Evolusi dan masa depan teknologi catu daya tungku induksi

Sebagai inti dari pemanasan industri modern, the development of induction heating power supply technology profoundly reflects the progress of power electronics. From early thyristor (SCR) power supplies to today’s mainstream Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) catu daya, the circuit topology has also evolved from series resonance to parallel resonance. This article reviews the development of IGBT power supply technology, compares the advantages and disadvantages of different circuit topologies, and looks ahead to the application prospects of next-generation Silicon Carbide (Sic) power devices.

The Rise of IGBT Technology: A Revolution in Induction Heating Power Supplies

Before the maturation of IGBT technology, induction heating power supplies primarily used thyristor-based medium-frequency power supplies. While this technology was mature and low-cost, it suffered from low operating frequencies, inefficient performance, and significant harmonic pollution to the power grid.

In the late 1980s and early 1990s, the IGBT—a fully-controlled power device combining the high input impedance of a MOSFET and the low on-state voltage drop of a GTR—began to emerge in the induction heating field. The advent of IGBTs brought revolutionary changes to induction heating power supplies:

• Higher Switching Frequencies: The switching speed of IGBTs is far superior to thyristors, allowing the power supply’s operating frequency to increase from a few kilohertz to tens or even hundreds of kilohertz. This enabled a wider range of heating applications, such as surface hardening and through-heating of small-diameter bars.
• Higher Efficiency: Kerugian konduksi dan switching IGBT yang relatif rendah secara signifikan meningkatkan efisiensi pasokan listrik secara keseluruhan, mengurangi konsumsi energi.
• Performa Kontrol Unggul: Sebagai perangkat yang dikontrol sepenuhnya, IGBT dapat mencapai pengaturan daya keluaran yang tepat dan cepat melalui teknik seperti Modulasi Lebar Pulsa (PWM), meningkatkan akurasi kontrol dan fleksibilitas proses pemanasan.
• Ukuran dan Berat Lebih Kecil: Peningkatan frekuensi operasi memungkinkan pengurangan besar dan berat komponen pasif seperti transformator, induktor, dan kapasitor, membuat peralatan lebih kompak.

Dari Seri ke Paralel: Evolusi Topologi Sirkuit

Untuk mencapai transfer energi yang efisien dalam pasokan listrik pemanas induksi, teknologi resonansi umumnya digunakan. Diantara mereka, resonansi seri dan resonansi paralel adalah dua topologi rangkaian utama.

Arus Utama Awal: Resonansi Seri

Catu daya pemanas induksi IGBT awal sering kali mengadopsi topologi resonansi seri. Ciri utamanya adalah kumparan induksi dan kapasitor kompensasi dihubungkan secara seri membentuk rangkaian resonansi seri.

Keuntungan

• Sederhana Rintisan: Rangkaian resonansi seri relatif mudah untuk dimulai, sehingga cocok untuk aplikasi yang memerlukan start dan stop yang sering.
• Stres Tegangan Rendah pada Perangkat: Dalam keadaan resonansi, beban tampak resistif murni, dan tegangan keluaran inverter konsisten dengan tegangan beban, menempatkan persyaratan tegangan yang lebih rendah pada IGBT.
• Karakteristik Arus Konstan Alami: Ketika frekuensi operasi menyimpang dari titik resonansi, impedansi rangkaian meningkat dengan cepat, memberikan efek pembatas arus yang membantu melindungi perangkat listrik selama arus pendek beban.

Kekurangan

• Pencocokan Beban yang Sulit: Resistansi ekivalen dari beban resonansi seri sangat rendah, membutuhkan transformator yang cocok untuk mencocokkan impedansi antara inverter dan beban. Hal ini menambah kompleksitas, biaya, dan kerugian pada sistem.
• Aplikasi Frekuensi Tinggi Terbatas: Dalam aplikasi frekuensi tinggi, induktansi kebocoran dan kapasitansi terdistribusi dari transformator yang cocok sangat mempengaruhi kinerjanya.
• Tantangan Perlindungan Arus Berlebih: Meskipun sifatnya yang membatasi arus secara alami, jika terjadi hubungan pendek di dekat titik resonansi, arusnya bisa meningkat tajam, menimbulkan ancaman signifikan terhadap IGBT dan mempersulit perlindungan.

Arus Utama Modern: Resonansi Paralel

Dengan kemajuan teknologi, the parallel resonant topology has gradually become the mainstream choice for medium and large-power induction furnace power supplies. Its characteristic is that the induction coil and the compensation capacitor are connected in parallel, forming a parallel resonant circuit.

