Todo sobre IGBT

Placas de inducción modernas

La cocina por inducción ha reemplazado el calentamiento tradicional transfiriendo energía térmica al fondo de una sartén/olla a través de elementos calefactores eléctricos. Funciona según el principio de corrientes inducidas que circulan por el fondo de la olla. Para que las placas de inducción funcionen correctamente, el fondo de la olla debe estar físicamente cerca de la bobina, y sólo ciertos metales son adecuados: aquellos con alta permeabilidad magnética.

El principio es similar al de los transformadores de potencia comunes, con la bobina como primaria y la parte inferior del potenciómetro como secundaria. También comparte muchas similitudes con la tecnología moderna de carga por inducción.

El calor necesario para calentar la olla proviene de las corrientes parásitas que circulan por la capa inferior o, más concretamente, de la resistencia que ofrecen estos flujos de corriente. Mediante acoplamiento inductivo, aproximadamente el 90% de la energía se transfiere para generar calor en la olla. Una típica estufa con superficie de vidrio lisa sólo puede transmitir alrededor del 70% de la energía, lo que resulta en una reducción de pérdidas tres veces mayor.

La topología utilizada no se diferencia significativamente de la de un circuito de soldadura. La alimentación de CA principal se rectifica y acciona una pequeña fuente de alimentación auxiliar para el inversor y el controlador. El inversor induce la corriente en bobinas de cobre, creando un campo electromagnético que induce corrientes parásitas en el recipiente. El calor generado es igual a la resistencia del fondo de la olla multiplicada por el cuadrado de la corriente inducida, conocido como "efecto Joule".

Figura 5: Descripción general de un circuito típico de estufa de inducción

A diferencia de las máquinas de soldar, el esquema de control de las estufas de inducción suele ser un esquema de variación de frecuencia. Si bien se trata de un método sencillo, el desafío radica en controlar el rango de frecuencia requerido para la potencia de salida en un amplio rango.

Incluso a las altas frecuencias requeridas para las cocinas de inducción, los circuitos convertidores resonantes pueden funcionar con alta eficiencia. Por lo tanto, los convertidores de circuito resonante se utilizan comúnmente para esta aplicación, especialmente los convertidores de medio puente resonante (RHB) y los inversores cuasi-resonantes (QR). Los convertidores RHB son particularmente preferidos debido a su capacidad para manejar una amplia gama de cargas. Generalmente se emplean técnicas de control avanzadas, como la conmutación de corriente cero (ZCS) o la conmutación de voltaje cero (ZVS), para mantener las pérdidas de energía al mínimo.

Figura 6: Ejemplos típicos de topologías RHB y QR

Debido a la rentabilidad de esta topología, los convertidores QR se utilizan a menudo en aplicaciones de cocinas de inducción de baja potencia (por debajo de 2 W de potencia máxima).

Inversores solares y UPS

Cuando se utiliza la topología de medio puente en aplicaciones que requieren una conmutación rápida, existen muchos desafíos, entre ellos:

- Sólo se pueden alcanzar dos voltajes de salida

- Las pérdidas por conmutación pueden ser significativas

- Conducir las puertas grandes puede ser un desafío

- El estrés de los componentes afecta la confiabilidad.

- El aumento de la corriente de ondulación y la EMI requieren un filtrado exhaustivo

- Incompatible con bus DC de alto voltaje

- El diseño térmico no es trivial.

En las aplicaciones modernas, la topología HB está siendo reemplazada por aplicaciones críticas como los sistemas de alimentación ininterrumpida (UPS) y los inversores solares fotovoltaicos (PV). Las topologías de tres niveles se están volviendo dominantes, conocidas como I-Type y T-Type.

Hay muchos aspectos que necesitan mejorar, incluida la reducción del voltaje en los dispositivos activos para reducir las pérdidas, reducir la distorsión armónica y permitir el uso de componentes más pequeños. Lo más importante es que estas topologías pueden reducir significativamente las pérdidas de conmutación, logrando una eficiencia de hasta el 98 % al conmutar a altas frecuencias que van desde 16 kHz a 40 kHz.

Figura 7: Las topologías de convertidor tipo I y tipo T tienen muchas ventajas en comparación con HB

Mirando hacia el futuro

Aunque algunos consideren la tecnología IGBT como "tradicional", aún desempeña un papel importante en aplicaciones de alta potencia (alta tensión/corriente). La tecnología IGBT continúa evolucionando, con valores de Vcesat cercanos a 1 V y mejoras estructurales que aumentan la densidad y reducen las pérdidas.

Como siempre, al utilizar IGBT, los diseñadores deben tener una comprensión completa de los requisitos de su aplicación y seleccionar topologías adecuadas para garantizar resultados y rendimiento óptimos.