Calentamiento por inducción
La técnica del calentamiento práctico por inducción existe desde la década de 1920. El crecimiento de la industria del calentamiento por inducción fue muy rápido durante la Segunda Guerra Mundial, cuando se utilizó el endurecimiento de superficies en vehículos militares y armamento, así como en ejes y motores. Después de la guerra, las mejoras tecnológicas se aplicaron en el sector civil porque la gente quería automóviles más fiables.
La soldadura por inducción y el endurecimiento por alta frecuencia son dos excelentes aplicaciones del calentamiento por inducción para el inversor de potencia2. Los transistores de potencia de banda ancha (WBG) tienen un rendimiento muy superior al de los dispositivos de silicio (Si) en estas aplicaciones. Este artículo explicará por qué es así.
Cómo funciona el calentamiento por inducción
Los equipos típicos de calentamiento por inducción (IH) utilizan corrientes alternas a frecuencias comprendidas entre 60 Hz y más de 1 MHz. Los primeros diseños de calentamiento por inducción utilizaban osciladores de chispa, generadores accionados por motor y tubos de vacío para crear esas corrientes alternas. Más tarde, la tecnología avanzó y se utilizaron rectificadores controlados por silicio (SCR) para sustituir a los antiguos generadores. En la actualidad, los transistores de carburo de silicio (SiC) ofrecen un rendimiento óptimo en las fuentes de alimentación para el calentamiento por inducción. La razón es que el IH utiliza corriente de alta frecuencia para calentar materiales conductores de la electricidad a través de un intenso campo magnético alterno; los dispositivos de SiC funcionan a altas frecuencias (de cinco a ocho veces superiores a las del Silicio convencional), con un alto rendimiento y tensiones elevadas que no pueden alcanzar los IGBT de Si. Además, la energía WBG y la baja concentración intrínseca de portadores en el SiC le permiten mantener el comportamiento semiconductor a temperaturas mucho más altas (hasta 600 grados C) que el Si y, por tanto, puede funcionar a una temperatura de unión más alta que los IGBT; el SiC reduce el calor residual, lo que se traduce en un menor coste y peso del sistema de refrigeración por agua. Además, el tamaño de las matrices de SiC es casi 20 veces menor que el de las matrices de Si para que quepan mejor en el cabezal de trabajo de IH (véase la figura 1).
Un sistema de calentamiento por inducción consta de varios componentes:
- Una fuente de alimentación que genera una corriente de alta frecuencia
- Una estación de adaptación de carga que adapta la impedancia de la bobina a la fuente de alimentación.
- Una bobina de inducción de cobre que se enrolla alrededor del dispositivo que se va a calentar.
- Un sistema de refrigeración por agua que elimina el calor residual en un sistema de alta potencia
El proceso de inducción crea un campo electromagnético en una bobina que permite transferir energía a un dispositivo objetivo que requiere calentamiento. Una corriente eléctrica pasa a lo largo de un alambre en espiral, creando así un campo magnético alrededor de ese alambre. Esta técnica funciona haciendo pasar por la bobina una gran corriente alterna de alta frecuencia que, a su vez, genera un campo magnético muy intenso y rápidamente cambiante. La pieza que se desea calentar se coloca en este intenso campo magnético alterno. El campo magnético alterno hace que fluyan enormes corrientes a través de la pieza. Estas corrientes, denominadas corrientes de Foucault, fluyen en una fina capa hacia la superficie de la pieza y permiten el calentamiento resistivo.
El proceso de calentamiento por inducción se utiliza también para metales como el acero y materiales conductores. Los materiales pequeños y finos se calientan más rápidamente que los grandes y gruesos. Cuanto mayor sea la frecuencia de la corriente alterna, menor será la profundidad de penetración del calentamiento. Algunos ejemplos de metales conductores de la electricidad que pueden calentarse son:
- Cobre y aleaciones de cobre
- Latón
- Aluminio
- Hierro
- Acero y acero inoxidable
- Tungsteno
- Cromo
- Níquel y aleaciones de níquel
- Cobalto
- Fibra de carbono
- Grafito
- Silicio
- Platino
- Plata
- Oro
IH crea un calentamiento eficaz y rápido que es a la vez repetible y preciso; la precisión en el calentamiento prolonga la vida útil de los accesorios. Además, como no se utiliza llama, también es un proceso más seguro.
En este artículo, se analizará la fuente de alimentación en una arquitectura de diseño que utiliza transistores de potencia SiC, que son muy eficientes y pueden funcionar a las altas frecuencias necesarias para IH.
La fuente de alimentación
Al calcular la capacidad de suministro de energía, hay que tener en cuenta el calor específico del material que se va a calentar, la masa del material y el aumento de temperatura necesario. La pérdida de calor por conducción, convección y radiación también debe tenerse en cuenta para decidir la capacidad de suministro de energía.
