Uma frigideira, cortada ao meio, assenta numa placa de cozedura com um ovo cuidadosamente partido no seu centro. A metade da frigideira tem uma clara perfeitamente cozida e brilhante, enquanto a outra metade é clara e não cozida. É uma imagem poderosa que deixa bem claro o quanto as placas de indução são mais eficientes do que as tecnologias alternativas de aparelhos de cozinha. A mensagem: o aquecimento por indução coloca a energia onde ela é necessária.

A indústria de semicondutores tem respondido à demanda por aparelhos de aquecimento por indução, ajustando e melhorando continuamente a tecnologia de comutação necessária para sua implementação ideal. Assim, a tecnologia de indução comumente também aparece em panelas de arroz, espuma de leite e placas de aquecimento.

Aquecimento por indução em aplicações de aquecimento

São os princípios do transformador comum que formam a base para aplicações de aquecimento por indução. Entretanto, enquanto um transformador induz uma corrente em uma bobina secundária de uma bobina primária, um aquecedor por indução utiliza a bobina primária para induzir corrente no próprio recipiente de cozimento. Isto assegura que o efeito de aquecimento resultante seja concentrado precisamente onde ele é necessário. São as correntes parasitas que são induzidas no material do recipiente de cozimento que resultam no efeito de aquecimento que é conhecido como aquecimento Joule. A alta resistência é oferecida pelos vasos feitos de materiais magnéticos, como o aço inoxidável e o ferro, enquanto os materiais não magnéticos, como o alumínio e o cobre, oferecem menos resistência.

Due às altas frequências utilizadas, a corrente na bobina primária flui principalmente na superfície do condutor, uma propriedade conhecida como o efeito pele. As bobinas de aquecimento por indução fazem uso de um tipo especial de fio de cobre, conhecido como fio litz, que é composto por muitos fios individuais finos. Isto tem o efeito de aumentar a superfície da bobina, reduzindo assim a resistência AC.

Seleções Topológicas e suas Funções

Existem várias abordagens à escolha da topologia mas, devido à pressão dos preços em muitos dos mercados visados por estas aplicações, o circuito de Ressonância Paralela de Fim Único (SEPR) é uma escolha comum (figura 1). Esta topologia softswitching faz uso de uma rede de tanques ressonantes composta por um condensador, Cr, e a bobina litz, Lr. Um IGBT, operando sob condições de comutação de zerovoltagem (ZVS) em conjunto com o díodo paralelo, completam o desenho. Ao invés de implementar uma abordagem discreta, o diodo é tipicamente integrado ao IGBT, com as características do diodo sendo otimizadas para as necessidades deste tipo de circuito. As frequências de comutação de 20 – 30 kHz garantem que qualquer ruído esteja fora do alcance audível, tornando este circuito adequado para panelas magnéticas. Frequências mais elevadas também podem ser utilizadas como parte de uma função de arranque suave.

Figure 1: Um circuito de ressonância paralela de uma extremidade (SEPR) é tipicamente utilizado para circuitos de tensão-resonante.

O funcionamento do circuito de tensão-resonância é dividido em quatro períodos de tempo (figura 3) e é aplicável para o caso de o processo de arranque ter sido concluído (ou seja, Cr está totalmente carregado):

1. T1 – O ciclo começa com Q1 ligado, permitindo que a corrente flua de Cm através de Lr e Q1 e fazendo com que a corrente aumente linearmente até atingir o nível desejado. Durante este tempo a tensão através de Cr é fixada à tensão através de Cm.

2. T2 – O próximo Q1 é desligado, fazendo com que Lr e Cr entrem em ressonância. A tensão de ressonância de pico alcançada aumenta proporcionalmente ao tempo T1.

3. T3 – O fluxo da corrente de ressonância muda de direção, fazendo com que a tensão sobre Cr diminua.

4. T4 – A polaridade da tensão sobre Cr inverte-se agora. Quando excede a tensão através de Cm, a corrente começa a fluir através do diodo trazendo a polaridade e tensão de Cr de volta à de Cm.

Figure 2: As quatro fases de operação em um projeto SEPR tensão-resonância.

A classificação do IGBT dependerá do pico de voltagem Q1 que, para fornecimentos de 100 VAC, exigirá uma classificação VCES entre 900 e 1200 V, ou 1350 a 1800 V para fornecimentos de 220 VAC.

A medida que os requisitos de energia aumentam, uma abordagem de ressonância de corrente de meia ponte usando dois IGBTs com diodos integrados é tipicamente usada (figura 3). Tais projetos também podem suportar o uso de ‘todos os metais’, onde freqüências de comutação de 80 a 100 kHz podem até mesmo suportar o uso de vasos de cozimento não magnéticos. O circuito ressonante é implementado como uma construção em série LC ou LCR.

Figure 3: Circuito de meia ponte do aquecedor de indução com corrente ressonante série LC.

O funcionamento deste circuito também pode ser descrito em quatro fases (figura 4), uma vez concluído o processo de arranque, da seguinte forma:

1. T1 – O interruptor superior, Q1, é ligado, resultando num fluxo de corrente do condensador, Cm, para o circuito de corrente de ressonância Cr-Lr.

2. T2 – A chave Q1 desliga, deixando Cr para carregar devido à corrente que flui de Lr através do diodo da chave inferior.

3. T3 – A chave Q2 é ligada, permitindo que uma corrente ressonante flua de Cr através de Q2 e para Lr. Neste ponto, o VCE de Q2 é fixado na tensão de avanço do diodo paralelo (ou integrado), permitindo assim um ZVS.

