O tigaie, tăiată în două, este așezată pe o plită de gătit cu un ou spart cu grijă în centrul ei. Jumătatea de pe tigaie are un albuș perfect gătit și strălucitor, în timp ce jumătatea rămasă este limpede și necopt. Este o imagine puternică, care arată foarte clar cât de mult mai eficiente sunt plitele cu inducție față de tehnologiile alternative de aparate de gătit. Mesajul: încălzirea prin inducție plasează energia acolo unde este nevoie de ea.

Industria semiconductorilor a răspuns la cererea de aparate de încălzire prin inducție prin reglarea și îmbunătățirea continuă a tehnologiei de comutare necesară pentru implementarea optimă a acesteia. Astfel, tehnologia de inducție apare în mod obișnuit și în aparatele de gătit orez, spumantele de lapte și plitele de gătit.

Abordarea inducției în aplicațiile de încălzire

Principiile transformatorului comun sunt cele care stau la baza aplicațiilor de încălzire prin inducție. Cu toate acestea, în timp ce un transformator induce un curent într-o bobină secundară de la o bobină primară, un încălzitor prin inducție utilizează bobina primară pentru a induce curentul în vasul de gătit însuși. Acest lucru asigură faptul că efectul de încălzire rezultat este concentrat exact acolo unde este necesar. Curenții Foucault care sunt induși în materialul vasului de gătit sunt cei care determină efectul de încălzire cunoscut sub numele de încălzire Joule. O rezistență ridicată este oferită de vasele fabricate din materiale magnetice, cum ar fi oțelul inoxidabil și fierul, în timp ce materialele nemagnetice, cum ar fi aluminiul și cuprul, oferă o rezistență mai mică.

Datorită frecvențelor înalte utilizate, curentul din bobina primară circulă în principal în suprafața conductorului, o proprietate cunoscută sub numele de efect de piele. Bobinele de încălzire prin inducție utilizează un tip special de sârmă de cupru, cunoscută sub numele de sârmă litz, care este alcătuită din multe fire individuale subțiri. Acest lucru are ca efect creșterea suprafeței bobinei, reducând astfel rezistența de curent alternativ.

Celegerile de topologie și funcțiile lor

Există mai multe abordări în ceea ce privește alegerea topologiei, dar, din cauza presiunii asupra prețurilor pe multe dintre piețele vizate de aceste aplicații, circuitul de rezonanță paralelă cu un singur capăt (SEPR) este o alegere comună (figura 1). Această topologie de comutare moale utilizează o rețea de rezervor rezonantă formată dintr-un condensator, Cr, și o bobină litz, Lr. Un IGBT, care funcționează în condiții de comutație de tensiune zero (ZVS), împreună cu o diodă paralelă, completează designul. În loc să se implementeze o abordare discretă, dioda este de obicei integrată în IGBT, caracteristicile diodei fiind optimizate în funcție de necesitățile acestui tip de circuit. Frecvențele de comutare de 20 – 30 kHz asigură că orice zgomot se află în afara intervalului audibil, ceea ce face ca acest circuit să fie potrivit pentru vasele de gătit magnetice. Frecvențe mai mari pot fi, de asemenea, utilizate ca parte a unei funcții de pornire soft-start.

Figura 1: Un circuit de rezonanță paralelă cu un singur capăt (SEPR) este utilizat în mod obișnuit pentru circuitele rezonante de tensiune.

Funcționarea circuitului de tensiune-rezonanță este împărțită în patru perioade de timp (figura 3) și este aplicabilă pentru cazul în care procesul de pornire a fost finalizat (adică Cr este complet încărcat):

1. T1 – Ciclul începe cu pornirea lui Q1, permițând curentului să treacă din Cm prin Lr și Q1 și determinând creșterea liniară a curentului care circulă până când acesta atinge nivelul dorit. În acest timp, tensiunea de la Cr este fixată la tensiunea de la Cm.

2. T2 – În continuare, Q1 este oprit, ceea ce face ca Lr și Cr să intre în rezonanță. Tensiunea maximă de rezonanță atinsă crește proporțional cu timpul de conectare T1.