En las aplicaciones IH, la corriente que pasa por la bobina es lo suficientemente alta como para necesitar refrigeración por agua. La corriente alterna procedente de la línea de CA se convierte a través de la fuente de alimentación en una corriente alterna de alta frecuencia que está en consonancia con la combinación de inductancia de la bobina, capacitancia del cabezal de trabajo (en este caso, el cabezal de trabajo es el dispositivo que sostiene el circuito del depósito) y resistividad del componente. La pieza de trabajo se coloca en la bobina de tal forma que este campo induce una corriente en la pieza de trabajo, que a su vez produce calor (véase la figura 1, a la derecha).
Tradicionalmente, el transistor bipolar de puerta aislada de silicio (Si-IGBT) era el caballo de batalla de los inversores de alta frecuencia en aplicaciones de IH industriales y domésticas. Los dispositivos de SiC están superando este tipo de aplicaciones porque el Si tiene una frecuencia de conmutación limitada de unos 20 kHz.
Figura 1: Diagrama de bloques de un sistema típico de calentamiento por inducción (Imagen de la referencia 1)
Uso de transistores de potencia de SiC
Calefacción inductiva comercial
El calentamiento por inducción es una aplicación excelente para aplicaciones de alta potencia; una de estas aplicaciones es una forma eficaz de licuar metal. La inducción necesita una corriente extremadamente alta y una potencia de alta frecuencia, junto con una baja pérdida de conducción, los MOSFETS de SiC permiten el rendimiento necesario a la vez que minimizan el coste total del sistema frente a los IGBT de Si, mucho menos eficientes.
La soldadura por inducción y el templado/ revenido de alta frecuencia son las dos aplicaciones más sencillas del calentamiento por inducción para el inversor de potencia.
Los soldadores industriales necesitan niveles de potencia de hasta 1 MW y las frecuencias oscilan entre 200 y 500 kHz, en función de las características del tubo a soldar.
El endurecimiento/recocer requiere niveles de potencia de hasta 400 kW con frecuencias en el rango de hasta 200 kHz, pero con un número extremadamente alto de ciclos de potencia.
Calentamiento de aleaciones laminadas
La potencia de 10 a 100 kW es para palanquilla pequeña y extremos de barra (la palanquilla es un redondo semiacabado que se ha trabajado parcialmente, pero que se seguirá trabajando hasta alcanzar el tamaño final. La barra es material acabado que se ha laminado completamente a su tamaño).
La potencia de 1 MW a 5 MW es para palanquilla, barra o tubos.
De 100 kW a 1.500 kW para el calentamiento de tochos, barras y extremos de barras.
De 10 kW a 100 kW para recocido, secado, curado y revestimiento.
¿Por qué SiC?
La energía WBG y la baja concentración intrínseca de portadores del SiC permiten que estos dispositivos mantengan un comportamiento semiconductor a temperaturas mucho más elevadas que el Silicio, lo que a su vez permite que la funcionalidad del dispositivo de SiC funcione a temperaturas mucho más elevadas que el Silicio.
La capacidad de integrar componentes electrónicos semiconductores de alta temperatura, que no se refrigeran, directamente en entornos calientes ofrece ventajas clave para las aplicaciones de calentamiento por inducción. La capacidad de alta temperatura (los MOSFET de SiC sin embalaje pueden funcionar a una temperatura de unión de 400 C y un módulo de SiC con embalaje tiene una temperatura de unión del dispositivo aproximada de hasta 175C) elimina las penalizaciones de rendimiento, fiabilidad y peso en lugar de la refrigeración líquida, los ventiladores, el blindaje térmico y los tendidos de cables más largos necesarios para lograr una funcionalidad similar en aplicaciones que utilizan semiconductores de silicio convencionales.
Los dispositivos de SiC tienen un campo de ruptura y una conductividad térmica elevados; cuando estas características se suman a las altas temperaturas de unión operativas, los dispositivos de SiC alcanzan densidades de potencia y eficiencias muy elevadas. El elevado campo de ruptura y la amplia banda prohibida de energía de la tecnología de SiC hacen posible una conmutación de potencia mucho más rápida que la de los dispositivos de conmutación de potencia de silicio. (Véase la Figura 2, a la derecha).
El funcionamiento a alta tensión de los dispositivos de potencia de SiC es posible gracias a unas regiones de bloqueo mucho más finas que permiten una conmutación rápida. Esto permite que los convertidores de potencia basados en SiC funcionen a frecuencias de conmutación más altas con una mayor eficiencia (por tanto, menos pérdida de energía de conmutación). Una mayor frecuencia de conmutación en el calentamiento por inducción es imprescindible, ya que permite utilizar condensadores, inductores y transformadores más pequeños, lo que a su vez permite un circuito tanque más pequeño y puede reducir en gran medida el tamaño, el peso y el coste total del convertidor de potencia. Los dispositivos de Si no pueden alcanzar estas velocidades de conmutación.
