Patelnia, przecięta na pół, siedzi na płycie kuchennej z jajkiem ostrożnie wbitym w jej środek. Połówka na patelni ma idealnie ugotowane, lśniące białko, podczas gdy pozostała połowa jest przezroczysta i niedogotowana. To mocny obraz, który wyraźnie pokazuje, o ile bardziej wydajne są płyty indukcyjne w porównaniu z alternatywnymi technologiami urządzeń kuchennych. Przesłanie: ogrzewanie indukcyjne umieszcza energię tam, gdzie jest ona potrzebna.

Przemysł półprzewodnikowy odpowiedział na zapotrzebowanie na indukcyjne urządzenia grzewcze poprzez ciągłe dostrajanie i ulepszanie technologii przełączania wymaganej do jej optymalnego wdrożenia. Dlatego też technologia indukcyjna powszechnie pojawia się w urządzeniach do gotowania ryżu, spieniaczach do mleka i płytach grzejnych.

Zagadnienie indukcji w zastosowaniach grzewczych

Podstawą zastosowań ogrzewania indukcyjnego są zasady działania zwykłego transformatora. Jednakże, podczas gdy transformator indukuje prąd w cewce wtórnej z cewki pierwotnej, grzejnik indukcyjny wykorzystuje cewkę pierwotną do indukowania prądu w samym naczyniu do gotowania. Gwarantuje to, że uzyskany efekt grzewczy jest skoncentrowany dokładnie tam, gdzie jest potrzebny. To właśnie prądy wirowe indukowane w materiale naczynia do gotowania powodują efekt grzewczy znany jako grzanie Joule’a. Wysoki opór oferują naczynia wykonane z materiałów magnetycznych, takich jak stal nierdzewna i żelazo, podczas gdy materiały niemagnetyczne, takie jak aluminium i miedź, zapewniają mniejszy opór.

Dzięki stosowanym wysokim częstotliwościom, prąd w cewce pierwotnej płynie głównie w powierzchni przewodnika, właściwość ta znana jest jako efekt naskórkowości. Indukcyjne cewki grzejne wykorzystują specjalny rodzaj drutu miedzianego, znany jako drut Litz’a, który składa się z wielu cienkich pojedynczych splotów. Ma to wpływ na zwiększenie powierzchni cewki, zmniejszając tym samym rezystancję AC.

Wybory topologii i ich funkcje

Istnieje kilka podejść do wyboru topologii, ale ze względu na presję cenową na wielu rynkach, których dotyczą te aplikacje, obwód SEPR (Single-Ended Parallel Resonance) jest częstym wyborem (rysunek 1). Ta topologia softswitchingu wykorzystuje sieć zbiorników rezonansowych składającą się z kondensatora Cr i cewki Lr. IGBT, pracujący w warunkach zerowego napięcia przełączania (ZVS) wraz z równoległą diodą, uzupełniają projekt. Zamiast realizować podejście dyskretne, dioda jest zazwyczaj zintegrowana z IGBT, a charakterystyka diody jest zoptymalizowana do potrzeb tego typu obwodu. Częstotliwości przełączania 20 – 30 kHz zapewniają, że wszelkie szumy są poza słyszalnym zakresem, co czyni ten obwód odpowiednim dla magnetycznych naczyń kuchennych. Wyższe częstotliwości mogą być również używane jako część funkcji miękkiego startu.

Rysunek 1: Obwód rezonansu równoległego (SEPR) jest typowo używany w obwodach rezonansu napięciowego.

Praca obwodu napięciowo-rezonansowego jest podzielona na cztery okresy czasowe (rys. 3) i dotyczy przypadku, gdy proces rozruchu został zakończony (tj. Cr jest w pełni naładowany):

1. T1 – Cykl rozpoczyna się od włączenia Q1, co pozwala na przepływ prądu z Cm przez Lr i Q1 oraz powoduje liniowy wzrost płynącego prądu, aż do osiągnięcia pożądanego poziomu. W tym czasie napięcie na Cr jest zaciśnięte na napięciu na Cm.

2. T2 – Następnie Q1 jest wyłączany, powodując wejście Lr i Cr w rezonans. Szczytowe napięcie rezonansowe wzrasta proporcjonalnie do czasu włączenia T1.

