Une poêle, coupée en deux, est posée sur une plaque de cuisson avec un œuf soigneusement cassé en son centre. La moitié sur la poêle a un blanc parfaitement cuit et scintillant, tandis que l’autre moitié est claire et non cuite. C’est une image puissante qui montre clairement à quel point les plaques à induction sont plus efficaces que les autres technologies d’appareils de cuisson. Le message : le chauffage par induction place l’énergie là où elle est nécessaire.

L’industrie des semi-conducteurs a répondu à la demande d’appareils de chauffage par induction en réglant et en améliorant continuellement la technologie de commutation nécessaire à sa mise en œuvre optimale. Ainsi, la technologie de l’induction apparaît couramment aussi dans les cuiseurs à riz, les mousseurs à lait et les plaques chauffantes.

S’attaquer à l’induction dans les applications de chauffage

Ce sont les principes du transformateur commun qui constituent la base des applications de chauffage par induction. Cependant, alors qu’un transformateur induit un courant dans une bobine secondaire à partir d’une bobine primaire, un chauffage par induction utilise la bobine primaire pour induire un courant dans le récipient de cuisson lui-même. Cela garantit que l’effet de chauffage résultant est concentré précisément là où il est nécessaire. Ce sont les courants de Foucault induits dans le matériau du récipient de cuisson qui produisent l’effet de chauffage connu sous le nom de chauffage par effet Joule. Une résistance élevée est offerte par les récipients en matériaux magnétiques tels que l’acier inoxydable et le fer, tandis que les matériaux non magnétiques, comme l’aluminium et le cuivre, offrent une résistance moindre.

En raison des hautes fréquences utilisées, le courant dans la bobine primaire circule principalement dans la surface du conducteur, une propriété connue sous le nom d’effet de peau. Les bobines de chauffage par induction utilisent un type spécial de fil de cuivre, appelé fil de litz, qui est constitué de nombreux brins individuels fins. Cela a pour effet d’augmenter la surface de la bobine, réduisant ainsi la résistance en courant alternatif.

Les choix de topologie et leurs fonctions

Il existe plusieurs approches pour le choix de la topologie mais, en raison de la pression sur les prix dans de nombreux marchés visés par ces applications, le circuit à résonance parallèle à une extrémité (SEPR) est un choix courant (figure 1). Cette topologie à commutation douce utilise un réseau résonnant constitué d’un condensateur, Cr, et d’une bobine de litz, Lr. Un IGBT, fonctionnant dans des conditions de commutation à tension nulle (ZVS), ainsi qu’une diode parallèle, complètent la conception. Plutôt que de mettre en œuvre une approche discrète, la diode est généralement intégrée à l’IGBT, les caractéristiques de la diode étant optimisées en fonction des besoins de ce type de circuit. Les fréquences de commutation de 20 à 30 kHz garantissent que tout bruit est en dehors de la plage audible, ce qui rend ce circuit adapté aux ustensiles de cuisine magnétiques. Des fréquences plus élevées peuvent également être utilisées dans le cadre d’une fonction de démarrage progressif.

Figure 1 : Un circuit de résonance parallèle à simple extrémité (SEPR) est généralement utilisé pour les circuits résonants de tension.

Le fonctionnement du circuit résonnant en tension est décomposé en quatre périodes de temps (figure 3) et est applicable pour le cas où le processus de démarrage a été achevé (c’est-à-dire que Cr est complètement chargé) :

1. T1 – Le cycle commence par la mise sous tension de Q1, permettant au courant de circuler de Cm à travers Lr et Q1 et provoquant une augmentation linéaire du courant circulant jusqu’à ce qu’il atteigne le niveau souhaité. Pendant ce temps, la tension aux bornes de Cr est bloquée à la tension aux bornes de Cm.

2. T2 – Ensuite, Q1 est désactivé, ce qui fait que Lr et Cr entrent en résonance. La tension de crête de résonance atteinte augmente proportionnellement à la durée d’enclenchement T1.

