همه چیز درباره IGBT

اجاقهای القایی مدرن

پخت و پز القایی با انتقال انرژی گرمایی به ته دیگ از طریق عناصر گرمایش الکتریکی جایگزین گرمایش سنتی شده است. بر اساس اصل جریان های القایی که در ته دیگ در گردش هستند عمل می کند. برای اینکه اجاقهای القایی به درستی کار کنند، کف قابلمه باید از نظر فیزیکی نزدیک به سیم پیچ باشد و فقط فلزات خاصی مناسب هستند - آنهایی که نفوذپذیری مغناطیسی بالایی دارند.

این اصل مشابه ترانسفورماتورهای قدرت معمولی است، با سیم پیچ به عنوان اولیه و ته دیگ به عنوان ثانویه. شباهت های زیادی با فناوری شارژ القایی مدرن نیز دارد.

گرمای مورد نیاز برای گرم کردن دیگ از جریان های گردابی در حال گردش در لایه زیرین یا به طور خاص از مقاومت ارائه شده توسط این جریان حاصل می شود. از طریق کوپلینگ القایی، تقریباً 90 درصد انرژی برای تولید گرما در گلدان منتقل می شود. یک اجاق شیشه ای صاف معمولی تنها می تواند حدود 70 درصد انرژی را منتقل کند و در نتیجه تلفات را تا سه برابر کاهش دهد.

توپولوژی مورد استفاده تفاوت قابل توجهی با مدار جوش ندارد. برق AC اصلی اصلاح می شود و منبع تغذیه کمکی کوچکی را برای اینورتر و کنترلر هدایت می کند. اینورتر جریان را به سیم پیچ های مسی القا می کند و یک میدان الکترومغناطیسی ایجاد می کند که جریان های گردابی را در دیگ القا می کند. گرمای تولید شده برابر است با مقاومت ته دیگ ضرب در مجذور جریان القایی - معروف به "اثر ژول".

شکل 5: نمای کلی یک مدار معمولی اجاق گاز القایی

بر خلاف ماشین های جوشکاری، طرح کنترلی برای اجاق گاز القایی معمولاً یک طرح تغییر فرکانس است. در حالی که این یک روش ساده است، چالش در کنترل محدوده فرکانس مورد نیاز برای توان خروجی در یک محدوده وسیع نهفته است.

حتی در فرکانسهای بالا مورد نیاز برای اجاقهای القایی، مدارهای مبدل تشدید میتوانند با راندمان بالا کار کنند. بنابراین، مبدل های مدار تشدید معمولا برای این کاربرد استفاده می شود، به ویژه مبدل های نیمه پل تشدید (RHB) و اینورترهای شبه تشدید (QR). مبدلهای RHB به دلیل توانایی آنها در تحمل طیف گستردهای از بارها مورد توجه قرار گرفتهاند. تکنیک های کنترل پیشرفته مانند سوئیچینگ جریان صفر (ZCS) یا سوئیچینگ ولتاژ صفر (ZVS) معمولاً برای کاهش تلفات برق به حداقل می رسد.

شکل 6: نمونه های معمول توپولوژی های RHB و QR

با توجه به مقرون به صرفه بودن این توپولوژی، مبدل های QR اغلب در برنامه های اجاق گاز القایی کم مصرف (کمتر از حداکثر توان 2 وات) استفاده می شوند.

اینورتر و یو پی اس خورشیدی

هنگام استفاده از توپولوژی نیم پل در برنامه هایی که نیاز به تعویض سریع دارند، چالش های زیادی وجود دارد، از جمله:

- فقط دو ولتاژ خروجی قابل دستیابی است

- تلفات سوئیچینگ می تواند قابل توجه باشد

- راندن دروازه های بزرگ می تواند چالش برانگیز باشد

- استرس مؤلفه بر قابلیت اطمینان تأثیر می گذارد

- افزایش جریان ریپل و EMI نیاز به فیلتر گسترده دارد

- ناسازگار با باس DC ولتاژ بالا

- طراحی حرارتی بی اهمیت نیست

در کاربردهای مدرن، توپولوژی HB با کاربردهای حیاتی مانند منابع تغذیه بدون وقفه (UPS) و اینورترهای فتوولتائیک خورشیدی (PV) جایگزین شده است. توپولوژی های سه سطحی در حال تبدیل شدن به غالب هستند که با نام های I-Type و T-Type شناخته می شوند.

جنبه های زیادی وجود دارد که نیاز به بهبود دارند، از جمله کاهش ولتاژ در دستگاه های فعال برای کاهش تلفات، کاهش اعوجاج هارمونیک و امکان استفاده از اجزای کوچکتر. مهمتر از همه، این توپولوژی ها می توانند تلفات سوئیچینگ را به میزان قابل توجهی کاهش دهند و در هنگام سوئیچینگ در فرکانس های بالا از ۱۶ کیلوهرتز تا ۴۰ کیلوهرتز، کارایی را تا ۹۸ درصد به دست آورند.

شکل 7: توپولوژی های مبدل I-Type و T-Type مزایای زیادی در مقایسه با HB دارند.

نگاه به آینده

اگرچه برخی ممکن است فناوری IGBT را «سنتی» بدانند، اما هنوز هم نقش مهمی در کاربردهای توان بالا (ولتاژ/جریان بالا) ایفا میکند. فناوری IGBT همچنان در حال تکامل است، به طوری که مقادیر Vcesat به ۱ ولت نزدیک میشود و پیشرفتهای ساختاری، چگالی را افزایش و تلفات را کاهش میدهد.

مثل همیشه، هنگام استفاده از IGBTها، طراحان باید درک کاملی از الزامات کاربرد خود داشته باشند و توپولوژیهای مناسبی را برای اطمینان از نتایج و عملکرد بهینه انتخاب کنند.