3. T3 – Przepływ prądu rezonansowego zmienia kierunek, powodując spadek napięcia na Cr.

4. T4 – Biegunowość napięcia na Cr ulega teraz odwróceniu. Gdy przekroczy ono napięcie na Cm, prąd zaczyna płynąć przez diodę, przywracając polaryzację i napięcie na Cr do polaryzacji i napięcia na Cm.

Rysunek 2: Cztery fazy działania w konstrukcji rezonansu napięciowego SEPR.

Ocena IGBT zależy od wartości szczytowej napięcia, jakie widzi Q1, co w przypadku zasilania 100 VAC będzie wymagało wartości VCES pomiędzy 900 a 1200 V lub 1350 a 1800 V w przypadku zasilania 220 VAC.

W miarę wzrostu wymagań dotyczących mocy, typowo stosuje się podejście rezonansu prądowego z półmostkiem, wykorzystujące dwa IGBT ze zintegrowanymi diodami (rysunek 3). Takie konstrukcje mogą również wspierać wykorzystanie „wszystkich metali”, gdzie częstotliwości przełączania 80 do 100 kHz mogą nawet wspierać wykorzystanie niemagnetycznych naczyń do gotowania. Obwód rezonansowy jest realizowany jako szeregowa konstrukcja LC lub LCR.

Ryc. 3: Obwód półmostkowy nagrzewnicy indukcyjnej z szeregowym rezonansem prądowym LC.

Działanie tego obwodu można również opisać w czterech fazach (rysunek 4), po zakończeniu procesu rozruchu, w następujący sposób:

1. T1 – Górny przełącznik, Q1, zostaje włączony, co powoduje przepływ prądu z kondensatora, Cm, do obwodu prądu rezonansowego Cr-Lr.

2. T2 – Przełącznik Q1 wyłącza się, pozostawiając Cr do naładowania dzięki prądowi płynącemu z Lr przez diodę dolnego przełącznika.

3. T3 – Przełącznik Q2 zostaje włączony, umożliwiając przepływ prądu rezonansowego z Cr przez Q2 i do Lr. W tym momencie, VCE Q2 jest zaciśnięte na napięciu forward równoległej (lub scalonej) diody, umożliwiając w ten sposób ZVS.

4. T4 – Wyłącznik Q2 jest wyłączony, pozwalając na swobodny przepływ prądu z Lr przez Cr, diodę równoległą do Q1, i Cm. W tym momencie, VCE Q1 jest podobnie zaciśnięte do napięcia forward diody równoległej (lub scalonej), umożliwiając ZVS dla następnej fazy, T1.

Ryc. 4: Cztery fazy działania w projekcie półmostka prądowo-rezonansowego.

W rezultacie, napięcia szczytowe są ograniczone do sumy szczytowego napięcia wejściowego AC, co pozwala na specyfikację IGBT z VCES 600 do 650 V dla wejść 220 VAC. Wyższe prądy wykluczają użycie tej konstrukcji z wejściami 100 VAC.

Wybór odpowiednich IBGT do stosowania w indukcyjnych urządzeniach grzewczych

Jasne jest, że odpowiednie zrozumienie napięć generowanych przez VCES jest krytycznym czynnikiem przy wyborze IGBT. Napięcie napędu bramki, VGES, również wymaga przeglądu. Zazwyczaj jest ono utrzymywane na poziomie 18 V w celu zmniejszenia strat mocy w IGBT. Jednak wahania napięcia zasilania na wielu rynkach, czasami nawet o 20%, oznaczają, że projektanci będą musieli upewnić się, że arkusz danych wskazuje wystarczającą przestrzeń dla tych parametrów. Parametry termiczne, takie jak Rth(j-c), dostarczają wskazówek na temat wymaganej koncepcji chłodzenia, podczas gdy należy przeprowadzić testy kompatybilności elektromagnetycznej (EMC), zwłaszcza wyłączania przy niższych częstotliwościach testowania.

Kolejnym krytycznym aspektem do przeglądu jest wartość znamionowa IC(sat), parametr, który jest istotny podczas prądów zwarciowych, które płyną do ładowania Cr przy początkowym włączeniu zasilania, aż do momentu, gdy jego napięcie odpowiada napięciu na Cm. Wreszcie, maksymalny dopuszczalny prąd kolektora, VCE, powinien być sprawdzony dla różnych szerokości impulsu.