3. T3 – Le flux de courant de résonance change de sens, ce qui entraîne une diminution de la tension aux bornes de Cr.

4. T4 – La polarité de la tension aux bornes de Cr s’inverse maintenant. Lorsqu’elle dépasse la tension aux bornes de Cm, le courant commence à circuler dans la diode ramenant la polarité et la tension de Cr à celle de Cm.

Figure 2 : Les quatre phases de fonctionnement dans une conception de résonance de tension SEPR.

La valeur nominale de l’IGBT dépendra du pic de tension que Q1 voit, ce qui, pour les alimentations de 100 VAC, nécessitera une valeur nominale VCES comprise entre 900 et 1200 V, ou 1350 à 1800 V pour les alimentations de 220 VAC.

Lorsque les besoins en puissance augmentent, une approche de résonance de courant en demi-pont utilisant deux IGBT avec des diodes intégrées est généralement utilisée (figure 3). De telles conceptions peuvent également supporter une utilisation  » tout métal « , où les fréquences de commutation de 80 à 100 kHz peuvent même supporter l’utilisation de récipients de cuisson non magnétiques. Le circuit résonnant est mis en œuvre comme une construction LC ou LCR en série.

Figure 3 : Circuit en demi-pont de chauffage par induction avec LC série résonnant en courant.

Le fonctionnement de ce circuit peut également être décrit en quatre phases (figure 4), une fois le processus de démarrage terminé, comme suit :

1. T1 – L’interrupteur supérieur, Q1, est mis sous tension, ce qui entraîne le passage d’un courant du condensateur, Cm, dans le circuit de courant de résonance Cr-Lr.

2. T2 – L’interrupteur Q1 se désactive, laissant Cr se charger en raison du courant circulant de Lr à travers la diode de l’interrupteur inférieur.

3. T3 – L’interrupteur Q2 est activé, permettant à un courant de résonance de circuler de Cr à travers Q2 et dans Lr. A ce stade, le VCE de Q2 est bloqué à la tension directe de la diode parallèle (ou intégrée), permettant ainsi un ZVS.

4. T4 – L’interrupteur Q2 est désactivé, permettant à un courant en roue libre de circuler de Lr à travers Cr, la diode parallèle à Q1, et Cm. À ce stade, la VCE de Q1 est pareillement bloquée à la tension directe de la diode parallèle (ou intégrée), permettant ZVS pour la phase suivante, T1.

Figure 4 : Les quatre phases de fonctionnement dans une conception de résonance de courant en demi-pont.

En conséquence, les tensions de crête sont limitées à la somme de la tension d’entrée alternative de crête, ce qui permet de spécifier des IGBT avec une VCES de 600 à 650 V pour des entrées de 220 VAC. Les courants plus élevés impliqués empêchent l’utilisation de cette conception avec des entrées de 100 VAC.

Sélection des IBGT appropriés pour une utilisation dans les appareils de chauffage par induction

Il est clair qu’une compréhension appropriée des tensions générées à travers les VCES est un facteur critique dans la sélection des IGBT. La tension de commande de grille, VGES, doit également être examinée. Elle est généralement exploitée à 18 V pour réduire les pertes de puissance dans l’IGBT. Cependant, les fluctuations de l’alimentation secteur sur de nombreux marchés, parfois jusqu’à 20 %, signifient que les concepteurs devront s’assurer que la fiche technique indique une marge suffisante pour ces paramètres. Les paramètres thermiques, tels que Rth(j-c), fournissent des indications sur le concept de refroidissement requis, tandis que des tests doivent être entrepris sur la compatibilité électromagnétique (CEM), en particulier la mise hors tension à des fréquences de test inférieures.

Un autre aspect critique à examiner est la notation IC(sat), un paramètre qui est pertinent pendant les courants de court-circuit qui circulent pour charger Cr à la mise sous tension initiale jusqu’à ce que sa tension corresponde à celle de Cm. Enfin, le courant collecteur maximal admissible de la zone de fonctionnement sûre en polarisation directe (FBSOA), VCE, doit être vérifié pour différentes largeurs d’impulsion.

