Una sartén, cortada por la mitad, se encuentra sobre una placa de cocina con un huevo cuidadosamente roto en su centro. La mitad que está en la sartén tiene una clara perfectamente cocida y brillante, mientras que la mitad restante está clara y sin cocer. Es una imagen impactante que deja bien claro que las placas de inducción son mucho más eficientes que otras tecnologías de cocción. El mensaje: el calentamiento por inducción coloca la energía donde se necesita.

La industria de los semiconductores ha respondido a la demanda de aparatos de calentamiento por inducción afinando y mejorando continuamente la tecnología de conmutación necesaria para su óptima implementación. Así, la tecnología de inducción suele aparecer también en las ollas arroceras, los espumadores de leche y las placas de cocción.

Cómo abordar la inducción en las aplicaciones de calentamiento

Los principios del transformador común son la base de las aplicaciones de calentamiento por inducción. Sin embargo, mientras que un transformador induce una corriente en una bobina secundaria a partir de una bobina primaria, un calentador de inducción utiliza la bobina primaria para inducir la corriente en el propio recipiente de cocción. Esto asegura que el efecto de calentamiento resultante se concentra precisamente donde se necesita. Las corrientes de Foucault que se inducen en el material del recipiente de cocción son las que producen el efecto de calentamiento que se conoce como calentamiento Joule. Los recipientes de materiales magnéticos, como el acero inoxidable y el hierro, ofrecen una gran resistencia, mientras que los materiales no magnéticos, como el aluminio y el cobre, ofrecen menos resistencia.

Debido a las altas frecuencias utilizadas, la corriente en la bobina primaria fluye principalmente en la superficie del conductor, una propiedad conocida como efecto piel. Las bobinas de calentamiento por inducción utilizan un tipo especial de hilo de cobre, conocido como hilo litz, que está formado por muchos hilos finos individuales. Esto tiene el efecto de aumentar la superficie de la bobina, reduciendo así la resistencia a la corriente alterna.

Opciones de topología y sus funciones

Hay varios enfoques para la elección de la topología pero, debido a la presión del precio en muchos de los mercados a los que se dirigen estas aplicaciones, el circuito de resonancia paralela de un solo extremo (SEPR) es una opción común (figura 1). Esta topología de conmutación suave utiliza una red de tanque resonante formada por un condensador, Cr, y la bobina de litz, Lr. Un IGBT, que funciona en condiciones de conmutación a tensión cero (ZVS), junto con un diodo en paralelo, completan el diseño. En lugar de implementar un enfoque discreto, el diodo suele estar integrado en el IGBT, con las características del diodo optimizadas para las necesidades de este tipo de circuito. Las frecuencias de conmutación de 20 a 30 kHz garantizan que cualquier ruido esté fuera del rango audible, lo que hace que este circuito sea adecuado para los utensilios de cocina magnéticos. También pueden utilizarse frecuencias más altas como parte de una función de arranque suave.

Figura 1: Un circuito de resonancia paralela de un solo extremo (SEPR) se utiliza normalmente para circuitos resonantes de tensión.

El funcionamiento del circuito de resonancia de tensión se desglosa en cuatro periodos de tiempo (figura 3) y es aplicable para el caso de que se haya completado el proceso de puesta en marcha (es decir, Cr está totalmente cargado):

1. T1 – El ciclo comienza con el encendido de Q1, permitiendo que la corriente fluya desde Cm a través de Lr y Q1 y haciendo que la corriente que fluye aumente linealmente hasta alcanzar el nivel deseado. Durante este tiempo, la tensión a través de Cr está sujeta a la tensión a través de Cm.

2. T2 – A continuación, Q1 se apaga, haciendo que Lr y Cr entren en resonancia. El pico de tensión de resonancia alcanzado aumenta proporcionalmente al tiempo de conexión T1.

3. T3 – El flujo de corriente de resonancia cambia de dirección, haciendo que la tensión sobre Cr disminuya.

4. T4 – La polaridad de la tensión a través de Cr ahora se invierte. Cuando supera la tensión a través de Cm, la corriente comienza a fluir a través del diodo llevando la polaridad y la tensión de Cr de nuevo a la de Cm.

Figura 2: Las cuatro fases de funcionamiento en un diseño de resonancia de tensión SEPR.

El valor nominal del IGBT dependerá del pico de tensión que vea Q1, que para suministros de 100 VAC requerirá un valor nominal VCES de entre 900 y 1200 V, o de 1350 a 1800 V para suministros de 220 VAC.

A medida que aumentan los requisitos de potencia, se suele utilizar un enfoque de resonancia de corriente de medio puente que utiliza dos IGBT con diodos integrados (figura 3). Estos diseños también pueden soportar el uso de «todo metal», donde las frecuencias de conmutación de 80 a 100 kHz pueden incluso soportar el uso de recipientes de cocción no magnéticos. El circuito resonante se implementa como una construcción LC o LCR en serie.

Figura 3: Circuito de medio puente del calentador de inducción con LC en serie resonante en corriente.

El funcionamiento de este circuito también puede describirse en cuatro fases (figura 4), una vez completado el proceso de puesta en marcha, de la siguiente manera:

1. T1 – El interruptor superior, Q1, se enciende, dando lugar a una corriente que fluye desde el condensador, Cm, hacia el circuito de corriente de resonancia Cr-Lr.

2. T2 – El interruptor Q1 se apaga, dejando que Cr se cargue debido a la corriente que fluye desde Lr a través del diodo del interruptor inferior.

3. T3 – El interruptor Q2 se enciende, permitiendo que una corriente de resonancia fluya desde Cr a través de Q2 y hacia Lr. En este punto, la VCE de Q2 está sujeta a la tensión de avance del diodo paralelo (o integrado), permitiendo así una ZVS.

