Tables de cuisson à induction modernes

La cuisson par induction a remplacé le chauffage traditionnel en transférant l'énergie thermique au fond d'une casserole/casserole via des éléments chauffants électriques. Son fonctionnement repose sur le principe de courants induits circulant au fond du pot. Pour que les tables de cuisson à induction fonctionnent correctement, le fond de la casserole doit être physiquement proche de la bobine, et seuls certains métaux conviennent, ceux à haute perméabilité magnétique.

Le principe est similaire à celui des transformateurs de puissance courants, avec la bobine comme primaire et le fond du pot comme secondaire. Il partage également de nombreuses similitudes avec la technologie moderne de charge par induction.

La chaleur nécessaire au chauffage du pot provient des courants de Foucault circulant dans la couche inférieure ou, plus précisément, de la résistance offerte par ces flux de courants. Grâce au couplage inductif, environ 90 % de l'énergie est transférée pour générer de la chaleur dans le pot. Un poêle typique à surface en verre lisse ne peut transmettre qu'environ 70 % de l'énergie, ce qui entraîne une réduction de trois fois des pertes.

La topologie utilisée n'est pas significativement différente d'un circuit de soudage. L'alimentation secteur principale est redressée et alimente une petite alimentation auxiliaire pour l'onduleur et le contrôleur. L'onduleur induit le courant dans les bobines de cuivre, créant ainsi un champ électromagnétique qui induit des courants de Foucault dans le pot. La chaleur générée est égale à la résistance du fond de la casserole multipliée par le carré du courant induit – appelé « effet Joule ».

Figure 5 : Présentation d'un circuit typique de table de cuisson à induction

Contrairement aux machines à souder, le système de contrôle des tables de cuisson à induction est généralement un système de variation de fréquence. Bien qu'il s'agisse d'une méthode simple, le défi réside dans le contrôle de la plage de fréquences requise pour la puissance de sortie sur une large plage.

Même aux hautes fréquences requises pour les tables de cuisson à induction, les circuits convertisseurs résonants peuvent fonctionner avec un rendement élevé. Par conséquent, les convertisseurs à circuit résonant sont couramment utilisés pour cette application, en particulier les convertisseurs en demi-pont résonant (RHB) et les inverseurs quasi-résonants (QR). Les convertisseurs RHB sont particulièrement appréciés en raison de leur capacité à gérer une large gamme de charges. Des techniques de contrôle avancées telles que la commutation à courant nul (ZCS) ou la commutation à tension nulle (ZVS) sont généralement utilisées pour minimiser les pertes de puissance.

Figure 6 : Exemples typiques de topologies RHB et QR

En raison de la rentabilité de cette topologie, les convertisseurs QR sont souvent utilisés dans les applications de table de cuisson à induction de faible puissance (inférieure à 2 W de puissance maximale).

Onduleurs solaires et UPS

Lors de l'utilisation de la topologie en demi-pont dans des applications nécessitant une commutation rapide, de nombreux défis se posent, notamment :

- Seules deux tensions de sortie peuvent être obtenues

- Les pertes de commutation peuvent être importantes

- Conduire les grandes portes peut être un défi

- La contrainte des composants affecte la fiabilité

- L'augmentation du courant d'ondulation et des EMI nécessitent un filtrage approfondi

- Incompatible avec le bus DC haute tension

- La conception thermique n'est pas anodine

Dans les applications modernes, la topologie HB est remplacée par des applications critiques telles que les alimentations sans interruption (UPS) et les onduleurs solaires photovoltaïques (PV). Les topologies à trois niveaux deviennent dominantes, connues sous le nom de type I et type T.

De nombreux aspects doivent être améliorés, notamment la réduction de la tension aux bornes des dispositifs actifs afin de réduire les pertes, de réduire la distorsion harmonique et de permettre l'utilisation de composants plus petits. Plus important encore, ces topologies peuvent réduire considérablement les pertes de commutation, atteignant une efficacité jusqu'à 98 % lors de la commutation à des fréquences élevées allant de 16 kHz à 40 kHz.

Figure 7 : Les topologies de convertisseur de type I et de type T présentent de nombreux avantages par rapport au HB

Regarder vers l'avenir

Bien que certains considèrent la technologie IGBT comme « traditionnelle », elle joue toujours un rôle important dans les applications haute puissance (tension/courant élevés). La technologie IGBT continue d'évoluer, avec des valeurs Vcesat approchant 1 V et des améliorations structurelles augmentant la densité et réduisant les pertes.

Comme toujours, lors de l’utilisation d’IGBT, les concepteurs doivent avoir une compréhension complète des exigences de leur application et sélectionner des topologies appropriées pour garantir des résultats et des performances optimaux.