Una padella, tagliata a metà, si trova su un piano di cottura con un uovo accuratamente rotto nel suo centro. La metà sulla padella ha un bianco perfettamente cotto e scintillante, mentre la metà rimanente è chiara e non cotta. È un’immagine potente che rende abbondantemente chiaro quanto siano più efficienti i piani di cottura a induzione rispetto alle tecnologie alternative degli apparecchi di cottura. Il messaggio: il riscaldamento a induzione mette l’energia dove è necessaria.

L’industria dei semiconduttori ha risposto alla domanda di apparecchi di riscaldamento a induzione mettendo a punto e migliorando continuamente la tecnologia di commutazione necessaria per la sua implementazione ottimale. Così, la tecnologia a induzione appare comunemente anche in cuociriso, montalatte e piastre elettriche.

Affrontare l’induzione nelle applicazioni di riscaldamento

Sono i principi del comune trasformatore a costituire la base delle applicazioni di riscaldamento a induzione. Tuttavia, mentre un trasformatore induce una corrente in una bobina secondaria da una bobina primaria, un riscaldatore a induzione usa la bobina primaria per indurre la corrente nel recipiente di cottura stesso. Questo assicura che l’effetto di riscaldamento risultante sia concentrato esattamente dove è necessario. Sono le correnti parassite indotte nel materiale del recipiente di cottura che provocano l’effetto di riscaldamento noto come riscaldamento Joule. Un’alta resistenza è offerta dai recipienti fatti di materiali magnetici come l’acciaio inossidabile e il ferro, mentre i materiali non magnetici, come l’alluminio e il rame, offrono una resistenza minore.

A causa delle alte frequenze utilizzate, la corrente nella bobina primaria scorre principalmente nella superficie del conduttore, una proprietà nota come effetto pelle. Le bobine di riscaldamento a induzione fanno uso di un tipo speciale di filo di rame, noto come filo litz, che è costituito da molti singoli fili sottili. Questo ha l’effetto di aumentare la superficie della bobina, riducendo così la resistenza AC.

Scelte di topologia e loro funzioni

Ci sono diversi approcci alla scelta della topologia ma, a causa della pressione sui prezzi in molti dei mercati interessati da queste applicazioni, il circuito SEPR (Single-Ended Parallel Resonance) è una scelta comune (figura 1). Questa topologia di softswitching fa uso di una rete a serbatoio risonante costituita da un condensatore, Cr, e la bobina litz, Lr. Un IGBT, che opera in condizioni di commutazione a tensione zero (ZVS) insieme al diodo parallelo, completa il progetto. Piuttosto che implementare un approccio discreto, il diodo è tipicamente integrato nell’IGBT, con le caratteristiche del diodo ottimizzate per le esigenze di questo tipo di circuito. Le frequenze di commutazione di 20 – 30 kHz assicurano che qualsiasi rumore sia fuori dalla gamma udibile, rendendo questo circuito adatto alle pentole magnetiche. Frequenze più alte possono anche essere usate come parte di una funzione di soft-start.

Figura 1: Un circuito SEPR (Single Ended Parallel Resonance) è tipicamente usato per circuiti risonanti in tensione.

Il funzionamento del circuito a risonanza di tensione è suddiviso in quattro periodi di tempo (figura 3) ed è applicabile nel caso in cui il processo di avvio sia stato completato (cioè Cr sia completamente carico):

1. T1 – Il ciclo inizia con l’accensione di Q1, permettendo alla corrente di fluire da Cm attraverso Lr e Q1 e causando un aumento lineare della corrente che scorre fino a raggiungere il livello desiderato. Durante questo tempo la tensione attraverso Cr è bloccata alla tensione attraverso Cm.

2. T2 – Successivamente Q1 viene spento, facendo andare Lr e Cr in risonanza. Il picco di tensione di risonanza raggiunto aumenta proporzionalmente al tempo di accensione T1.

