Tudo sobre IGBT

Cooktops de indução modernos

O cozimento por indução substituiu o aquecimento tradicional, transferindo energia térmica para o fundo de uma panela/panela por meio de elementos de aquecimento elétrico. Funciona com base no princípio das correntes induzidas que circulam no fundo do pote. Para que os cooktops de indução funcionem corretamente, o fundo da panela deve estar fisicamente próximo da bobina, e apenas alguns metais são adequados - aqueles com alta permeabilidade magnética.

O princípio é semelhante aos transformadores de potência comuns, com a bobina como primário e a parte inferior do potenciômetro como secundário. Ele também compartilha muitas semelhanças com a moderna tecnologia de carregamento por indução.

O calor necessário para aquecer a panela provém das correntes parasitas que circulam na camada inferior ou, mais especificamente, da resistência oferecida por esses fluxos de corrente. Através do acoplamento indutivo, aproximadamente 90% da energia é transferida para gerar calor na panela. Um típico fogão liso com tampo de vidro só pode transmitir cerca de 70% da energia, resultando em uma redução de três vezes nas perdas.

A topologia utilizada não é significativamente diferente de um circuito de soldagem. A alimentação CA principal é retificada e aciona uma pequena fonte de alimentação auxiliar para o inversor e controlador. O inversor induz a corrente em bobinas de cobre, criando um campo eletromagnético que induz correntes parasitas no potenciômetro. O calor gerado é igual à resistência do fundo da panela multiplicada pelo quadrado da corrente induzida - conhecido como “efeito Joule”.

Figura 5: Visão geral de um circuito típico de cooktop de indução

Ao contrário das máquinas de solda, o esquema de controle para cooktops de indução é normalmente um esquema de variação de frequência. Embora este seja um método simples, o desafio reside em controlar a faixa de frequência necessária para a potência de saída em uma ampla faixa.

Mesmo nas altas frequências exigidas para cooktops de indução, os circuitos conversores ressonantes podem operar com alta eficiência. Portanto, conversores de circuito ressonante são comumente usados para esta aplicação, especialmente conversores ressonantes de meia ponte (RHB) e inversores quase-ressonantes (QR). Os conversores RHB são particularmente preferidos devido à sua capacidade de lidar com uma ampla gama de cargas. Técnicas de controle avançadas, como comutação de corrente zero (ZCS) ou comutação de tensão zero (ZVS), são normalmente empregadas para manter as perdas de energia ao mínimo.

Figura 6: Exemplos Típicos de Topologias RHB e QR

Devido à relação custo-benefício desta topologia, os conversores QR são frequentemente usados em aplicações de cooktops de indução de baixa potência (abaixo de 2W de potência de pico).

Inversores solares e UPS

Ao usar a topologia meia ponte em aplicações que exigem comutação rápida, existem muitos desafios, incluindo:

- Apenas duas tensões de saída podem ser alcançadas

- As perdas de comutação podem ser significativas

- Dirigir pelos grandes portões pode ser um desafio

- O estresse dos componentes afeta a confiabilidade

- O aumento da corrente de ondulação e EMI requerem filtragem extensa

- Incompatível com barramento CC de alta tensão

- O design térmico não é trivial

Nas aplicações modernas, a topologia HB está sendo substituída por aplicações críticas, como fontes de alimentação ininterruptas (UPS) e inversores solares fotovoltaicos (PV). As topologias de três níveis estão se tornando dominantes, conhecidas como I-Type e T-Type.

Há muitos aspectos que precisam ser melhorados, incluindo a redução da tensão nos dispositivos ativos para diminuir as perdas, reduzir a distorção harmônica e permitir o uso de componentes menores. Mais importante ainda, essas topologias podem reduzir significativamente as perdas de comutação, alcançando eficiência de até 98% ao comutar em altas frequências, variando de 16 kHz a 40 kHz.

Figura 7: As topologias de conversor tipo I e tipo T têm muitas vantagens em comparação com HB

Olhando para o futuro

Embora alguns possam considerar a tecnologia IGBT como "tradicional", ela ainda desempenha um papel importante em aplicações de alta potência (alta tensão/corrente). A tecnologia IGBT continua a evoluir, com valores de Vcesat se aproximando de 1 V e melhorias estruturais que aumentam a densidade e reduzem as perdas.

Como sempre, ao usar IGBTs, os projetistas devem ter um entendimento completo dos requisitos de sua aplicação e selecionar topologias apropriadas para garantir resultados e desempenho ideais.