3. T3 – Fluxul de curent de rezonanță își schimbă direcția, determinând scăderea tensiunii peste Cr.

4. T4 – Polaritatea tensiunii peste Cr se inversează acum. Când aceasta depășește tensiunea de pe Cm, curentul începe să circule prin diodă, aducând polaritatea și tensiunea de pe Cr înapoi la cea de pe Cm.

Figura 2: Cele patru faze de funcționare într-un proiect SEPR de tensiune-rezonanță.

Valoarea nominală a IGBT-ului va depinde de vârful de tensiune pe care îl vede Q1, care pentru alimentări de 100 VCA va necesita o valoare nominală VCES cuprinsă între 900 și 1200 V, sau între 1350 și 1800 V pentru alimentări de 220 VCA.

Ca urmare a creșterii cerințelor de putere, se folosește de obicei o abordare de rezonanță de curent cu jumătate de punte care utilizează două IGBT-uri cu diode integrate (figura 3). Astfel de modele pot susține, de asemenea, utilizarea „tuturor metalelor”, unde frecvențele de comutare de 80 până la 100 kHz pot susține chiar și utilizarea vaselor de gătit nemagnetice. Circuitul rezonant este implementat ca o construcție LC sau LCR în serie.

Figura 3: Circuit de semipontaj al încălzitorului cu inducție cu circuit LC în serie rezonant în curent.

Funcționarea acestui circuit poate fi, de asemenea, descrisă în patru faze (figura 4), odată finalizat procesul de pornire, după cum urmează:

1. T1 – Întrerupătorul superior, Q1, este pornit, rezultând un curent care trece din condensator, Cm, în circuitul de curent de rezonanță Cr-Lr.

2. T2 – Comutatorul Q1 se oprește, lăsând Cr să se încarce datorită curentului care trece din Lr prin dioda comutatorului inferior.

3. T3 – Comutatorul Q2 este pornit, permițând unui curent de rezonanță să treacă din Cr prin Q2 și în Lr. În acest moment, VCE a lui Q2 este blocată la tensiunea directă a diodei paralele (sau integrate), permițând astfel un ZVS.

4. T4 – Comutatorul Q2 este oprit, permițând ca un curent de rotire liberă să circule din Lr prin Cr, dioda paralelă cu Q1 și Cm. În acest moment, VCE a lui Q1 este fixată în mod similar la tensiunea directă a diodei paralele (sau integrate), permițând ZVS pentru faza următoare, T1.

Figura 4: Cele patru faze de funcționare într-un proiect de rezonanță de curent cu jumătate de punte.

Ca urmare, tensiunile de vârf sunt limitate la suma tensiunilor de vârf de intrare în curent alternativ, permițând ca IGBT-urile să fie specificate cu o VCES de 600 până la 650 V pentru intrări de 220 VCA. Curenții mai mari implicați exclud utilizarea acestui design cu intrări de 100 VAC.

Selecția de IBGT-uri adecvate pentru utilizarea în aparatele de încălzire prin inducție

Este clar că înțelegerea adecvată a tensiunilor generate prin VCES este un factor critic în selectarea IGBT-urilor. Tensiunea de comandă a porții, VGES, trebuie, de asemenea, revizuită. Aceasta este de obicei operată la 18 V pentru a reduce pierderile de putere în IGBT. Cu toate acestea, fluctuațiile în alimentarea cu energie electrică pe multe piețe, uneori de până la 20%, înseamnă că proiectanții vor trebui să se asigure că fișa tehnică indică o marjă de manevră suficientă pentru acești parametri. Parametrii termici, cum ar fi Rth(j-c), oferă îndrumări cu privire la conceptul de răcire necesar, în timp ce ar trebui efectuate teste de compatibilitate electromagnetică (CEM), în special în ceea ce privește oprirea la frecvențe de testare mai mici.

Un alt aspect critic care trebuie analizat este valoarea nominală IC(sat), un parametru care este relevant în timpul curenților de scurtcircuit care circulă pentru a încărca Cr la pornirea inițială până când tensiunea acestuia se potrivește cu cea de pe Cm. În cele din urmă, trebuie verificat curentul maxim admisibil de colector, VCE, al zonei de funcționare sigură cu polarizare directă (FBSOA), pentru diferite lățimi de impuls.

