Chauffage par induction
La technique du chauffage par induction existe depuis les années 1920. La croissance de l'industrie du chauffage par induction a été très rapide pendant la Seconde Guerre mondiale, lorsque la trempe des surfaces et des boîtiers a été utilisée sur les véhicules militaires et l'armement, ainsi que sur les essieux et les moteurs ; cette technique a permis d'allonger la durée de vie de ces composants. Après la guerre, les améliorations technologiques ont été utilisées dans le secteur civil parce que les gens voulaient des automobiles plus fiables.
Le soudage par induction et le durcissement à haute fréquence sont deux excellentes applications du chauffage par induction pour les convertisseurs de puissance2. Les transistors de puissance à large bande passante (WBG) sont bien plus performants que les dispositifs au silicium (Si) dans ces applications. Cet article en explique les raisons.
Comment fonctionne le chauffage par induction ?
L'équipement typique de chauffage par induction (IH) utilise des courants alternatifs à des fréquences allant de 60 Hz à plus de 1 MHz. Les premières conceptions de chauffage par induction utilisaient des oscillateurs à éclateur, des générateurs à moteur et des tubes à vide pour créer ces courants alternatifs. Par la suite, la technologie a évolué et des redresseurs contrôlés au silicium (SCR) ont été utilisés pour remplacer les anciens générateurs. Les transistors en carbure de silicium (SiC) offrent aujourd'hui des performances optimales dans les alimentations électriques pour le chauffage par induction. Les dispositifs en SiC fonctionnent à des fréquences élevées (cinq à huit fois plus élevées que le silicium conventionnel), avec un rendement élevé et des tensions élevées que les IGBT en silicium ne peuvent pas atteindre. En outre, l'énergie WBG et la faible concentration intrinsèque de porteurs dans le SiC lui permettent de conserver un comportement semi-conducteur à des températures beaucoup plus élevées (jusqu'à 600 degrés C) que le Si, et donc de fonctionner à une température de jonction plus élevée que les IGBT ; le SiC réduit la chaleur perdue, ce qui permet de réduire le coût et le poids du système de refroidissement par eau. Le SiC a également des tailles de matrice typiques près de 20 fois plus petites que le Si à taux similaires pour mieux s'adapter à la tête de travail de l'IH (voir figure 1, ci-dessous).
Un système de chauffage par induction est composé de plusieurs éléments :
- Une alimentation électrique qui génère un courant à haute fréquence
- Une station d'adaptation de charge qui adapte l'impédance de la bobine à l'alimentation.
- Une bobine de cuivre à induction qui est enroulée autour de l'appareil à chauffer
- Un système de refroidissement à l'eau qui élimine la chaleur résiduelle dans un système à haute puissance
Le processus d'induction crée un champ électromagnétique dans une bobine qui permet un transfert d'énergie vers un dispositif cible qui doit être chauffé. Un courant électrique passe le long d'un fil enroulé, créant ainsi un champ magnétique autour de ce fil. Cette technique consiste à faire passer un important courant alternatif à haute fréquence dans la bobine, ce qui génère un champ magnétique très intense et changeant rapidement. La pièce à chauffer est placée dans ce champ magnétique alternatif intense. Le champ magnétique alternatif fait circuler d'énormes courants à travers la pièce. Ces courants, appelés courants de Foucault, s'écoulent en une fine couche vers la surface de la pièce, ce qui a pour effet de permettre un chauffage résistif.
Le processus de chauffage par induction est utilisé pour les métaux tels que l'acier et les matériaux conducteurs. Les matériaux fins et de petite taille sont chauffés plus rapidement que les matériaux épais et de grande taille. Plus la fréquence du courant alternatif est élevée, plus la profondeur de pénétration du chauffage est faible. Voici quelques exemples de métaux conducteurs d'électricité qui peuvent être chauffés :
- Cuivre et alliages de cuivre
- Laiton
- Aluminium
- Le fer
- Acier et acier inoxydable
- Tungstène
- Chrome
- Nickel et alliages de nickel
- Cobalt
- Fibre de carbone
- Graphite
- Silicium
- Platine
- Argent
- L'or
L'IH crée un chauffage efficace et rapide qui est à la fois reproductible et précis ; la précision du chauffage prolonge la durée de vie des appareils. En outre, comme aucune flamme n'est utilisée, le processus est plus sûr.
Dans cet article, l'alimentation électrique sera examinée dans une architecture de conception utilisant des transistors de puissance SiC qui sont très efficaces et peuvent fonctionner aux fréquences élevées nécessaires pour l'IH.