4. T4 – A chave Q2 é desligada, permitindo que uma corrente de roda livre flua de Lr até Cr, o diodo paralelo até Q1, e Cm. Neste ponto, o VCE de Q1 é fixado de forma similar à tensão de avanço do diodo paralelo (ou integrado), permitindo ZVS para a fase seguinte, T1.

Figure 4: As quatro fases de operação em um projeto de meia ponte de ressonância de corrente.

Como resultado, as tensões de pico são limitadas à soma da tensão de entrada de pico CA, permitindo que os IGBTs sejam especificados com um VCES de 600 a 650 V para entradas de 220 VCA. As correntes mais altas envolvidas impedem o uso deste projeto com entradas de 100 VAC.

Seleção de IBGTs adequados para uso em aparelhos de aquecimento indutivo

É claro que o entendimento apropriado para as tensões geradas através do VCES é um fator crítico na seleção de IGBTs. A tensão de transmissão do portão, VGES, também precisa de revisão. Isto é normalmente operado a 18 V para reduzir as perdas de energia no IGBT. No entanto, as flutuações na rede elétrica em muitos mercados, às vezes até 20%, significa que os projetistas precisarão garantir que a folha de dados indique espaço suficiente para esses parâmetros. Parâmetros térmicos, tais como Rth(j-c), fornecem orientações sobre o conceito de resfriamento necessário, enquanto testes devem ser realizados sobre compatibilidade eletromagnética (EMC), especialmente o desligamento em frequências de teste mais baixas.

Outro aspecto crítico a rever é a classificação IC(sat), um parâmetro que é relevante durante as correntes de curto-circuito que fluem para carregar Cr na energização inicial até que sua voltagem coincida com a do Cm. Finalmente, a área de operação segura com polarização dianteira (FBSOA) máxima corrente coletora permitida, VCE, deve ser verificada para diferentes larguras de pulso.

Punch-through (PT) IGBTs são o dispositivo de escolha em tais aplicações, suportando freqüências de comutação mais altas do que os tipos não-PT do passado. Os últimos avanços têm afinado a camada coletora de P para criar estruturas conhecidas como IGBTs de parada de campo (FS). Isto permite a criação de uma camada N para permitir um díodo de corpo de condução inversa (RC), levando a RC-IGBTs. Com uma corrente de cauda reduzida, eles são bem adequados para circuitos de comutação de softswitching. O mais recente RC-IGBT da Toshiba, o GT20N135SRA, é uma nova geração de dispositivos com suporte para 20 A a 100°C e 1350 V. É ideal para aplicações de aquecimento por indução com 220 VAC para aparelhos de 2200 W, de média capacidade.

Em comparação com os dispositivos da geração anterior, a corrente de curto-circuito, IC(sat), está limitada a cerca de 150 A a 100°C. Durante a fase de arranque do circuito, à medida que o Cr é carregado, isto ajuda a reduzir a corrente de saturação do colector e a suprimir a oscilação da tensão (figura 5). O FBSOA mais amplo também significa que correntes mais altas podem fluir, mas isto deve ser equilibrado contra algumas das perdas que estão sendo convertidas em calor. O GT20N135SRA tem um Rth(j-c) máximo de 0,48 °C/W, portanto, assumindo que o IGBT precisa dissipar 35W em uma implementação do aparelho, a temperatura da caixa de junção seria cerca de 6°C mais baixa do que os dispositivos da geração anterior (GT40RR21 – 0,65 °C/W).

Figure 5: A saturação do coletor de curto-circuito quando Cr não é carregado é significativamente melhorada no GT20N135SRA (direita) em comparação com a geração anterior de IGBTs (esquerda) e resulta em oscilação reduzida (círculo vermelho)

A camada melhorada de N também trouxe uma redução na tensão de avanço, VF, de 0.5 V, em comparação com os dispositivos da geração anterior. Com um valor típico de 1,75 V a 25°C definido, isto reduz as perdas e melhora a eficiência. A operação de desligamento dos IGBTs pode tornar desafiante o cumprimento da norma CISPR, exigindo um resistor no caminho do portão para diminuir a velocidade de comutação. No entanto, isto resulta em maiores perdas. Cerca de 10 dB mais margem a 30 MHz é agora alcançada sem tal resistor na mesma aplicação de mesa com o GT20N135SRA, proporcionando um melhor trade-off entre emissões irradiadas e dissipação de energia (figura 6).

Figure 6: Um desligamento melhorado resulta em 10dB mais margem CISPR a 30 MHz para o mesmo aparelho.

Sumário

Alguns aparelhos de aquecimento por indução proporcionam mais eficiência e melhor controlo em comparação com muitas tecnologias alternativas, o ónus recai sobre o engenheiro de design para lidar com a complexidade da electrónica de controlo para os implementar. A indústria de semicondutores tem respondido com dispositivos de comutação IGBT que, ao longo de várias gerações, têm continuado a melhorar as características que são críticas para um desempenho óptimo, desde a dissipação de calor e EMC, até à capacidade de tensão e corrente e à melhoria do díodo de condução inversa do corpo.

O GT20N135SRA, a última geração de RC-IGBT da Toshiba, facilita a colocação no mercado de produtos que cumprem os testes de emissões irradiadas, ao mesmo tempo que é mais eficiente. Embora optimizados para aplicações de ressonância de corrente de 220 VAC, os produtos futuros irão expandir-se para cobrir as necessidades de corrente mais elevada de recipientes de cozedura maiores e tensões mais elevadas que ocorrem em aparelhos de 100 VAC.