Как ядро современного промышленного отопления, Разработка технологии индукционного нагрева питания глубоко отражает прогресс электроники электроники. От раннего тиристора (Скрипт) Поставки питания в современную основную изолированную биполярную транзистор (БТИЗ) питания, Топология схемы также превратилась из серии резонанса до параллельного резонанса. В этой статье рассматривается разработка технологии электроснабжения IGBT, сравнивает преимущества и недостатки различных топологий цепи, и смотрит вперед на перспективы применения карбида кремния следующего поколения (Sic) силовые устройства.
Рост технологии IGBT: Революция в индукционной нагревательной энергии
Перед созреванием технологии IGBT, Индукционная нагревательная питание в основном использовалось среднечастотные расходные материалы на основе тиристора. Пока эта технология была зрелой и недорогой, Он страдал от низких частот эксплуатации, неэффективная производительность, и значительное гармоническое загрязнение для сетки власти.
В конце 1980 -х и начале 1990 -х годов, IGBT-полностью контролируемое силовое устройство, объединяющее высокий входной импеданс MOSFET, и низкое падение напряжения в штате GTR-будь то, чтобы появиться в поле индукционного нагрева. Появление IGBT принесло революционные изменения в индукционном нагревании источников питания:
- Более высокие частоты переключения: Скорость переключения IGBT намного превосходит Thyristors, позволяя рабочей частоте питания увеличиваться с нескольких килохерц до десятков или даже сотен килохерц. Это позволило более широкому диапазону приложений для отопления, такие как упрочнение поверхности и нагрев батончиков с небольшим диаметром.
- Более высокая эффективность: Относительно низкие потери проводимости и переключения IGBT значительно улучшили общую эффективность источника питания, снижение энергопотребления.
- Превосходная производительность управления: Как полностью контролируемые устройства, IGBT могут достичь точной и быстрой регуляции выходной мощности с помощью методов, таких как модуляция ширины импульса (Шир), повышение точности управления и гибкости процесса нагрева.
- Меньший размер и вес: Увеличение рабочей частоты позволило значительно снизить размер и вес пассивных компонентов, таких как трансформаторы, индукторы, и конденсаторы, сделать оборудование более компактным.
От серии до параллельно: Эволюция топологий схемы
Для достижения эффективного переноса энергии при индукционной нагревательной энергии, Резонансная технология обычно используется. Среди них, Серия резонанс и параллельный резонанс - две топологии первичной цепи.
Ранний мейнстрим: Сериал резонанс
Ранняя индукционная мощность индукции IGBT часто принимает серию резонансную топологию. Его основная характеристика заключается в том, что индукционная катушка и конденсатор компенсационный.
Преимущества
- Простой Запускать: Резонансная схема серии относительно легко запустить, сделать его подходящим для приложений, требующих частых запуска и остановки.
- Низкое напряжение напряжения на устройствах: В резонансном состоянии, нагрузка выглядит чисто резистивной, и выходное напряжение инвертора согласуется с напряжением нагрузки, Установка требований более низкого напряжения на IGBT.
- Естественные характеристики постоянного тока: Когда рабочая частота отклоняется от резонансной точки, импеданс схемы быстро увеличивается, предоставление эффекта, ограничивающего ток, который помогает защитить силовые устройства во время короткого замыкания нагрузки.
Недостатки
- Сложное сопоставление нагрузки: Эквивалентное сопротивление серии резонансной нагрузки очень низкое, Требование соответствующего трансформатора соответствовать импедансу между инвертором и нагрузкой. Это добавляет сложность, расходы, и убытки для системы.
- Ограниченное высокочастотное приложение: В высокочастотных приложениях, Индуктивность утечки и распределенная емкость соответствующего трансформатора сильно влияют на его производительность.
- Проблемы защиты над током: Несмотря на свои естественные свойства, ограничивающие ток, Если короткое замыкание происходит вблизи резонансной точки, ток может резко подняться, создавая значительную угрозу для IGBT и сложной защиты.
Современный мейнстрим: Параллельный резонанс
С технологическими достижениями, Параллельная резонансная топология постепенно становится основным выбором для средней и большей мощной индукционной печи питания. Его характеристика заключается в том, что индукционная катушка и компенсационный конденсатор связаны параллельно, формирование параллельной резонансной цепи.
Преимущества
- Сильная адаптивность нагрузки: Эквивалентный импеданс параллельной резонансной нагрузки высок, позволяя ему напрямую подключаться к выходным терминалам инвертора без соответствующего трансформатора. Это упрощает структуру схемы, повышение эффективности и надежности.
- Широкий диапазон регулирования мощности: Широкий диапазон регулирования мощности может быть легко достигнут путем настройки выходного напряжения или частоты инвертора или частоты.
