Modern İndüksiyonlu Ocaklar

İndüksiyonla pişirme, ısı enerjisini elektrikli ısıtma elemanları aracılığıyla tavanın/tencerenin tabanına aktararak geleneksel ısıtmanın yerini almıştır. Tencerenin dibinde dolaşan indüklenen akımlar prensibine göre çalışır. İndüksiyonlu ocakların düzgün çalışması için tencerenin tabanının fiziksel olarak bobine yakın olması gerekir ve yalnızca belirli metaller (yüksek manyetik geçirgenliğe sahip olanlar) uygundur.

Prensip, bobinin birincil ve tencerenin tabanının ikincil olduğu ortak güç transformatörlerine benzer. Modern indüksiyonlu şarj teknolojisiyle de pek çok benzerliği paylaşıyor.

Tencereyi ısıtmak için gereken ısı, alt katmanda dolaşan girdap akımlarından veya daha spesifik olarak bu akım akışlarının sunduğu dirençten gelir. Endüktif bağlantı sayesinde enerjinin yaklaşık %90'ı tencerede ısı üretmek için aktarılır. Tipik bir pürüzsüz cam tavanlı soba, enerjinin yalnızca %70'ini iletebilir, bu da kayıplarda üç kat azalma sağlar.

Kullanılan topoloji kaynak devresinden önemli ölçüde farklı değildir. Ana AC gücü düzeltilir ve invertör ve kontrolör için küçük bir yardımcı güç kaynağını çalıştırır. İnvertör, akımı bakır bobinlere indükleyerek tencerede girdap akımlarını indükleyen bir elektromanyetik alan yaratır. Üretilen ısı, tencerenin tabanının direncinin indüklenen akımın karesiyle çarpımına eşittir; "Joule etkisi" olarak bilinir.

Şekil 5: Tipik Bir İndüksiyonlu Ocak Devresine Genel Bakış

Kaynak makinelerinin aksine, indüksiyonlu ocakların kontrol şeması tipik olarak bir frekans değişim şemasıdır. Bu basit bir yöntem olsa da zorluk, geniş bir aralıkta çıkış gücü için gerekli frekans aralığının kontrol edilmesinde yatmaktadır.

İndüksiyonlu ocaklar için gereken yüksek frekanslarda bile rezonans dönüştürücü devreler yüksek verimle çalışabilmektedir. Bu nedenle rezonans devre dönüştürücüler, özellikle rezonans yarım köprü (RHB) dönüştürücüler ve yarı rezonans (QR) invertörler olmak üzere bu uygulama için yaygın olarak kullanılır. RHB dönüştürücüler, çok çeşitli yükleri kaldırabilme yetenekleri nedeniyle özellikle tercih edilir. Sıfır akım anahtarlama (ZCS) veya sıfır voltaj anahtarlama (ZVS) gibi gelişmiş kontrol teknikleri genellikle güç kayıplarını minimumda tutmak için kullanılır.

Şekil 6: RHB ve QR Topolojilerinin Tipik Örnekleri

Bu topolojinin maliyet etkinliği nedeniyle, QR dönüştürücüler genellikle düşük güçlü (2W tepe gücünün altında) indüksiyonlu ocak uygulamalarında kullanılır.

Solar invertörler ve UPS

Hızlı anahtarlama gerektiren uygulamalarda yarım köprü topolojisini kullanırken aşağıdakiler de dahil olmak üzere birçok zorlukla karşılaşabilirsiniz:

- Yalnızca iki çıkış voltajına ulaşılabilir

- Anahtarlama kayıpları önemli olabilir

- Büyük kapıları sürmek zor olabilir

- Bileşen gerilimi güvenilirliği etkiler

- Artan dalgalanma akımı ve EMI kapsamlı filtreleme gerektirir

- Yüksek voltajlı DC veriyoluyla uyumlu değil

- Termal tasarım önemsiz değildir

Modern uygulamalarda HB topolojisinin yerini Kesintisiz Güç Kaynakları (UPS) ve güneş fotovoltaik (PV) invertörleri gibi kritik uygulamalar alıyor. I-Type ve T-Type olarak bilinen üç seviyeli topolojiler baskın hale geliyor.

Kayıpları azaltmak, harmonik bozulmayı azaltmak ve daha küçük bileşenlerin kullanımına izin vermek için aktif cihazlardaki voltajın azaltılması da dahil olmak üzere iyileştirilmesi gereken birçok husus vardır. En önemlisi, bu topolojiler anahtarlama kayıplarını önemli ölçüde azaltabilir ve 98 kHz ile 16 kHz arasındaki yüksek frekanslarda anahtarlama yaparken %40'e varan verimlilik elde edebilir.

Şekil 7: I-Tipi ve T-Tipi Dönüştürücü Topolojilerin HB'ye kıyasla birçok avantajı vardır

Geleceğe bakmak

Bazıları IGBT teknolojisini "geleneksel" olarak görse de, yüksek güçlü (yüksek voltaj/akım) uygulamalarda hala önemli bir rol oynamaktadır. IGBT teknolojisi, Vcesat değerlerinin 1V'a yaklaşması ve yoğunluğu artırıp kayıpları azaltan yapısal iyileştirmelerle gelişmeye devam etmektedir.

Her zaman olduğu gibi, IGBT'leri kullanırken tasarımcıların uygulama gereksinimlerini tam olarak anlamaları ve en iyi sonuçları ve performansı sağlamak için uygun topolojileri seçmeleri gerekir.