Wie funktioniert ein Induktionsherd?

Obwohl es die zugrundeliegende Technik bereits seit ungefähr 100 Jahren gibt, erregen Induktionsherde erst seit einigen Jahren vermehrte Aufmerksamkeit. Inzwischen sind Induktionsherdplatten im privaten wie im kommerziellen Bereich recht populär. Auf dem Gebiet des Kochens gelten sie als eine der maßgeblichen technologischen Innovationen.

Eine sichere Technik

Das Induktionskochen ist eine Variante des elektrischen Kochens, bei dem das Kochgeschirr mithilfe von Magnetspulen erwärmt wird. Das Elegante an dieser Technik ist, dass die Kochfläche kühl bleibt, da die Wärme direkt im Kochgeschirr erzeugt wird. Verglichen mit anderen, konventionellen Methoden ist das Induktionskochen daher schnell und überaus energieeffizient – abgesehen davon, dass es ohne offenes Feuer auskommt und somit auch sicherer ist.

Bild 1: Das Funktionsprinzip der Induktionsherdplatte beruht auf der elektromagnetischen Induktion. ST Microelectronics

Beim Induktionskochen wird die Wärme unmittelbar im Kochgeschirr erzeugt, und zwar durch elektromagnetische Induktion und der daraus resultierenden Erzeugung von Wirbelströmen. Das Prinzip der elektromagnetischen Induktion wurde bereits 1831 von Michael Faraday entdeckt. Es handelt sich dabei um das Phänomen, dass in einem Stromkreis ein elektrischer Strom erzeugt wird, wenn in einem benachbarten Stromkreis ein sich ändernder Strom fließt.

Beim Induktionskochen wird ferromagnetisches Kochgeschirr auf die aus Keramik oder Glas bestehende Kochfläche gestellt. Unter der Kochfläche befindet sich eine Resonanzspule (Bild 1). Die Induktionsherdplatte und das darauf befindliche Kochgeschirr sind im Prinzip nichts anderes als ein Transformator, bei dem das Kochgeschirr die Rolle einer kurzgeschlossenen Sekundärspule (Last) spielt. Ein Wechselstrom wird durch die Resonanzspule geschickt und erzeugt so ein oszillierendes Magnetfeld, das wiederum elektrische Ströme im Kochgeschirr erzeugt.

Induktionsherdplatten funktionieren ausschließlich mit Kochgeschirr aus Materialien, die ganz bestimmte Eigenschaften besitzen. Damit es zu einer Erwärmung durch das Magnetfeld kommt, muss der verwendete Topf aus einem ferromagnetischen Werkstoff wie etwa rostfreiem Stahl oder Eisen bestehen.

Kein Energieverbrauch ohne Kochgeschirr

Bild 2: Hartes und weiches Schalten im Vergleich. ST Microelectronics

Eine Induktionsherdplatte verbraucht nur dann Energie, wenn sich Kochgeschirr auf ihr befindet. Anders als eine Gasflamme oder ein konventioneller Elektroherd kann eine Induktionsherdplatte für sich selbst keine Wärme erzeugen. Ist eine Induktionsherdplatte eingeschaltet, wenn sich kein Kochgeschirr auf ihr befindet, oder bleibt sie nach dem Entfernen des Kochtopfs eingeschaltet, ist es für die Resonanzspule so, als sei keine Last vorhanden, und dementsprechend kommt es zu keiner Energieübertragung. Ohne aufgesetztes Kochgeschirr wechselt eine Induktionsherdplatte in den Schlafmodus, in dem sie nur eine geringe Standby-Verlustleistung von weniger als einem Watt aufnimmt.