- Естественная защита от перенапряжения: Напряжение через параллельную резонансную цепь является самым высоким при резонансе. Когда нагрузка меняется или становится открытой схемой, Напряжение уменьшается, Обеспечение степени защиты для таких устройств, как IGBTS.
- Подходит для мощных применений: Отсутствие выходного трансформатора делает его особенно выгодным в мощных приложениях, что приводит к более компактной структуре и более низкой стоимости.
Недостатки
- Относительно сложный Запускать: Параллельный резонанс требует конкретной схемы запуска и стратегии управления.
- Высокое напряжение тока на компоненты: На резонансе, Ток, протекающий через индукционную катушку и конденсатор, намного больше, чем ток. Это удовлетворяет высокие требования к текущей способности компенсационных конденсаторов.
Движущая сила эволюции: Как спрос на более высокую власть, эффективность, и надежность в индукционных печи выросла, Параллельная резонансная топология, с его преимуществами устранения соответствующего трансформатора, Простая структура, и простота достижения высокой мощности, постепенно заменил серии резонанса, чтобы стать предпочтительным решением для средней до высокой частоты, мощные индукционные поставки питания.
Глядя в будущее: Перспективы применения карбида кремния (Sic) Силовые устройства
Хотя технология IGBT очень зрелая, Его производительность приближается к физическим пределам кремниевого материала. Для дальнейшего повышения производительности индукционной нагревательной энергии, Индустрия обратила свое внимание на полупроводниковые материалы с широкополосным диапазоном третьего поколения., представлен карбидом кремния (Sic).
По сравнению с традиционными IGBT на основе кремния, SIC Mosfets предлагает следующие значительные преимущества.
| Особенность | Кремний (И) БТИЗ | Силиконовый карбид (Sic) МОСФЕТ | Значение для поставки питания индукционной печи |
| Скорость переключения | Помедленнее | Очень быстро (Несколько раз быстрее, чем igbts) | Более высокая частота: Позволяет, чтобы эксплуатационные частоты подталкивались в сотни кГц или даже в диапазоне MHZ, обеспечение более тонкого и более эффективного отопления. |
| Переключение потерь | Выше | Чрезвычайно низко (Может быть уменьшен на >80%) | Более высокая эффективность: Значительно уменьшает внутренние потери источника питания, экономия энергии и снижение эксплуатационных расходов. |
| На резистентности | Низкий | Чрезвычайно низко | Более низкая потери проводимости: Дальнейшее повышение эффективности питания, Особенно во время высокой работы. |
| Рабочая температура | Ниже (Развязка темп. обычно <175° C.) | Выше (Развязка темп. может превышать 200 ° C.) | Упрощенная система охлаждения: Уменьшает требования к системе охлаждения, сделать источник питания более компактным и надежным. |
| Высокая возможность | Хороший | Отличный | Упрощенные цепи: Высокое напряжение разбивки устройств SIC облегчает конструкцию высоковольтных входных источников питания. |
Трансформация, вызванная технологиями SIC
- Конечное улучшение производительности: Ожидается, что индукционная нагревательная пита 98%. Тем временем, Значительное увеличение частоты эксплуатации откроет новые приложения для сверхвысокочастотного индукционного нагрева (например, Полупроводниковый материал рост, Сварка с точной медицинской помощью).
- Системная миниатюризация и более легкий вес: Из -за более высоких частот переключения и более низких потерь, размер магнитных компонентов (индукторы, трансформаторы) и радиаторы могут быть значительно уменьшены, достижение более высокой плотности мощности.
- Большая надежность: Превосходное высокотемпературное сопротивление и более низкое повышение рабочей температуры устройств SIC приводят к более длительному сроку службы и более высокой надежности системы.
Проблемы и перспективы
В настоящее время, Основными проблемами для устройств SIC являются их относительно высокая стоимость и сложность их конструкции водителя. Однако, По мере развития производственных процессов и расширения рыночного масштаба расширяются, Стоимость устройств SIC быстро снижается. Предсказывается, что в ближайшем будущем, Поскольку проблемы затрат решаются, Полупроводниковые устройства с широкополосным проводником, представленные SIC, постепенно заменяют IGBT, чтобы стать ядром следующего поколения высокоэффективности, высокочастотный, Индукционная печь мощной плотности, ведущая технология индукционного нагрева на новый уровень.
Заключение
От серии до параллельно, от тиристоров до IGBTS, Разработка технологии энергоснабжения индукционной печи постоянно стремится к повышению эффективности, более сильная надежность, и лучшая производительность контроля. Каждая технологическая итерация принесла глубокие изменения в промышленном секторе отопления. Сегодня, Мы стоим на пороге новой технологической революции. Следующее поколение силовых устройств, в центре карбида кремния (Sic), изменит будущее индукционного отопления источников питания с их непревзойденными преимуществами производительности, вводить мощный новый импульс в энергосбережение, сокращение выбросов, и трансформация производственной промышленности.