3. T3 – Il flusso di corrente di risonanza cambia direzione, facendo diminuire la tensione su Cr.

4. T4 – La polarità della tensione su Cr ora si inverte. Quando supera la tensione su Cm, la corrente inizia a scorrere attraverso il diodo portando la polarità e la tensione di Cr a quella di Cm.

Figura 2: Le quattro fasi di funzionamento in un progetto SEPR a risonanza di tensione.

Il rating dell’IGBT dipenderà dal picco di tensione che Q1 vede, che per alimentazioni a 100 VAC richiederà un rating VCES tra 900 e 1200 V, o da 1350 a 1800 V per alimentazioni a 220 VAC.

Quando i requisiti di potenza aumentano, un approccio di risonanza di corrente a mezzo ponte che usa due IGBT con diodi integrati è tipicamente usato (figura 3). Tali progetti possono anche supportare l’uso di “tutto metallo”, dove le frequenze di commutazione da 80 a 100 kHz possono persino supportare l’uso di recipienti di cottura non magnetici. Il circuito risonante è implementato come una costruzione LC o LCR in serie.

Figura 3: circuito a semiponte del riscaldatore a induzione con LC in serie risonante in corrente.

Il funzionamento di questo circuito può anche essere descritto in quattro fasi (figura 4), una volta completato il processo di avvio, come segue:

1. T1 – L’interruttore superiore, Q1, è acceso, con conseguente flusso di corrente dal condensatore, Cm, nel circuito di risonanza Cr-Lr.

2. T2 – L’interruttore Q1 si spegne, lasciando Cr a caricarsi a causa della corrente che scorre da Lr attraverso il diodo dell’interruttore inferiore.

3. T3 – L’interruttore Q2 è acceso, permettendo alla corrente di risonanza di fluire da Cr attraverso Q2 e in Lr. A questo punto, la VCE di Q2 è bloccata alla tensione diretta del diodo parallelo (o integrato), permettendo così uno ZVS.

4. T4 – L’interruttore Q2 è spento, permettendo alla corrente a ruota libera di fluire da Lr attraverso Cr, il diodo parallelo a Q1, e Cm. A questo punto, la VCE di Q1 è analogamente bloccata alla tensione diretta del diodo parallelo (o integrato), abilitando ZVS per la fase successiva, T1.

Figura 4: Le quattro fasi di funzionamento in un progetto di risonanza di corrente a mezzo ponte.

Come risultato, le tensioni di picco sono limitate alla somma della tensione di ingresso AC di picco, permettendo di specificare gli IGBT con una VCES da 600 a 650 V per ingressi di 220 VAC. Le correnti più alte coinvolte precludono l’uso di questo design con ingressi da 100 VAC.

Selezione di IBGT adatti per l’uso in apparecchi di riscaldamento a induzione

È chiaro che la comprensione appropriata delle tensioni generate attraverso VCES è un fattore critico nella selezione degli IGBT. Anche la tensione di pilotaggio del gate, VGES, deve essere rivista. Questa viene tipicamente fatta funzionare a 18 V per ridurre le perdite di potenza nell’IGBT. Tuttavia, le fluttuazioni nell’alimentazione di rete in molti mercati, a volte fino al 20%, significa che i progettisti dovranno assicurarsi che il datasheet indichi un margine sufficiente per questi parametri. I parametri termici, come Rth(j-c), forniscono indicazioni sul concetto di raffreddamento richiesto, mentre i test dovrebbero essere intrapresi sulla compatibilità elettromagnetica (EMC), specialmente il turn-off alle frequenze di test più basse.

Un altro aspetto critico da rivedere è il rating IC(sat), un parametro che è rilevante durante le correnti di corto circuito che scorrono per caricare Cr all’accensione iniziale finché la sua tensione non corrisponde a quella su Cm. Infine, la corrente di collettore massima ammissibile nella forward-biased safe operating area (FBSOA), VCE, dovrebbe essere controllata per diverse larghezze d’impulso.