Propiedad (en relación con el Si) | Si | SiC | LT8614 | 1 | 3.1 |
|---|---|---|
Coeficiente de dilatación térmica | 1 | 1.6 |
Constante dieléctrica | 1 | 0.9 |
Movilidad de los electrones | 1 | 0.67 |
Movilidad de los orificios | 1 | 7.34 |
Campo eléctrico de ruptura | 1 | 7.34 |
Velocidad de saturación | 1 | 2 |
Temperatura máxima de trabajo | 1 | 5.2 |
Figura 2: Semiconductores de silicio frente a semiconductores de carburo de silicio que muestran las propiedades superiores del carburo de silicio (imagen de la referencia 5)
Las arquitecturas de convertidores adecuadas para IH
Dos de los tipos de convertidores más populares para aplicaciones de calentamiento por inducción son un inversor resonante de medio puente (figura 3) o un inversor resonante de puente completo (figura 4). La ventaja del convertidor resonante es que puede conmutar su estado (de encendido a apagado y viceversa) cuando la tensión a través de él, y/o una corriente a través de él, es cero en el instante de conmutación. Esto minimiza significativamente las tensiones de los transistores y las pérdidas de potencia.
El inversor de medio puente
El inversor de medio puente básico se muestra en la Figura 3, a la derecha. La figura 3 muestra dos fuentes de tensión continua idénticas (E) conectadas en serie, dos interruptores estáticos (Q1 y Q2) y dos diodos (D1 y D2). La protección de los interruptores son D1 y D2 en paralelo con los dispositivos SiC (Q1 y Q2), ya que los interruptores manejarán corrientes en sentido inverso. La figura 2 utiliza una carga inductiva porque la mayoría de las cargas monofásicas suelen ser inductivas. Una vez que los dos grandes condensadores electrolíticos, C1 y C2, están completamente cargados, se comportan como fuentes de tensión. Hay dos resistencias iguales en paralelo con los condensadores (internamente/no mostradas), no sólo para asegurar que las tensiones en los dos condensadores están al mismo nivel, sino también para proporcionar las vías para que los condensadores se descarguen una vez que el inversor de medio puente se apaga.
El inversor de puente completo
La figura 4 muestra un inversor resonante LLC de puente completo. En esta configuración de puente completo, hay cuatro conmutadores de SiC, S1 a S4, que tienen diodos antiparalelos a través de ellos como amortiguador debido a la carga inductiva. Cp es un condensador resonante, y el inductor en serie, LS , junto con una bobina de inducción formada por la combinación en serie de Req y un inductor de bobina de inducción (Lcoil). Cb es un condensador de bloqueo de CC que está en serie con el primario del transformador. Para más detalles, véase la referencia 3.
El convertidor resonante LLC de puente completo es uno de los convertidores más utilizados en las aplicaciones de calentamiento por inducción debido a su construcción sencilla y su alto rendimiento. La principal ventaja de un convertidor resonante es que esta arquitectura conmuta su estado (de encendido a apagado y viceversa) cuando la tensión a través de él y/o una corriente a través de él es cero en el instante de conmutación. Esto reduce significativamente las tensiones en los transistores y las pérdidas de potencia.
Figura 3: Inversor de medio puente con carga resonante (imagen de la referencia 3)
Figura 4: Inversor resonante LLC de puente completo (imagen de la referencia 3)
Otras aplicaciones IH
Conclusión
Referencias
- Qué es el calentamiento por inducción y cómo funcionan las bobinas de inducción, patrocinado por Ambrell Induction Heating Solutions, 27 de enero de 2015 en el sitio web de AZO Materials.
- El uso práctico de dispositivos de SiC en inversores de alta potencia y alta frecuencia para aplicaciones industriales de calentamiento por inducción, Enrique J. Dede, José Jordán, Vicente Esteve, IEEE 2016
- Power Electronics for Renewable Energy Induction Heating with SiC Transistors, Mathew M'kandawire, Jiaying Wang, Tatjana Kalitjuka, Aleksejs Grigorjevs, Norwegian University of Science and Technology, Department of Electrical Power Engineering, 2010.
- SiC MOSFET Module Replaces up to 3x Higher Current Si IGBT Modules in Voltage Source Inverter Application, Dr. Mrinal K. Das, Product Marketing Manager, Cree, Inc., 2013.
- BODY OF KNOWLEDGE FOR SILICONIDE POWER ELECTRONICS, NASA Electronic Parts and Packaging (NEPP) Program Office of Safety and Mission Assurance (Oficina de Seguridad y Garantía de la Misión del Programa de Piezas y Embalajes Electrónicos de la NASA)
