Mọi thứ về IGBT

Bếp điện từ hiện đại

Nấu ăn bằng cảm ứng đã thay thế hệ thống sưởi truyền thống bằng cách truyền năng lượng nhiệt xuống đáy chảo/nồi thông qua các bộ phận làm nóng bằng điện. Nó hoạt động dựa trên nguyên lý dòng điện cảm ứng tuần hoàn bên trong đáy nồi. Để bếp từ hoạt động bình thường, đáy nồi phải gần với cuộn dây và chỉ một số kim loại nhất định mới phù hợp - những kim loại có tính thấm từ cao.

Nguyên lý hoạt động tương tự như các máy biến áp điện thông thường, trong đó cuộn dây là cuộn sơ cấp và đáy nồi là cuộn thứ cấp. Nó cũng có nhiều điểm tương đồng với công nghệ sạc cảm ứng hiện đại.

Nhiệt lượng cần thiết để làm nóng nồi đến từ dòng điện xoáy lưu thông ở lớp dưới cùng hay cụ thể hơn là từ điện trở do các dòng điện này mang lại. Thông qua khớp nối cảm ứng, khoảng 90% năng lượng được truyền để tạo ra nhiệt trong nồi. Một chiếc bếp có mặt kính nhẵn thông thường chỉ có thể truyền khoảng 70% năng lượng, giúp giảm tổn thất gấp ba lần.

Cấu trúc liên kết được sử dụng không khác biệt đáng kể so với mạch hàn. Nguồn điện xoay chiều chính được chỉnh lưu và điều khiển một nguồn điện phụ nhỏ cho bộ biến tần và bộ điều khiển. Biến tần tạo ra dòng điện vào cuộn dây đồng, tạo ra trường điện từ tạo ra dòng điện xoáy trong nồi. Nhiệt lượng sinh ra bằng điện trở của đáy nồi nhân với bình phương dòng điện cảm ứng - gọi là "hiệu ứng Joule".

Hình 5: Tổng quan về mạch bếp từ điển hình

Không giống như máy hàn, sơ đồ điều khiển bếp từ thường là sơ đồ biến đổi tần số. Mặc dù đây là một phương pháp đơn giản nhưng thách thức nằm ở việc kiểm soát dải tần số cần thiết cho công suất đầu ra trên một phạm vi rộng.

Ngay cả ở tần số cao cần thiết cho bếp từ, mạch chuyển đổi cộng hưởng vẫn có thể hoạt động với hiệu suất cao. Do đó, các bộ biến đổi mạch cộng hưởng thường được sử dụng cho ứng dụng này, đặc biệt là các bộ biến đổi nửa cầu cộng hưởng (RHB) và bộ biến tần bán cộng hưởng (QR). Bộ chuyển đổi RHB đặc biệt được ưa chuộng do khả năng xử lý nhiều loại tải. Các kỹ thuật điều khiển tiên tiến như chuyển mạch dòng điện bằng 0 (ZCS) hoặc chuyển mạch điện áp bằng 0 (ZVS) thường được sử dụng để giảm thiểu tổn thất điện năng.

Hình 6: Các ví dụ điển hình về cấu trúc liên kết RHB và QR

Do tính hiệu quả về mặt chi phí của cấu trúc liên kết này, bộ chuyển đổi QR thường được sử dụng trong các ứng dụng bếp cảm ứng công suất thấp (dưới 2W công suất cực đại).

Biến tần năng lượng mặt trời và UPS

Khi sử dụng cấu trúc liên kết nửa cầu trong các ứng dụng yêu cầu chuyển mạch nhanh, có rất nhiều thách thức, bao gồm:

- Chỉ có thể đạt được hai điện áp đầu ra

- Tổn thất chuyển mạch có thể đáng kể

- Lái xe qua cổng lớn có thể là một thử thách

- Ứng suất thành phần ảnh hưởng đến độ tin cậy

- Dòng điện gợn tăng và EMI yêu cầu lọc rộng rãi

- Không tương thích với bus DC điện áp cao

- Thiết kế tản nhiệt không hề tầm thường

Trong các ứng dụng hiện đại, cấu trúc liên kết HB đang được thay thế bằng các ứng dụng quan trọng như Bộ nguồn điện liên tục (UPS) và bộ biến tần quang điện mặt trời (PV). Cấu trúc liên kết ba cấp độ đang trở nên thống trị, được gọi là I-Type và T-Type.

Có nhiều khía cạnh cần cải thiện, bao gồm giảm điện áp trên các thiết bị đang hoạt động để giảm tổn thất, giảm méo sóng hài và cho phép sử dụng các thành phần nhỏ hơn. Quan trọng nhất, các cấu trúc liên kết này có thể giảm đáng kể tổn thất chuyển mạch, đạt hiệu suất lên tới 98% khi chuyển mạch ở tần số cao từ 16 kHz đến 40 kHz.

Hình 7: Cấu trúc chuyển đổi I-Type và T-Type có nhiều ưu điểm so với HB

Nhìn về tương lai

Mặc dù một số người có thể coi công nghệ IGBT là "truyền thống", nhưng nó vẫn đóng một vai trò quan trọng trong các ứng dụng công suất cao (điện áp/dòng điện cao). Công nghệ IGBT tiếp tục phát triển, với giá trị Vcesat đạt gần 1V, cùng với những cải tiến về cấu trúc giúp tăng mật độ và giảm tổn thất.

Như thường lệ, khi sử dụng IGBT, các nhà thiết kế phải hiểu đầy đủ các yêu cầu ứng dụng của họ và lựa chọn cấu trúc phù hợp để đảm bảo kết quả và hiệu suất tối ưu.