Punch-through (PT) IGBT są urządzeniami z wyboru w takich zastosowaniach, obsługując wyższe częstotliwości przełączania niż typy non-PT z przeszłości. Najnowsze osiągnięcia pozwoliły rozrzedzić warstwę kolektora P, tworząc struktury znane jako IGBT z ograniczeniem pola (FS). Pozwala to na utworzenie warstwy N, która umożliwia zastosowanie diody z ciałem przewodzącym wstecznie (RC), co prowadzi do powstania RC-IGBT. Dzięki obniżonemu prądowi końca obwodu (tail current), doskonale nadają się one do obwodów miękkiego przełączania. Najnowszy model RC-IGBT firmy Toshiba, GT20N135SRA, to urządzenie nowej generacji z obsługą prądu 20 A przy 100°C i napięciu 1350 V. Jest to idealne rozwiązanie do zastosowań w indukcyjnych urządzeniach grzewczych zasilanych napięciem 220 VAC o średniej mocy 2200 W.

W porównaniu z urządzeniami poprzedniej generacji prąd zwarcia, IC(sat), jest ograniczony do około 150 A przy 100°C. Podczas fazy rozruchu obwodu, gdy Cr jest ładowany, pomaga to zmniejszyć prąd nasycenia kolektora i stłumić oscylacje napięcia (rys. 5). Szersze FBSOA oznacza również, że mogą płynąć większe prądy, ale musi to być zrównoważone przez część strat przekształcanych w ciepło. GT20N135SRA ma maksymalne Rth(j-c) wynoszące 0,48°C/W, więc zakładając, że IGBT musi rozpraszać 35W w implementacji w urządzeniach AGD, temperatura obudowy będzie o około 6°C niższa niż w przypadku urządzeń poprzedniej generacji (GT40RR21 – 0,65°C/W).

Ryc. 5: Nasycenie kolektora przy zwarciu, gdy Cr nie jest naładowany, jest znacznie poprawione w GT20N135SRA (po prawej) w porównaniu z poprzednią generacją IGBT (po lewej) i skutkuje zmniejszeniem oscylacji (czerwone kółko)

Ulepszona warstwa N przyniosła również zmniejszenie napięcia forward, VF, o 0.5 V w porównaniu do urządzeń poprzedniej generacji. Przy typowej wartości 1,75 V w temperaturze 25°C zmniejsza to straty i poprawia sprawność. Tryb wyłączania tranzystorów IGBT może utrudniać spełnienie wymagań normy CISPR, wymagając rezystora w ścieżce bramki w celu zmniejszenia prędkości przełączania. Powoduje to jednak zwiększenie strat. W tej samej aplikacji stołowej z GT20N135SRA uzyskano margines o około 10 dB większy przy 30 MHz bez takiego rezystora, co zapewnia lepszy kompromis między emisją promieniowania a rozproszeniem mocy (rys. 6).

Rysunek 6: Poprawione wyłączanie skutkuje zwiększeniem o 10dB marginesu CISPR przy 30 MHz dla tego samego urządzenia.

Podsumowanie

Choć indukcyjne urządzenia grzewcze zapewniają większą sprawność i lepszą kontrolę w porównaniu z wieloma alternatywnymi technologiami, to na projektancie spoczywa ciężar poradzenia sobie ze złożonością elektroniki sterującej do ich implementacji. Przemysł półprzewodnikowy zareagował wprowadzając układy przełączające IGBT, które w ciągu kilku generacji stale ulepszano pod względem cech krytycznych dla optymalnej wydajności, począwszy od rozpraszania ciepła i kompatybilności elektromagnetycznej, poprzez zdolność do pracy z napięciem i prądem, aż po ulepszoną diodę odwrotnie przewodzącą.

Technologia GT20N135SRA, najnowsza generacja RC-IGBT firmy Toshiba, ułatwia wprowadzanie na rynek produktów, które spełniają wymogi testów emisji promieniowania, a jednocześnie są bardziej wydajne. Produkty te zostały zoptymalizowane pod kątem zastosowań związanych z rezonansem prądu przemiennego 220 V, ale w przyszłości zostaną rozszerzone o urządzenia zaspokajające potrzeby większych naczyń kuchennych i wyższych napięć występujących w urządzeniach 100 VAC.

.