Corporate News Höhere Effizienz am Herd

Kochgeräte mit Induktionstechnik sind in den letzten Jahren in Europa und Nordamerika immer beliebter geworden. Nach Angaben des Marktforschungsunternehmens IMS/IHS Research werden im Jahr 2013 voraussichtlich mehr als zu zweieinhalb Millionen Geräte verkauft werden. Im Zeitraum von 2010 bis 2015 erwartet man ein durchschnittliches Marktwachstum bei Induktionsherden von 17 Prozent in Europa, dem mittleren Osten und Afrika. Der durchschnittliche Verkaufspreis eines Induktionskochfeldes sinkt mit bis zu 4 Prozent pro Jahr schneller als bei anderen Kochtechnologien. Bis 2015 belaufen sich die Verkaufszahlen laut IMS/IHS Research schätzungsweise bis zu 4,6 Millionen Geräte.

Während Induktionskochfelder einen Wirkungsgrad von 90 Prozent bieten, geben Gas-Kochfelder nur 55 Prozent der Energie sowie herkömmliche elektrische Kochfelder nur etwa 65 Prozent der Wärmeenergie an das Kochgeschirr ab. Sobald diese vom Herd genommen werden, geht bei einem Induktionskochfeld der Großteil des Systems in den Standby-Modus, bei dem fast keine Energie mehr verbraucht wird. Da Energiesparen heute ein wichtiges Verkaufsargument ist, steigt die Nachfrage nach dieser Technologie mehr und mehr.

Die europäischen Sicherheitsbestimmungen nach IEC 60730-1 haben die Entwicklung in den letzten Jahren maßgeblich beeinflusst. Die Bestimmungen schreiben vor, welche Sicherheitsmechanismen in Europa hergestellte Haushaltsgeräte erfüllen müssen. Dies bedeutet, dass man bei der Auslegung der Hard- und Software aller in Europa verkaufter Geräte stärkere Sicherheitsmechanismen berücksichtigen muss.

Renesas Electronics liefert spezielle Hardware-Module und Software-Routinen, um seine Kunden in der Freigabephase ihrer Produkte bei Zertifizierungsinstituten, wie dem VDE-Institut, IMQ, LCIE oder LCOE, zu unterstützen. Eine Selbsttest-Software gewährleistet das Hochfahren und einen regelmäßigen Test der MCU, des RAM, des Flash-Speichers, des A/D-Wandlers sowie der Main Clock. Die meisten Haushaltsgerätehersteller erwarten und begrüßen darüber hinaus strengere Regelungen zur Energieeffizienz. Um diese Bestimmungen erfüllen zu können, kommen in immer stärkerem Maße elektronische Steuersysteme bei Haushaltsgeräten zum Einsatz.

Der vorliegende Artikel beschreibt die Ansteuerungsmethoden und die verwendeten Schaltkreise für die Energieversorgung der Induktionsspulen im Kochfeld. In den üblichen großen Induktions-Kochfeldern gibt es bis zu fünf Kochzonen, in denen bis zu sieben unabhängige Spulen arbeiten. In letzter Zeit haben einige Haushaltsgerätehersteller professionelle Kochfelder entwickelt, die freie Kochzonen enthalten und eine Leistung bis zu 11 kW abgeben. Einige sehr große Kochfelder nutzen mehr als 30 Spulen, in denen bis zu sechs Kochbereiche gleichzeitig erhitzt werden können.

Die wichtigsten Schaltungsarchitekturen

Induktionssysteme nutzen einen Soft-Switching-Modus und vermeiden damit die Erzeugung von Spannungsspitzen oder Oberwellen während Spannungsschaltvorgänge. Dafür kommen zwei Schaltungstopologien infrage: eine quasi-resonante oder eine Halbbrückenschaltung. Beide Architekturen nutzen IGBTs, um Spannungen einfach zu schalten und hohe Stromstärken zu erlauben. Die Tabelle auf Seite 75 vergleicht die beiden Topologien zur Ansteuerung eines Heizelementes.

Die quasi-resonante Schaltung nutzt einen einzigen Hochspannungs-IGBT mit einer Nennspannung von 1.200 bis 1.350 V - je nach Leistungsbedarf des Heizelementes. Ein solcher Transistor enthält eine schnelle Rücklaufdiode (FRD, Fast Recovery Diode), um schnelle Schaltzeiten zu ermöglichen. Manche Induktionsfelder nutzen dabei je nach Material des Kochgeschirrs, des Inhalts und der verwendeten Ansteuerungsmethode Schaltfrequenzen von bis zu 100 kHz.

Die zweite Methode ist die Halbbrücken-Topologie (zum Beispiel Resonanzwandler-Technologie) mit zwei 600-V-IGBTs zur Ansteuerung einer einzigen Spule. Solche Transistoren zur Ansteuerung von Induktionsspulen bieten einen hohen IGBT-Kollektorstrom (IC) von bis zu 50 A bei einer Temperatur von 100 °C, wodurch sich Schaltverluste gering halten lassen, da VCESatbei 1,35 V bleibt (IC= 30 A, VGE= 15 V).

