Non-Resonant Inverter Topologies for Domestic Induction Heating Systems

Induktionsherde erzeugen die Wärme direkt im Kochgeschirr, was im Vergleich zu anderen Herdarten zu kürzeren Ankochzeiten und einem höheren Wirkungsgrad führt. Das hierfür erforderliche magnetische Wechselfeld wird von einer Induktionsspule erzeugt, die wiederum von einem Wechselrichter gespeist wird. Üblicherweise kommen dabei resonante Wechselrichtertopologien zum Einsatz, die jedoch zwei zentrale Herausforderungen mit sich bringen.

Da die am Wechselrichterausgang wirksame Impedanz in der Nähe der Resonanzstelle im Wesentlichen nur durch den ohmschen Ersatzwiderstand der Schaltung begrenzt ist, kann der Strom durch den Wechselrichter unzulässig hohe Werte annehmen, wenn das Kochgeschirr abrupt vom Herd genommen wird und die Topferkennung nicht schnell genug reagiert.
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Darüber hinaus lässt sich aufgrund der Resonanzeigenschaften des Wechselrichters keine kontinuierliche Leistungssteuerung über den gesamten Betriebsbereich allein durch Anwendung eines einzelnen Modulationsschemas realisieren. Im kleinen Leistungsbereich wird daher entweder der Tastgrad der Transistoren angepasst oder eine Pulsdichtemodulation eingesetzt, was zu erhöhten Verlusten oder einer pulsierenden Leistungsübertragung auf das Kochgeschirr führt. Für bestimmte Kochprozesse, beispielsweise das Schmelzen von Butter oder Schokolade, ist dieses Verhalten nachteilig, da es zum Anbrennen der Lebensmittel führen kann.

Nichtresonante Wechselrichtertopologien stellen eine mögliche Lösung für diese Probleme dar, da sie aufgrund der wirksamen Induktivität der Induktionsspule robuster gegenüber abrupten Lastwechseln sind und zudem zusätzliche Freiheitsgrade bei der Modulation der Ausgangsspannung bieten.

In dieser Arbeit werden daher verschiedene nichtresonante Wechselrichtertopologien für den Einsatz in Induktionsherden mit definierten Kochzonen sowie für Flächenkochsysteme untersucht. Zunächst wird das elektromagnetische Teilsystem betrachtet und eine neue Methode zur Parameteridentifikation vorgestellt, die es ermöglicht, die durch das Induktionskochgeschirr verursachten Modellierungsungenauigkeiten zu reduzieren.

Aufbauend auf diesen Ergebnissen werden anschließend Wechselrichtertopologien für definierte Kochzonen analysiert und geeignete Strategien zur Leistungssteuerung abgeleitet, die eine stufenlose Leistungssteuerung bis hinunter zu $0\,\textrm{W}$ ermöglichen. Diese Ergebnisse werden mithilfe von Hardwareprototypen, die mit Galliumnitrid- und Siliziumkarbidhalbleitern bestückt sind, messtechnisch verifiziert. Es wird gezeigt, dass die nichtresonanten Wechselrichtertopologien im Vergleich zu einem resonanten Halbbrückenwechselrichter ($98,8\,\%$) einen geringfügig niedrigeren Spitzenwirkungsgrad von $98\,\%$ beziehungsweise $98,5\,\%$ erreichen, wobei über einen weiten Betriebsbereich das spannungslose Einschalten der Transistoren gewährleistet ist.

Weiterhin werden zwei neuartige Wechselrichtertopologien für den Einsatz in Flächenkochsystemen untersucht. Dabei wird gezeigt, dass die Leistungsübertragung an unterschiedliche Töpfe unabhängig voneinander möglich ist, obwohl die einzelnen Spulen über einen gemeinsamen Knoten miteinander verschaltet sind. Die maximale Flächenleistungsdichte einer einzelnen Spule erreicht dabei einen Wert von $15,6\,\textrm{W/cm}^2$ bezogen auf die Spulenoberfläche.

In comparison to other cooktops, induction heating cooktops generate the heat directly in the cookware, which results in faster heating times and higher efficiency. The magnetic alternating field required for this is generated by an induction coil, which in turn is powered by an inverter. Resonant inverter topologies are commonly employed for this purpose. However, they introduce two significant challenges.

Since the effective impedance at the inverter output near the resonance frequency is limited only by the circuit’s ohmic equivalent resistance, the current through the inverter can reach undesirable high values if the cookware is abruptly removed from the cooktop and the pot detection does not respond quickly enough.
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Moreover, due to the resonant characteristic of the inverter, continuous power control cannot be achieved across the entire power range solely by applying a single modulation scheme. At low power levels, either the transistor duty cycle is adjusted or pulse density modulation is applied, which can lead to increased losses or a pulsating power transfer to the cookware. For certain cooking processes, such as melting butter or chocolate, this behavior is disadvantageous, as it may cause the food to burn.

Non-resonant inverter topologies offer a potential solution to these problems, as they are more robust against abrupt load changes due to the effective inductance of the induction coil and additionally provide greater degrees of freedom in modulating the output voltage.

Therefore, this work investigates different non-resonant inverter topologies for use in zone-controlled induction heating systems as well as for use in flexible cooking surfaces. First, the electromagnetic subsystem is analyzed and a novel parameter identification method is introduced, which allows the modeling inaccuracies caused by the induction cookware to be reduced.

Based on these results, inverter topologies for use in zone-controlled induction heating systems are analyzed, and suitable power control schemes are derived, enabling seamless power control down to $0\,\textrm{W}$. These results are experimentally verified using hardware prototypes equipped with gallium nitride and silicon carbide semiconductors. It is shown that the non-resonant topologies reach a marginally smaller peak efficiency of $98\,\%$ and $98.5\,\%$ in comparison to a conventional resonant half-bridge inverter ($98.8\,\%$), while enabling zero-voltage switching over a wide operational range.

Furthermore, two novel inverter topologies for use in flexible cooking surfaces are investigated. It is demonstrated that power transfer to different pots is possible independently, even though the individual inductors share a common node. For both topologies, the maximum surface power density of a single inductor reaches up to $15.6\,\textrm{W/cm}^2$ relative to the inductor surface area.