4. T4 – El interruptor Q2 se apaga, permitiendo que una corriente libre fluya desde Lr a través de Cr, el diodo paralelo a Q1, y Cm. En este punto, la VCE de Q1 se sujeta de forma similar a la tensión de avance del diodo paralelo (o integrado), permitiendo ZVS para la siguiente fase, T1.

Figura 4: Las cuatro fases de funcionamiento en un diseño de resonancia de corriente de medio puente.

Como resultado, las tensiones de pico se limitan a la suma de la tensión de entrada de CA de pico, lo que permite especificar los IGBT con un VCES de 600 a 650 V para entradas de 220 VCA. Las corrientes más altas implicadas excluyen el uso de este diseño con entradas de 100 VAC.

Selección de IBGT adecuados para su uso en aparatos de calentamiento por inducción

Es evidente que la comprensión adecuada de las tensiones generadas a través de VCES es un factor crítico en la selección de IGBT. La tensión de accionamiento de la puerta, VGES, también necesita ser revisada. Normalmente se opera a 18 V para reducir las pérdidas de potencia en el IGBT. Sin embargo, las fluctuaciones de la red eléctrica en muchos mercados, a veces de hasta el 20%, hacen que los diseñadores deban asegurarse de que la hoja de datos indique un margen suficiente para estos parámetros. Los parámetros térmicos, como Rth(j-c), orientan sobre el concepto de refrigeración necesario, mientras que deben realizarse pruebas de compatibilidad electromagnética (EMC), especialmente la desconexión a frecuencias de prueba más bajas.

Otro aspecto crítico que debe revisarse es el valor nominal de IC(sat), un parámetro que es relevante durante las corrientes de cortocircuito que fluyen para cargar Cr en el encendido inicial hasta que su tensión coincida con la de Cm. Por último, debe comprobarse la corriente de colector máxima admisible, VCE, para diferentes anchos de pulso.

Los IGBTs de tipo Punch-through (PT) son el dispositivo preferido en este tipo de aplicaciones, ya que admiten frecuencias de conmutación más altas que los tipos no PT del pasado. Los últimos avances han adelgazado la capa del colector P para crear estructuras conocidas como IGBT de parada de campo (FS). Esto permite la creación de una capa N para permitir un diodo de cuerpo conductor inverso (RC), dando lugar a los IGBT RC. Con una corriente de cola reducida, son muy adecuados para los circuitos de conmutación suave. El último RC-IGBT de Toshiba, el GT20N135SRA, es una nueva generación de dispositivos con soporte para 20 A @ 100°C y 1350 V. Esto es ideal para aplicaciones de calentamiento por inducción alimentadas a 220 VAC para aparatos de 2200 W de capacidad media.

En comparación con los dispositivos de la generación anterior, la corriente de cortocircuito, IC(sat), está limitada a unos 150 A a 100°C. Durante la fase de arranque del circuito, al cargarse el Cr, esto ayuda a reducir la corriente de saturación del colector y a suprimir la oscilación de la tensión (figura 5). El FBSOA más amplio también significa que pueden fluir corrientes más altas, pero esto debe equilibrarse con algunas de las pérdidas que se convierten en calor. El GT20N135SRA tiene un Rth(j-c) máximo de 0,48 °C/W, por lo que, suponiendo que el IGBT necesite disipar 35W en una implementación de un aparato, la temperatura de la caja de conexiones sería unos 6°C inferior a la de los dispositivos de la generación anterior (GT40RR21 – 0,65 °C/W).

Figura 5: La saturación del colector en cortocircuito cuando el Cr no está cargado ha mejorado significativamente en el GT20N135SRA (derecha) en comparación con la generación anterior de IGBTs (izquierda) y da lugar a una reducción de la oscilación (círculo rojo)

La capa N mejorada también ha supuesto una reducción de la tensión de avance, VF, de 0.5 V en comparación con los dispositivos de la generación anterior. Con un valor típico de 1,75 V a 25°C definido, esto reduce las pérdidas y mejora la eficiencia. El funcionamiento de apagado de los IGBT puede hacer que sea difícil cumplir la norma CISPR, ya que requiere una resistencia en la ruta de la puerta para reducir la velocidad de conmutación. Sin embargo, esto se traduce en un aumento de las pérdidas. Ahora se consiguen unos 10 dB más de margen a 30 MHz sin dicha resistencia en la misma aplicación de sobremesa con el GT20N135SRA, proporcionando una mejor compensación entre las emisiones radiadas y la disipación de energía (figura 6).

Figura 6: Una desconexión mejorada da como resultado 10dB más de margen CISPR a 30 MHz para el mismo aparato.

Resumen

Aunque los aparatos de calefacción por inducción proporcionan más eficiencia y mejor control en comparación con muchas tecnologías alternativas, la carga recae en el ingeniero de diseño para hacer frente a la complejidad de la electrónica de control para implementarlos. La industria de los semiconductores ha respondido con dispositivos de conmutación IGBT que, a lo largo de varias generaciones, han seguido mejorando las características críticas para un rendimiento óptimo, desde la disipación de calor y la compatibilidad electromagnética, hasta la capacidad de tensión y corriente y la mejora del diodo de cuerpo conductor inverso.

El GT20N135SRA, la última generación de RC-IGBT de Toshiba, facilita la salida al mercado de productos que cumplen las pruebas de emisiones radiadas, a la vez que son más eficientes. Aunque está optimizado para aplicaciones de resonancia de corriente de 220 VAC, los futuros productos se ampliarán para cubrir las necesidades de mayor corriente de los recipientes de cocina más grandes y los voltajes más altos que se producen en los aparatos de 100 VAC.