Die richtige Wahl von Architektur und IGBTs ist wichtig, da statische und dynamische Verluste niedrig bleiben müssen, um einen hohen Wirkungsgrad und optimierte Systemkosten zu erzielen.

Vor dem Einschalten eines Kochfeldes prüft das System, ob ein Kochgeschirr vorhanden ist, wählt eine Schaltfrequenz und leitet den Strom an das Kochfeld. Besteht das System aus sechs Kochfeldern, können mehrere Frequenzen nebeneinander auftreten und zu Oberschwingungen im hörbaren Frequenzbereich führen. Eine Strategie, um das System für den Benutzer leise und wirtschaftlich zu halten, besteht darin, nur eine einzige Schaltfrequenz für die Ansteuerung der verschiedenen Kochfelder zu nutzen.

Unabhängige PWM-Signale

Für einen solchen Fall enthält der RX63T-Mikrocontroller von Renesas integrierte Timer zur Erzeugung unabhängiger PWM-Signale (Pulse-width Modulation), um den Betrieb des mehrflammigen Induktionskochfelds im Betrieb leise zu halten. Die MCU steuert dabei die Kochfeld-Temperatur und die an jedes Kochfeld abgegebene Leistung, und gewährleistet damit die Genauigkeit der an die IGBTs abgegebenen PWM-Signale.

In der 32-Bit-RX63T-Mikrocontroller-Familie sind zwei flexible und genaue MTU3 Timer-Einheiten (Multifunction Timer Pulse Unit) sowie ein GPT (General PWM Timer) integriert, die zur Erzeugung symmetrischer oder asymmetrischer PWM-Signale dienen. Darüber hinaus kann die MTU3 die A/D-Wandler für eine Messung der von einem Kochfeld verbrauchten Leistung triggern.

Dank der genauen 12-Bit-A/D-Wandler gewährleistet die MCU eine genaue Regelung der an jede Induktionsspule abgegebenen Leistung über eine geschlossene Regelschleife. Zusätzlich sind bis zu sechs schnelle Komparatoren und Operationsverstärker in den A/D-Wandler des RX63T integriert, mit denen Überströme und Überspannungen erkannt und genaue Messungen ausgeführt werden können. Ein derartig hohes Maß an Integration ermöglicht Kostensenkungen für Leiterplatte und Stückliste (BoM, Bill of Material).

Für die Nutzung komplexer Algorithmen enthält die RX63T-Familie eine integrierte 32-Bit Floating Point Unit, die schnelle Berechnungen, kurze Verarbeitungszeiten und eine Echtzeitsteuerung ermöglicht. In den Kochfeldern integrierte Temperatursensoren melden den Kochfeld-Status zurück an den RX63T und gewährleisten hohe Betriebssicherheit, da die MCU das Gerät in Notsituationen abschalten kann. Die 32-Bit RX63T-MCU ist für einen Betrieb bei 105 °C qualifiziert, so dass die Temperatur der Arbeitsumgebung über 100 °C liegen kann.

Zur Unterstützung von anspruchsvollen Sicherheitsanforderungen sind die im Folgenden genannten Hardware-Module in dem Baustein RX63T integriert:

Ein Port Output Enable (POE) zur Abschaltung der PWM-Signale in Echtzeit bei Erkennung eines Fehlerzustands, eine A/D-Wandler-Selbstdiagnosefunktion zur Sicherung der Zuverlässigkeit von Leistungsmessungen, MPU (Memory Protection Unit) zur Unterscheidung der sicherheitsrelevanten von nicht sicherheitsrelevanten Routinen, schreibgeschützte Register zur Vermeidung von falschen Benutzungen während der Programmausführung, ein unabhängiger Window-Watchdog-Timer zur Sicherung einer sicheren Programmausführung und eine Ausgangs-Konsistenzüberprüfung der Ports zur Erkennung externer Kurzschlüsse.

Renesas hat Selbsttest-Routinen für die RX600-Familie entwickelt, die das VDE-Institut als konform gemäß den IEC-60730-Bestimmungen zertifiziert hat. Der Quellcode dieser Routinen ist gratis auf der Renesas-Website erhältlich.

Ansteuerung vieler Induktionsspulen

Wie bereits erwähnt, müssen in professionellen Herden viele Spulen für Freikochzonen angesteuert werden. Die RX63T-Familie eignet sich für die Anforderungen aller Topologien und kann bis zu 28 Spulen mit den erforderlichen PWM-Signalen ansteuern.

Die gleiche 32-Bit-Mikrocontroller-Architektur bietet mit Gehäusen von 48 bis 144 Pins und Flashspeicher von 32 bis 512 kByte ein hohes Maß an Skalierbarkeit. Darüber hinaus kann die gleiche Werkzeugpalette genutzt werden, um zahlreiche Projekte beginnend bei einer kleinen Anzahl an Spulen bis hin zu professionellen Induktionsherden mit zahlreichen Spulen zu entwickeln.