Pánev rozříznutá napůl leží na varné desce a do jejího středu je opatrně rozbito vejce. Polovina na pánvi má dokonale propečený, lesklý bílek, zatímco zbývající polovina je čirá a nepropečená. Je to působivý obrázek, který jasně ukazuje, o kolik jsou indukční varné desky účinnější než alternativní technologie varných spotřebičů. Poselství: indukční ohřev umisťuje energii tam, kde je jí zapotřebí.

Polovodičový průmysl reagoval na poptávku po indukčních ohřívacích spotřebičích neustálým laděním a zdokonalováním spínací technologie potřebné pro jejich optimální realizaci. Indukční technologie se tak běžně objevuje i v rýžovarech, napěňovačích mléka a varných deskách.

Řešení indukce v aplikacích vytápění

Základem aplikací indukčního vytápění jsou principy běžného transformátoru. Zatímco však transformátor indukuje proud v sekundární cívce z cívky primární, indukční ohřívač využívá primární cívku k indukci proudu v samotné varné nádobě. Tím je zajištěno, že výsledný tepelný účinek je soustředěn přesně tam, kde je potřeba. Právě vířivé proudy, které se indukují v materiálu varné nádoby, vedou k ohřevu, který je známý jako Jouleův ohřev. Vysoký odpor mají nádoby vyrobené z magnetických materiálů, jako je nerezová ocel a železo, zatímco nemagnetické materiály, jako je hliník a měď, kladou menší odpor.

Vzhledem k použitým vysokým frekvencím protéká proud v primární cívce převážně povrchem vodiče, což je vlastnost známá jako skin efekt. Indukční topné cívky využívají speciální typ měděného drátu, známý jako litzový drát, který se skládá z mnoha tenkých jednotlivých vláken. To má za následek zvětšení povrchu cívky, čímž se sníží odpor střídavého proudu.

Volba topologie a její funkce

Existuje několik přístupů k volbě topologie, ale vzhledem k cenovému tlaku na mnoha trzích, na které jsou tyto aplikace zaměřeny, je běžnou volbou obvod SEPR (Single-Ended Parallel Resonance) (obr. 1). Tato měkká spínací topologie využívá síť rezonanční nádrže, která se skládá z kondenzátoru Cr a litzové cívky Lr. Konstrukci doplňuje IGBT pracující v podmínkách nulového spínání (ZVS) spolu s paralelní diodou. Namísto diskrétního přístupu je dioda obvykle integrována do IGBT, přičemž vlastnosti diody jsou optimalizovány pro potřeby tohoto typu obvodu. Spínací frekvence 20 – 30 kHz zajišťují, že jakýkoli šum je mimo slyšitelný rozsah, takže tento obvod je vhodný pro magnetické nádobí. Jako součást funkce měkkého startu lze použít i vyšší frekvence.

Obrázek 1: Pro napěťově rezonanční obvody se typicky používá obvod SEPR (single ended parallel resonance).

Provoz napěťově rezonančního obvodu je rozdělen do čtyř časových úseků (obr. 3) a platí pro případ, že byl dokončen proces spouštění (tj. Cr je plně nabitý):

1. T1 – Cyklus začíná zapnutím Q1, což umožní průchod proudu z Cm přes Lr a Q1 a způsobí lineární nárůst protékajícího proudu, dokud nedosáhne požadované úrovně. Během této doby je napětí na Cr sevřeno na napětí na Cm.

2. T2 – Dále se Q1 vypne, což způsobí, že Lr a Cr přejdou do rezonance. Dosažené špičkové rezonanční napětí se zvyšuje úměrně době zapnutí T1.

3. T3 – Tok rezonančního proudu mění směr, což způsobuje pokles napětí na Cr.

4. T4 – Polarita napětí na Cr se nyní obrací. Když překročí napětí na Cm, začne diodou protékat proud, který přivede polaritu a napětí na Cr zpět k polaritě a napětí na Cm.

Obrázek 2: Čtyři fáze činnosti v napěťově rezonančním provedení SEPR.

Jmenovitá hodnota IGBT bude záviset na napěťové špičce, kterou Q1 vidí, což pro napájení 100 V AC bude vyžadovat jmenovitou hodnotu VCES mezi 900 a 1200 V nebo 1350 až 1800 V pro napájení 220 V AC.

S rostoucími požadavky na výkon se obvykle používá polomůstková proudová rezonance s použitím dvou IGBT s integrovanými diodami (obr. 3). Takové konstrukce mohou také podporovat použití „všech kovů“, kdy spínací frekvence 80 až 100 kHz mohou podporovat i použití nemagnetických varných nádob. Rezonanční obvod je realizován jako sériová LC nebo LCR konstrukce.

Obrázek 3: Obvod polomostu indukčního ohřívače s proudově rezonančním sériovým LC.

Provoz tohoto obvodu lze také popsat ve čtyřech fázích (obr. 4), a to po dokončení procesu uvedení do provozu takto:

1. T1 – Horní spínač Q1 je sepnut, v důsledku čehož teče proud z kondenzátoru Cm do rezonančního proudového obvodu Cr-Lr.

2. T2 – Spínač Q1 se vypne, čímž se Cr nabíjí v důsledku proudu tekoucího z Lr přes diodu spodního spínače.

3. T3 – Spínač Q2 se zapne, čímž z Cr přes Q2 do Lr teče rezonanční proud. V tomto okamžiku je VCE Q2 sevřeno na dopředném napětí paralelní (nebo integrované) diody, čímž je umožněno ZVS.