Les IGBT punch-through (PT) sont le dispositif de choix dans ces applications, supportant des fréquences de commutation plus élevées que les types non-PT du passé. Les dernières avancées ont aminci la couche de collecteur P pour créer des structures connues sous le nom d’IGBT à arrêt de champ (FS). Cela permet la création d’une couche N pour permettre une diode de corps à conduction inverse (RC), conduisant à des IGBT RC. Avec un courant de queue réduit, ils sont bien adaptés aux circuits à commutation douce. Le dernier RC-IGBT de Toshiba, le GT20N135SRA, est un dispositif de nouvelle génération prenant en charge 20 A @ 100°C et 1350 V, ce qui est idéal pour les applications de chauffage par induction alimentées en 220 VAC pour les appareils de moyenne capacité de 2200 W.

Par rapport aux dispositifs de la génération précédente, le courant de court-circuit, IC(sat), est limité à environ 150 A à 100°C. Pendant la phase de démarrage du circuit, lorsque Cr est chargé, cela permet de réduire le courant de saturation du collecteur et de supprimer l’oscillation de la tension (figure 5). Le FBSOA plus large signifie également que des courants plus élevés peuvent circuler, mais cela doit être compensé par la conversion d’une partie des pertes en chaleur. Le GT20N135SRA a un Rth(j-c) maximum de 0,48 °C/W donc, en supposant que l’IGBT doit dissiper 35W dans une implémentation d’appareil, la température du boîtier de jonction serait environ 6°C inférieure à celle des dispositifs de la génération précédente (GT40RR21 – 0,65 °C/W).

Figure 5 : La saturation du collecteur en court-circuit lorsque Cr n’est pas chargé est considérablement améliorée dans le GT20N135SRA (à droite) par rapport à la génération précédente d’IGBT (à gauche) et entraîne une oscillation réduite (cercle rouge)

L’amélioration de la couche N a également apporté une réduction de la tension directe, VF, de 0.5 V par rapport aux dispositifs de la génération précédente. Avec une valeur typique de 1,75 V à 25°C définie, cela réduit les pertes et améliore le rendement. Le fonctionnement à l’arrêt des IGBT peut rendre difficile le respect de la norme CISPR, nécessitant une résistance dans le chemin de grille pour ralentir la vitesse de commutation. Cependant, cela entraîne une augmentation des pertes. Une marge d’environ 10 dB de plus à 30 MHz est désormais obtenue sans une telle résistance dans la même application de table avec le GT20N135SRA, offrant un meilleur compromis entre les émissions rayonnées et la dissipation de puissance (figure 6).

Figure 6 : Un turn-off amélioré entraîne une marge CISPR de 10dB de plus à 30 MHz pour le même appareil.

Résumé

Bien que les appareils de chauffage par induction offrent plus d’efficacité et un meilleur contrôle par rapport à de nombreuses technologies alternatives, il incombe à l’ingénieur concepteur de faire face à la complexité de l’électronique de contrôle pour les mettre en œuvre. L’industrie des semi-conducteurs a réagi en proposant des dispositifs de commutation IGBT qui, sur plusieurs générations, n’ont cessé d’améliorer les caractéristiques essentielles à une performance optimale, de la dissipation thermique et de la CEM à la capacité de tension et de courant, en passant par une diode à corps conducteur inverse améliorée.

Le GT20N135SRA, la dernière génération de RC-IGBT de Toshiba, facilite la mise sur le marché de produits qui répondent aux tests d’émissions rayonnées, tout en étant plus efficaces. Bien qu’optimisés pour les applications de résonance de courant de 220 VAC, les futurs produits s’étendront pour couvrir les besoins en courant plus élevés des grands récipients de cuisson et les tensions plus élevées se produisant dans les appareils de 100 VAC.