IGBT-urile de tip „Punch-through” (PT) sunt dispozitivul preferat în astfel de aplicații, suportând frecvențe de comutare mai mari decât tipurile non-PT din trecut. Cele mai recente progrese au subțiat stratul colector P pentru a crea structuri cunoscute sub numele de IGBT-uri cu oprire de câmp (FS). Acest lucru permite crearea unui strat N pentru a permite o diodă de corp cu conducție inversă (RC), ceea ce duce la IGBT-uri RC-IGBT. Cu un curent de coadă redus, acestea sunt foarte potrivite pentru circuitele cu comutare ușoară. Cea mai recentă RC-IGBT de la Toshiba, GT20N135SRA, este o nouă generație de dispozitive cu suport pentru 20 A la 100°C și 1350 V. Aceasta este ideală pentru aplicațiile de încălzire prin inducție alimentate cu 220 VAC pentru aparate de 2200 W, de capacitate medie.

În comparație cu dispozitivele din generația anterioară, curentul de scurtcircuit, IC(sat), este limitat la aproximativ 150 A la 100°C. În timpul fazei de pornire a circuitului, pe măsură ce Cr este încărcat, acest lucru contribuie la reducerea curentului de saturație al colectorului și la suprimarea oscilațiilor de tensiune (figura 5). FBSOA mai largă înseamnă, de asemenea, că pot circula curenți mai mari, dar acest lucru trebuie echilibrat cu o parte din pierderile care sunt transformate în căldură. GT20N135SRA are un Rth(j-c) maxim de 0,48 °C/W, astfel încât, presupunând că IGBT-ul trebuie să disipeze 35 W într-o implementare de aparat, temperatura de joncțiune ar fi cu aproximativ 6 °C mai mică decât cea a dispozitivelor din generația anterioară (GT40RR21 – 0,65 °C/W).

Figura 5: Saturația colectorului în scurtcircuit atunci când Cr nu este încărcat este semnificativ îmbunătățită la GT20N135SRA (dreapta) în comparație cu generația anterioară de IGBT-uri (stânga) și are ca rezultat o oscilație redusă (cerc roșu)

Capacul N îmbunătățit a adus, de asemenea, o reducere a tensiunii de avans, VF, de 0.5 V în comparație cu dispozitivele din generația anterioară. Cu o valoare tipică de 1,75 V la 25°C definită, acest lucru reduce pierderile și îmbunătățește eficiența. Funcționarea de deconectare a IGBT-urilor poate face dificilă respectarea standardului CISPR, necesitând un rezistor în calea porții pentru a încetini viteza de comutare. Cu toate acestea, acest lucru duce la creșterea pierderilor. O marjă cu aproximativ 10 dB mai mare la 30 MHz este acum obținută fără o astfel de rezistență în aceeași aplicație de masă cu GT20N135SRA, oferind un compromis mai bun între emisiile radiate și disiparea de putere (figura 6).

Figura 6: O mai bună deconectare are ca rezultat o marjă CISPR cu 10dB mai mare la 30 MHz pentru același aparat.

Rezumat

În timp ce aparatele de încălzire prin inducție oferă mai multă eficiență și un control mai bun în comparație cu multe tehnologii alternative, revine inginerului proiectant sarcina de a se ocupa de complexitatea electronicii de control pentru a le implementa. Industria semiconductorilor a răspuns cu dispozitive de comutare IGBT care, de-a lungul mai multor generații, au continuat să îmbunătățească caracteristicile esențiale pentru o performanță optimă, de la disiparea căldurii și CEM, până la capacitatea de tensiune și curent și dioda de corp cu conducție inversă îmbunătățită.

GTG20N135SRA, cea mai recentă generație de RC-IGBT de la Toshiba, facilitează lansarea pe piață a unor produse care îndeplinesc testele privind emisiile radiate, fiind în același timp mai eficiente. Deși este optimizat pentru aplicațiile de rezonanță a curentului de 220 VAC, produsele viitoare se vor extinde pentru a acoperi nevoile de curent mai mare ale vaselor de gătit mai mari și tensiunile mai mari care apar în aparatele de 100 VAC.

.