Resonanzwandler-Technik für das Induktionskochen

Halbleiterbausteine kommen als Schaltelemente in unterschiedlichen Leistungswandlern zum Einsatz. In Induktionsherden sind dies IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors). Um die Schaltverluste zu minimieren, werden „weich“ schaltende Techniken gegenüber „hart“ schaltenden Lösungen bevorzugt (Bild 2). Beim weichen Schalten wird der Strom oder die Spannung so manipuliert, dass im Moment des Schaltens ein Nulldurchgang vorliegt. Dementsprechend werden diese Verfahren in zwei Methoden unterteilt, nämlich das Zero Voltage Switching (ZVS), also das Schalten im Spannungs-Nulldurchgang, und das Zero Current Switching (ZCS), das Schalten im Strom-Nulldurchgang.

ZVS und ZCS haben ihre spezifischen Vor- und Nachteile und eignen sich für unterschiedliche Anwendungsfälle. Ein Nulldurchgang des Stroms oder der Spannung im geschalteten Stromkreis lässt sich mithilfe der Resonanz in einer LC-Schaltung herbeiführen. Wandler dieser Art werden als Resonanzwandler bezeichnet. Für Induktionsherdplatten kommen hauptsächlich zwei Resonanzwandler-Topologien zum Einsatz:

• Quasiresonanz-Wandler
• Halbbrücken-Resonanzwandler

Ansteuer-Algorithmen einer Induktionsherdplatte

Bild 3: Blockschaltbild der Induktionsherdplatte auf Basis der Quasiresonanz-Topologie. ST Microelectronics

Eine Induktionsherdplatte funktioniert also nach dem Prinzip eines LC-Resonanzwandlers. Die Resonanzfrequenz hängt dabei nicht allein vom Resonanzschwingkreis ab, sondern auch von Größe und Material des Kochgeschirrs, sodass die Resonanzfrequenz entsprechend wechselt. Um die an das Kochgeschirr übertragene Leistung zu kontrollieren, werden die eingangsseitige Netzspannung und der Stromfluss im IGBT durch einen Mikrocontroller überwacht und die Schaltfrequenz entsprechend angepasst.

Auf Basis der Quasiresonanz-Topologie

Bild 4: Ansicht der serienreifen Quasiresonanz-Induktionsherdplatte mit 1800 W Leistung. ST Microelectronics

Ein Induktionsherdplatten-System auf Basis der Quasiresonanz-Topologie mit einer Leistung von 1,8 kW wurde mit einem Trench-Gate/Field-Stop-IGBT des Typs STGWT20IH125DF aus der IH-Serie für 1250 V und 20 A sowie einem 8-Bit-Mikrocontroller STM8S003F3 aus der Value Line von ST Microelectronics bis zur Serienreife entwickelt. Das System ist mit umfassenden Sicherheitsmechanismen ausgestattet, um mit Spannungsspitzen und ungeeignetem Kochgeschirr zurechtzukommen. Bild 3 zeigt ein Blockschaltbild des Systems, während in Bild 4 die Platinen und die Ansicht der Kochplatte von unten zu sehen sind.

Auf Basis der Halbbrücken-Topologie

Bild 5: Blockschaltbild der Induktionsherdplatte auf Basis der Halbbrücken-Topologie. ST Microelectronics

Ein Evaluation-Board für ein Halbbrücken-Induktionsherdsystem mit einer Leistung von 3,5 kW wurde mit dem STGW40H65DFB, einem schnellen 650 V/40 A Trench-Gate/Field-Stop-IGBT der HB-Serie, dem L6491, einem für hohe Spannungen geeigneten 4 A High- und Low-Side-Gate-Treiber, und dem 32-Bit-Mikrocontroller STM32F072 von ST Microelectronics entwickelt. Auch dieses System verfügt über umfassende Sicherheitsmechanismen, um Spannungsspitzen und ungeeignetes Kochgeschirr zu verkraften. Bild 5 zeigt das Blockschaltbild dieses Systems, Bild 6

Bild 6: Evaluation-Board für ein Halbbrücken-Induktionskochfeld mit 3500 W Leistung. ST Microelectronics

die Leiterplatte.

(ah)