Wszystko o IGBT

Nowoczesne płyty indukcyjne

Gotowanie indukcyjne zastąpiło tradycyjne ogrzewanie, przekazując energię cieplną na dno patelni/garnka za pośrednictwem elektrycznych elementów grzejnych. Działa w oparciu o zasadę prądów indukowanych krążących po dnie garnka. Aby płyta indukcyjna działała prawidłowo, dno garnka musi fizycznie znajdować się blisko cewki, a odpowiednie są tylko niektóre metale - te o dużej przenikalności magnetycznej.

Zasada jest podobna do zwykłych transformatorów mocy, z cewką jako uzwojeniem pierwotnym i dnem garnka jako uzwojeniem wtórnym. Ma wiele podobieństw z nowoczesną technologią ładowania indukcyjnego.

Ciepło potrzebne do podgrzania garnka pochodzi z prądów wirowych krążących w dolnej warstwie, a dokładniej z oporu, jaki stawiają te przepływy prądu. Dzięki sprzężeniu indukcyjnemu około 90% energii jest przekazywane w celu wytworzenia ciepła w garnku. Typowy piec z gładką płytą szklaną może przekazać jedynie około 70% energii, co skutkuje trzykrotną redukcją strat.

Zastosowana topologia nie różni się znacząco od obwodu spawalniczego. Główne zasilanie prądu przemiennego jest prostowane i zasila niewielki zasilacz pomocniczy dla falownika i sterownika. Falownik indukuje prąd w miedzianych cewkach, tworząc pole elektromagnetyczne, które indukuje prądy wirowe w naczyniu. Wytworzone ciepło jest równe oporowi dna garnka pomnożonemu przez kwadrat indukowanego prądu – tzw. „efekt Joule’a”

Rysunek 5: Przegląd typowego obwodu płyty indukcyjnej

W przeciwieństwie do spawarek schemat sterowania płytami indukcyjnymi opiera się zazwyczaj na schemacie zmiany częstotliwości. Chociaż jest to prosta metoda, wyzwanie polega na kontrolowaniu wymaganego zakresu częstotliwości dla mocy wyjściowej w szerokim zakresie.

Nawet przy wysokich częstotliwościach wymaganych w przypadku płyt indukcyjnych obwody przetwornika rezonansowego mogą pracować z dużą wydajnością. Dlatego w tym zastosowaniu powszechnie stosuje się przetwornice obwodów rezonansowych, zwłaszcza rezonansowe przetwornice półmostkowe (RHB) i falowniki quasi-rezonansowe (QR). Przetwornice RHB są szczególnie preferowane ze względu na ich zdolność do obsługi szerokiego zakresu obciążeń. Aby zminimalizować straty mocy, zwykle stosuje się zaawansowane techniki sterowania, takie jak przełączanie przy zerowym prądzie (ZCS) lub przełączanie przy zerowym napięciu (ZVS).

Rysunek 6: Typowe przykłady topologii RHB i QR

Ze względu na opłacalność tej topologii, konwertery QR są często stosowane w płytach indukcyjnych o małej mocy (poniżej 2 W mocy szczytowej).

Falowniki fotowoltaiczne i UPS

Używanie topologii półmostkowej w aplikacjach wymagających szybkiego przełączania wiąże się z wieloma wyzwaniami, w tym:

- Można osiągnąć tylko dwa napięcia wyjściowe

- Straty przełączania mogą być znaczne

- Prowadzenie dużych bram może być wyzwaniem

- Naprężenia komponentów wpływają na niezawodność

- Zwiększony prąd tętniący i zakłócenia elektromagnetyczne wymagają obszernego filtrowania

- Niekompatybilny z szyną prądu stałego wysokiego napięcia

- Projekt termiczny nie jest trywialny

W nowoczesnych zastosowaniach topologia HB jest zastępowana przez zastosowania krytyczne, takie jak zasilacze bezprzerwowe (UPS) i falowniki fotowoltaiczne (PV). Dominują topologie trójpoziomowe, znane jako typ I i typ T.

Istnieje wiele aspektów wymagających poprawy, w tym zmniejszenie napięcia na aktywnych urządzeniach w celu zmniejszenia strat, zmniejszenia zniekształceń harmonicznych i umożliwienia użycia mniejszych komponentów. Co najważniejsze, topologie te mogą znacznie zmniejszyć straty przełączania, osiągając wydajność do 98% przy przełączaniu przy wysokich częstotliwościach w zakresie od 16 kHz do 40 kHz.

Rysunek 7: Topologie konwerterów typu I i T mają wiele zalet w porównaniu z HB

Patrząc w przyszłość

Chociaż niektórzy mogą postrzegać technologię IGBT jako „tradycyjną”, nadal odgrywa ona ważną rolę w zastosowaniach dużej mocy (wysokie napięcie/prąd). Technologia IGBT stale się rozwija, a wartości Vcesat zbliżają się do 1 V, a udoskonalenia strukturalne zwiększają gęstość i zmniejszają straty.

Jak zawsze, podczas stosowania tranzystorów IGBT, projektanci muszą w pełni zrozumieć wymagania swojego zastosowania i wybrać odpowiednie topologie, aby zapewnić optymalne wyniki i wydajność.