Tutto ciò che riguarda IGBT

Piani cottura a induzione moderni

La cottura a induzione ha sostituito il riscaldamento tradizionale trasferendo l'energia termica sul fondo di una padella/pentola attraverso resistenze elettriche. Funziona in base al principio delle correnti indotte che circolano sul fondo della pentola. Affinché i piani cottura a induzione funzionino correttamente, il fondo della pentola deve essere fisicamente vicino alla bobina e solo alcuni metalli sono adatti, quelli con elevata permeabilità magnetica.

Il principio è simile ai comuni trasformatori di potenza, con la bobina come primario e il fondo della pentola come secondario. Condivide molte somiglianze anche con la moderna tecnologia di ricarica a induzione.

Il calore necessario per riscaldare la pentola proviene dalle correnti parassite che circolano nello strato inferiore o, più precisamente, dalla resistenza offerta da questi flussi di corrente. Attraverso l'accoppiamento induttivo, circa il 90% dell'energia viene trasferita per generare calore nella pentola. Una tipica stufa liscia con piano in vetro può trasmettere solo circa il 70% dell'energia, con una conseguente riduzione di tre volte delle perdite.

La topologia utilizzata non è significativamente diversa da un circuito di saldatura. L'alimentazione CA principale viene raddrizzata e alimenta una piccola alimentazione ausiliaria per l'inverter e il controller. L'inverter induce la corrente nelle bobine di rame, creando un campo elettromagnetico che induce correnti parassite nella pentola. Il calore generato è pari alla resistenza del fondo della pentola moltiplicata per il quadrato della corrente indotta - noto come "effetto Joule"

Figura 5: Panoramica di un tipico circuito di piano cottura a induzione

A differenza delle saldatrici, lo schema di controllo per i piani cottura a induzione è tipicamente uno schema di variazione di frequenza. Sebbene si tratti di un metodo semplice, la sfida sta nel controllare la gamma di frequenza richiesta per la potenza di uscita su un ampio intervallo.

Anche alle alte frequenze richieste per i piani cottura a induzione, i circuiti convertitori risonanti possono funzionare con elevata efficienza. Pertanto, per questa applicazione vengono comunemente utilizzati convertitori di circuiti risonanti, in particolare convertitori risonanti a mezzo ponte (RHB) e inverter quasi risonanti (QR). I convertitori RHB sono particolarmente apprezzati per la loro capacità di gestire un'ampia gamma di carichi. Tecniche di controllo avanzate come la commutazione a corrente zero (ZCS) o la commutazione a tensione zero (ZVS) vengono generalmente impiegate per mantenere le perdite di potenza al minimo.

Figura 6: esempi tipici di topologie RHB e QR

Grazie al rapporto costo-efficacia di questa topologia, i convertitori QR vengono spesso utilizzati in applicazioni di piani cottura a induzione a bassa potenza (sotto i 2 W di potenza di picco).

inverter solari e UPS

Quando si utilizza la topologia half-bridge in applicazioni che richiedono una commutazione rapida, si presentano numerose sfide, tra cui:

- È possibile ottenere solo due tensioni di uscita

- Le perdite di commutazione possono essere significative

- Guidare i grandi cancelli può essere impegnativo

- Lo stress dei componenti influisce sull'affidabilità

- L'aumento della corrente di ripple e delle EMI richiedono un filtraggio esteso

- Incompatibile con il bus CC ad alta tensione

- La progettazione termica non è banale

Nelle applicazioni moderne, la topologia HB viene sostituita da applicazioni critiche come gruppi di continuità (UPS) e inverter solari fotovoltaici (PV). Stanno diventando dominanti le topologie a tre livelli, note come I-Type e T-Type.

Ci sono molti aspetti che necessitano di miglioramenti, inclusa la riduzione della tensione sui dispositivi attivi per ridurre le perdite, ridurre la distorsione armonica e consentire l'uso di componenti più piccoli. Ancora più importante, queste topologie possono ridurre significativamente le perdite di commutazione, raggiungendo un'efficienza fino al 98% quando si commuta ad alte frequenze comprese tra 16 kHz e 40 kHz.

Figura 7: Le topologie dei convertitori di tipo I e T presentano molti vantaggi rispetto a HB

Guardando al futuro

Sebbene alcuni possano considerare la tecnologia IGBT come "tradizionale", essa svolge ancora un ruolo importante nelle applicazioni ad alta potenza (alta tensione/corrente). La tecnologia IGBT continua a evolversi, con valori di Vcesat prossimi a 1 V e miglioramenti strutturali che aumentano la densità e riducono le perdite.

Come sempre, quando si utilizzano gli IGBT, i progettisti devono avere una conoscenza approfondita dei requisiti della loro applicazione e selezionare topologie appropriate per garantire risultati e prestazioni ottimali.