Alles over IGBT

Moderne inductiekookplaten

Koken op inductie heeft de traditionele verwarming vervangen door warmte-energie via elektrische verwarmingselementen naar de bodem van een pan/pot over te brengen. Het werkt op basis van het principe van geïnduceerde stromen die in de bodem van de pot circuleren. Om inductiekookplaten goed te laten functioneren, moet de bodem van de pan zich fysiek dicht bij de spoel bevinden, en alleen bepaalde metalen zijn geschikt: die met een hoge magnetische permeabiliteit.

Het principe is vergelijkbaar met gewone stroomtransformatoren, met de spoel als primaire en de bodem van de pot als secundaire. Het deelt ook veel overeenkomsten met de moderne inductielaadtechnologie.

De warmte die nodig is voor het verwarmen van de pot is afkomstig van de wervelstromen die in de onderste laag circuleren of, meer specifiek, van de weerstand die deze stroomstromen bieden. Door inductieve koppeling wordt ongeveer 90% van de energie overgedragen om warmte in de pot te genereren. Een typische kachel met een glad glasblad kan slechts ongeveer 70% van de energie overbrengen, wat resulteert in een drievoudige vermindering van de verliezen.

De gebruikte topologie verschilt niet significant van die van een lascircuit. De hoofdstroomvoorziening wordt gelijkgericht en drijft een kleine hulpvoeding aan voor de omvormer en de controller. De omvormer induceert de stroom in koperen spoelen, waardoor een elektromagnetisch veld ontstaat dat wervelstromen in de pot induceert. De gegenereerde warmte is gelijk aan de weerstand van de bodem van de pot, vermenigvuldigd met het kwadraat van de geïnduceerde stroom - bekend als het "Joule-effect".

Figuur 5: Overzicht van een typisch inductiekookplaatcircuit

In tegenstelling tot lasmachines is het besturingsschema voor inductiekookplaten doorgaans een frequentievariatieschema. Hoewel dit een eenvoudige methode is, ligt de uitdaging in het beheersen van het vereiste frequentiebereik voor uitgangsvermogen over een breed bereik.

Zelfs bij de hoge frequenties die nodig zijn voor inductiekookplaten kunnen resonante convertorcircuits met een hoog rendement werken. Daarom worden voor deze toepassing gewoonlijk resonante circuitomzetters gebruikt, met name resonante halvebrugomzetters (RHB) en quasi-resonante (QR) omzetters. RHB-converters genieten vooral de voorkeur vanwege hun vermogen om een breed scala aan belastingen aan te kunnen. Geavanceerde besturingstechnieken zoals nulstroomschakeling (ZCS) of nulspanningsschakeling (ZVS) worden doorgaans gebruikt om vermogensverliezen tot een minimum te beperken.

Figuur 6: Typische voorbeelden van RHB- en QR-topologieën

Vanwege de kosteneffectiviteit van deze topologie worden QR-converters vaak gebruikt in inductiekookplaten met laag vermogen (minder dan 2 W piekvermogen).

Omvormers voor zonne-energie en UPS

Bij het gebruik van de halve-brugtopologie in toepassingen die snel schakelen vereisen, zijn er veel uitdagingen, waaronder:

- Er kunnen slechts twee uitgangsspanningen worden bereikt

- Schakelverliezen kunnen aanzienlijk zijn

- Het besturen van de grote poorten kan een uitdaging zijn

- Componentspanning beïnvloedt de betrouwbaarheid

- Verhoogde rimpelstroom en EMI vereisen uitgebreide filtering

- Incompatibel met DC-hoogspanningsbus

- Thermisch ontwerp is niet triviaal

In moderne toepassingen wordt de HB-topologie vervangen door kritische toepassingen zoals Uninterruptible Power Supplies (UPS) en fotovoltaïsche (PV) omvormers voor zonne-energie. Topologieën op drie niveaus worden dominant, bekend als I-Type en T-Type.

Er zijn veel aspecten die verbetering behoeven, waaronder het verlagen van de spanning over de actieve apparaten om verliezen te verminderen, harmonische vervorming te verminderen en het gebruik van kleinere componenten mogelijk te maken. Het belangrijkste is dat deze topologieën de schakelverliezen aanzienlijk kunnen verminderen, waardoor een efficiëntie tot 98% wordt bereikt bij het schakelen op hoge frequenties variërend van 16 kHz tot 40 kHz.

Afbeelding 7: I-Type- en T-Type-convertertopologieën hebben veel voordelen vergeleken met HB

Kijkend naar de toekomst

Hoewel sommigen IGBT-technologie als "traditioneel" beschouwen, speelt het nog steeds een belangrijke rol in toepassingen met hoog vermogen (hoge spanning/stroom). IGBT-technologie blijft zich ontwikkelen, met Vcesat-waarden die 1 V naderen en structurele verbeteringen die de dichtheid verhogen en verliezen verminderen.

Zoals altijd is het bij het gebruik van IGBT's van belang dat ontwerpers de vereisten van hun applicatie volledig begrijpen en de juiste topologieën selecteren om optimale resultaten en prestaties te garanderen.