Gli IGBT Punch-through (PT) sono il dispositivo di scelta in tali applicazioni, supportando frequenze di commutazione più alte rispetto ai tipi non-PT del passato. Gli ultimi progressi hanno assottigliato lo strato di collettore P per creare strutture conosciute come IGBT a arresto di campo (FS). Questo permette la creazione di uno strato N per consentire un diodo di corpo a conduzione inversa (RC), portando agli RC-IGBT. Con una corrente di coda ridotta, sono adatti ai circuiti di softswitching. L’ultimo RC-IGBT di Toshiba, il GT20N135SRA, è un dispositivo di nuova generazione con supporto per 20 A @ 100°C e 1350 V. Questo è ideale per applicazioni di riscaldamento a induzione alimentate a 220 VAC per 2200 W, apparecchi di media capacità.

Rispetto ai dispositivi della generazione precedente, la corrente di corto circuito, IC(sat), è limitata a circa 150 A a 100°C. Durante la fase di avvio del circuito, quando Cr si carica, questo aiuta a ridurre la corrente di saturazione del collettore e a sopprimere l’oscillazione della tensione (figura 5). La FBSOA più ampia significa anche che possono fluire correnti più elevate, ma questo deve essere bilanciato contro alcune delle perdite che vengono convertite in calore. Il GT20N135SRA ha una Rth(j-c) massima di 0,48 °C/W quindi, supponendo che l’IGBT debba dissipare 35W in un’implementazione per elettrodomestici, la temperatura del junctioncase sarebbe di circa 6°C inferiore ai dispositivi della generazione precedente (GT40RR21 – 0,65 °C/W).

Figura 5: La saturazione del collettore in cortocircuito quando Cr non è carico è significativamente migliorata nel GT20N135SRA (destra) rispetto alla generazione precedente di IGBT (sinistra) e risulta in un’oscillazione ridotta (cerchio rosso)

Lo strato N migliorato ha anche portato una riduzione della tensione in avanti, VF, di 0.5 V rispetto ai dispositivi della generazione precedente. Con un valore tipico di 1,75 V a 25°C definito, questo riduce le perdite e migliora l’efficienza. Il funzionamento turn-off degli IGBT può rendere difficile soddisfare lo standard CISPR, richiedendo una resistenza nel percorso del gate per rallentare la velocità di commutazione. Tuttavia, questo comporta un aumento delle perdite. Circa 10 dB in più di margine a 30 MHz sono ora raggiunti senza tale resistenza nella stessa applicazione da tavolo con il GT20N135SRA, fornendo un migliore compromesso tra emissioni irradiate e dissipazione di potenza (figura 6).

Figura 6: Un migliore turn-off risulta in 10dB di margine CISPR in più a 30 MHz per lo stesso apparecchio.

Sommario

Mentre gli apparecchi di riscaldamento a induzione forniscono una maggiore efficienza e un migliore controllo rispetto a molte tecnologie alternative, l’onere di affrontare la complessità dell’elettronica di controllo per implementarli ricade sul progettista. L’industria dei semiconduttori ha risposto con dispositivi di commutazione IGBT che, nel corso di diverse generazioni, hanno continuato a migliorare le caratteristiche critiche per le prestazioni ottimali, dalla dissipazione del calore ed EMC, alla capacità di tensione e corrente e al diodo a corpo conduttore inverso migliorato.

Il GT20N135SRA, l’ultima generazione di RC-IGBT di Toshiba, rende più facile portare sul mercato prodotti che soddisfano i test sulle emissioni irradiate, pur essendo anche più efficienti. Pur essendo ottimizzato per le applicazioni di risonanza di corrente a 220 VAC, i prodotti futuri si espanderanno per coprire le esigenze di corrente più elevate dei recipienti di cottura più grandi e le tensioni più elevate che si verificano negli apparecchi a 100 VAC.