Keuntungan

• Strong Load Adaptability: The equivalent impedance of a parallel resonant load is high, allowing it to be directly connected to the inverter’s output terminals without a matching transformer. This simplifies the circuit structure, improving efficiency and reliability.
• Wide Power Regulation Range: A wide range of power regulation can be easily achieved by adjusting the inverter’s output voltage or frequency.
• Natural Overvoltage Protection: The voltage across the parallel resonant circuit is highest at resonance. Ketika beban berubah atau menjadi rangkaian terbuka, tegangannya berkurang, memberikan tingkat perlindungan untuk perangkat seperti IGBT.
• Cocok untuk Aplikasi Daya Tinggi: Tidak adanya trafo keluaran membuatnya sangat menguntungkan dalam aplikasi daya tinggi, menghasilkan struktur yang lebih kompak dan biaya yang lebih rendah.

Kekurangan

• Relatif Kompleks Rintisan: Resonansi paralel memerlukan sirkuit startup dan strategi kontrol yang spesifik.
• Stres Arus Tinggi pada Komponen: Pada resonansi, arus yang mengalir melalui kumparan induksi dan kapasitor jauh lebih besar dibandingkan arus yang dikeluarkan oleh inverter. Hal ini memberikan tuntutan yang tinggi pada kapasitas hantar arus kapasitor kompensasi.

Kekuatan Pendorong Evolusi: Seiring dengan tuntutan tenaga yang semakin tinggi, efisiensi, dan keandalan tungku induksi meningkat, topologi resonansi paralel, dengan kelebihannya menghilangkan trafo yang cocok, struktur sederhana, dan kemudahan mencapai kekuatan tinggi, secara bertahap menggantikan resonansi seri untuk menjadi solusi pilihan untuk frekuensi menengah hingga tinggi, pasokan listrik tungku induksi berdaya tinggi.

Melihat ke Masa Depan: Prospek Penerapan Silikon Karbida (Sic) Perangkat Listrik

Meskipun teknologi IGBT sudah sangat matang, kinerjanya mendekati batas fisik bahan silikon. Untuk lebih meningkatkan kinerja pasokan listrik pemanas induksi, industri telah mengalihkan perhatiannya pada bahan semikonduktor celah pita lebar generasi ketiga, diwakili oleh Silikon Karbida (Sic).

Dibandingkan dengan IGBT berbasis silikon tradisional, MOSFET SiC menawarkan keuntungan signifikan berikut ini.

The Transformation Brought by SiC Technology

• Ultimate Performance Improvement: Catu daya pemanas induksi yang menggunakan perangkat SiC diharapkan mengalami peningkatan efisiensi dari saat ini ~95% dengan IGBT menjadi lebih dari itu. 98%. Sementara itu, peningkatan substansial dalam frekuensi pengoperasian akan membuka aplikasi baru untuk pemanasan induksi frekuensi sangat tinggi (MISALNYA., pertumbuhan bahan semikonduktor, pengelasan perangkat medis presisi).
• Miniaturisasi Sistem dan Bobot Lebih Ringan: Karena frekuensi switching yang lebih tinggi dan kerugian yang lebih rendah, ukuran komponen magnetik (induktor, Transformer) dan heat sink dapat dikurangi secara signifikan, mencapai kepadatan daya yang lebih tinggi.
• Keandalan Lebih Besar: Ketahanan suhu tinggi yang sangat baik dan kenaikan suhu pengoperasian yang lebih rendah pada perangkat SiC menghasilkan masa pakai yang lebih lama dan keandalan sistem yang lebih tinggi.

Tantangan dan Pandangan

Saat ini, tantangan utama perangkat SiC adalah biayanya yang relatif tinggi dan kompleksitas desain sirkuit drivernya. Namun, seiring dengan matangnya proses manufaktur dan skala pasar yang meluas, biaya perangkat SiC menurun dengan cepat. Hal ini dapat diperkirakan dalam waktu dekat, setelah masalah biaya teratasi, perangkat semikonduktor celah pita lebar yang diwakili oleh SiC secara bertahap akan menggantikan IGBT untuk menjadi inti dari generasi berikutnya yang berefisiensi tinggi., frekuensi tinggi, pasokan listrik tungku induksi kepadatan daya tinggi, memimpin teknologi pemanas induksi ke tingkat yang baru.

Kesimpulan

Dari seri ke paralel, dari thyristor ke IGBT, perkembangan teknologi pasokan listrik tungku induksi secara konsisten mengupayakan efisiensi yang lebih tinggi, keandalan yang lebih kuat, dan kinerja kontrol yang lebih baik. Each technological iteration has brought profound changes to the industrial heating sector. Hari ini, we stand on the threshold of a new technological revolution. The next generation of power devices, centered on Silicon Carbide (Sic), will reshape the future of induction heating power supplies with their unparalleled performance advantages, injecting powerful new momentum into energy conservation, emission reduction, and the transformation of the manufacturing industry.