kapazitäts- und Spannungswerten im Programm. Auch diese Kondensatoren zeichnen sich typabhängig durch niedrige parasitäre ESR- und ESL-Werte aus.

Resonanzkondensatoren

Für den Betrieb der Induktionsspule müssen Resonanzkondensatoren mit ihr in Serie geschaltet werden. Auch hierbei handelt es sich um Folien-Kondensatoren. Eindesignt wurden hier Typen der Serie B32653*.

Temperaturschutz und -regelung

Um zu verhindern, dass die IGBT-Leistungsschalter thermisch überlastet werden, ist eine entsprechende Temperaturüberwachung erforderlich. Ein schnell reagierender und hitzebeständiger Temperatursensor ist hier erforderlich. Zwei Typen bieten sich hier an: K560 im Aluminiumgehäuse und K1560 im Keramikgehäuse.

 

Sie zeichnen sich durch folgende Merkmale aus:

  • NTC-Thermistor, gehäust in Aluminium oder Keramik mit konfektionierten Kabeln
  • Temperaturbereich: -10 °C bis 250 °C, kurzfrisitge Spitzentemperatur bis 280 °C
  • Kurze ansprechzeit im Luftstrom
  • Hohe Isolationsspannung
  • Keine Beeinflussung durch Magnetfelder
  • Flanschgehäuse für eine gute thermische Kopplung

 ABBILDUNG 5: FÜHLER ZUR REGELUNG DER KOCHTEMPERATUR
Für Induktionsherde hat EPCOS einen speziellen Temperaturfühler entwickelt, der zentrisch in der Induktionsspule positioniert ist.

In den Kontroll- und Bedieneinheiten von Induktionsherden übernehmen elektronische Bauelemente von EPCOS wichtige Aufgaben. So kommen hier zum Beispiel SMT-Induktivitäten und Übertrager in DC/DC-Wandlern zum Einsatz. Single-ended-Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren oder Vielschicht-Varistoren sind dabei ebenfalls unverzichtbare Bauelemente.

DOWNLOAD

Teilen