4. T4 – Spínač Q2 je vypnut, což umožňuje průtok volného proudu z Lr přes Cr, diodu paralelní s Q1 a Cm. V tomto okamžiku je VCE Q1 podobně sevřeno na dopředné napětí paralelní (nebo integrované) diody, což umožňuje ZVS pro další fázi, T1.

Obrázek 4: Čtyři fáze provozu v polomostovém proudově-rezonančním provedení.

V důsledku toho jsou špičková napětí omezena na součet špičkových střídavých vstupních napětí, což umožňuje specifikovat IGBT s VCES 600 až 650 V pro vstupy 220 V AC. Vyšší příslušné proudy vylučují použití této konstrukce se vstupy 100 V AC.

Výběr vhodných IBGT pro použití v indukčních topných zařízeních

Je zřejmé, že rozhodujícím faktorem při výběru IGBT je odpovídající pochopení pro napětí generovaná na VCES. Je třeba přezkoumat také napětí pohonu hradla, VGES. To se obvykle provozuje při napětí 18 V, aby se snížily ztráty výkonu v IGBT. Kolísání napájecí sítě na mnoha trzích, někdy až o 20 %, však znamená, že konstruktéři budou muset zajistit, aby datový list uváděl dostatečnou rezervu pro tyto parametry. Tepelné parametry, jako je Rth(j-c), poskytují vodítko pro požadovanou koncepci chlazení, zatímco by měly být provedeny testy elektromagnetické kompatibility (EMC), zejména vypínání při nižších testovacích frekvencích.

Dalším kritickým aspektem, který je třeba přezkoumat, je jmenovitá hodnota IC(sat), parametr, který je důležitý během zkratových proudů, které tečou k nabíjení Cr při počátečním zapnutí, dokud se jeho napětí nevyrovná napětí na Cm. Nakonec je třeba zkontrolovat maximální přípustný kolektorový proud VCE (forward-biased safe operating area, FBSOA) pro různé šířky pulzů.

Průchozí (PT) IGBT jsou v takových aplikacích zařízením volby, které podporuje vyšší spínací frekvence než typy bez PT z minulosti. Nejnovější pokroky ztenčily kolektorovou vrstvu P a vytvořily struktury známé jako IGBT s polním dorazem (FS). To umožňuje vytvoření vrstvy N, která umožňuje vytvoření diody s tělesem se zpětnou vodivostí (RC), což vede ke vzniku RC-IGBT. Díky sníženému zadnímu proudu jsou vhodné pro měkké spínací obvody. Nejnovější RC-IGBT Toshiba, GT20N135SRA, je zařízení nové generace s podporou proudu 20 A při 100 °C a napětí 1350 V. To je ideální pro aplikace indukčního ohřevu napájené střídavým napětím 220 V pro středně výkonné spotřebiče s výkonem 2200 W.

V porovnání se zařízeními předchozí generace je zkratový proud, IC(sat), omezen na přibližně 150 A při 100°C. Během náběhové fáze obvodu, kdy se Cr nabíjí, to pomáhá snížit saturační proud kolektoru a potlačit oscilace napětí (obr. 5). Širší FBSOA také znamená, že mohou téci vyšší proudy, ale to musí být vyváženo tím, že se část ztrát přemění na teplo. GT20N135SRA má maximální Rth(j-c) 0,48 °C/W, takže za předpokladu, že IGBT musí v provedení pro spotřebiče odvést 35 W, bude teplota junkční skříně přibližně o 6 °C nižší než u zařízení předchozí generace (GT40RR21 – 0,65 °C/W).

Obrázek 5: Saturace kolektoru nakrátko, když se Cr nenabíjí, je u GT20N135SRA (vpravo) ve srovnání s předchozí generací IGBT (vlevo) výrazně lepší a vede ke snížení oscilací (červený kroužek)

Zlepšená vrstva N přinesla také snížení dopředného napětí, VF, o 0.5 V ve srovnání s předchozí generací zařízení. Při definované typické hodnotě 1,75 V při 25 °C se tak snižují ztráty a zvyšuje účinnost. Provoz IGBT při vypínání může být náročný na splnění normy CISPR, protože vyžaduje rezistor v cestě hradla, který zpomaluje rychlost spínání. To však vede ke zvýšení ztrát. Bez takového rezistoru je nyní ve stejné stolní aplikaci s GT20N135SRA dosaženo přibližně o 10 dB větší rezervy při 30 MHz, což poskytuje lepší kompromis mezi vyzařovanými emisemi a rozptýleným výkonem (obr. 6).

Obrázek 6: Zlepšené vypínání má za následek o 10 dB větší rezervu CISPR při 30 MHz pro stejný spotřebič.

Shrnutí

Ačkoli indukční ohřívací spotřebiče poskytují vyšší účinnost a lepší regulaci ve srovnání s mnoha alternativními technologiemi, na konstruktérovi leží břemeno vypořádat se se složitostí řídicí elektroniky pro jejich realizaci. Polovodičový průmysl na to reagoval spínacími přístroji IGBT, které v průběhu několika generací neustále zlepšovaly vlastnosti, jež jsou rozhodující pro optimální výkon, od odvodu tepla a EMC, přes napěťové a proudové schopnosti až po vylepšené diody se zpětně vodivým tělesem.

GT20N135SRA, nejnovější generace RC-IGBT společnosti Toshiba, usnadňuje uvádění výrobků na trh, které splňují testy vyzařovaných emisí a zároveň jsou účinnější. Ačkoli je optimalizován pro aplikace s rezonančním proudem 220 V AC, budoucí produkty se rozšíří tak, aby pokryly potřeby většího proudu u větších varných nádob a vyššího napětí, které se vyskytuje u spotřebičů 100 V AC.