L'alimentation électrique
Pour calculer la capacité d'alimentation, il faut tenir compte de la chaleur spécifique du matériau à chauffer, de la masse du matériau et de l'élévation de température requise. Les pertes de chaleur dues à la conduction, à la convection et au rayonnement doivent également être prises en compte pour déterminer la capacité d'alimentation.
Dans les applications IH, le courant qui traverse une bobine est suffisamment élevé pour nécessiter un refroidissement à l'eau. Le courant alternatif provenant de la ligne CA est converti par l'alimentation électrique en un courant alternatif à haute fréquence qui correspond à la combinaison de l'inductance de la bobine, de la tête de travail (dans ce cas, la tête de travail est le dispositif qui maintient le circuit du réservoir), de la capacité et de la résistivité des composants. La pièce est positionnée dans la bobine de telle sorte que ce champ induit un courant dans la pièce, qui produit à son tour de la chaleur (voir figure 1, à droite).
Traditionally, the Silicon Insulated-Gate Bipolar Transistor (Si-IGBT) was the workhorse for high-frequency inverters in industrial and domestic IH applications. Les dispositifs au SiC sont en train de prendre le pas sur ce type d'applications, car la fréquence de commutation du Si est limitée à environ 20 kHz.
Figure 1 : Schéma fonctionnel d'un système de chauffage par induction typique (Image de la référence 1)
Utilisation de transistors de puissance SiC
Chauffage inductif commercial
Le chauffage par induction est une excellente application pour les applications à haute puissance ; l'une de ces applications est un moyen efficace de liquéfier le métal. L'induction nécessite un courant extrêmement élevé et une puissance à haute fréquence, associés à une faible perte de conduction. Les MOSFETS SiC permettent d'obtenir les performances nécessaires tout en minimisant le coût global du système par rapport à l'IGBT Si, beaucoup moins efficace.
Le soudage par induction et la trempe/le recuit à haute fréquence sont les deux applications les plus simples du chauffage par induction pour l'onduleur de puissance.
Les soudeurs industriels ont besoin de niveaux de puissance allant jusqu'à 1 MW et de fréquences comprises entre 200 et 500 kHz, en fonction des caractéristiques du tube à souder.
La trempe et le recuit nécessitent des niveaux de puissance allant jusqu'à 400 kW avec des fréquences allant jusqu'à 200 kHz, mais avec un nombre extrêmement élevé de cycles de puissance.
Chauffage des alliages laminés
La puissance de 10 à 100 kW est destinée aux petites billettes et aux extrémités de barres (la billette est un rond semi-fini qui a été partiellement travaillé, mais qui doit être retravaillé pour atteindre la taille finale. La barre est un matériau fini qui a été entièrement laminé).
La puissance de 1MW à 5MW est destinée aux billettes, barres ou tubes.
100kW à 1500kW pour le chauffage de billettes, de barres et d'extrémités de barres.
10kW à 100kW pour le recuit, le séchage, le durcissement et le revêtement.
Pourquoi SiC ?
L'énergie WBG et la faible concentration intrinsèque de porteurs du SiC permettent à ces dispositifs de conserver un comportement semi-conducteur à des températures beaucoup plus élevées que le silicium, ce qui permet à la fonctionnalité du dispositif SiC de fonctionner à des températures beaucoup plus élevées que le silicium.
La possibilité d'intégrer des semi-conducteurs électroniques à haute température, qui ne sont pas refroidis, directement dans des environnements chauds, offre des avantages clés pour les applications de chauffage par induction. La capacité à supporter des températures élevées (les matrices SiC MOSFET non emballées peuvent fonctionner à une température de jonction de 400 °C et un module SiC avec emballage a une température de jonction approximative de 175 °C) élimine les pénalités de performance, de fiabilité et de poids au lieu du refroidissement par liquide, des ventilateurs, du blindage thermique et des fils plus longs nécessaires pour atteindre une fonctionnalité similaire dans les applications utilisant des semi-conducteurs au silicium conventionnels.
Les dispositifs SiC ont un champ de claquage élevé et une conductivité thermique élevée ; lorsque ces caractéristiques sont ajoutées à des températures de jonction opérationnelles élevées, les dispositifs SiC permettent d'obtenir des densités de puissance et des rendements très élevés. Le champ de claquage élevé et la large bande interdite de la technologie SiC permettent une commutation de puissance nettement plus rapide que les dispositifs de commutation de puissance au silicium. (Voir figure 2, à droite).
Le fonctionnement à haute tension des dispositifs de puissance en SiC est possible grâce à des zones de blocage beaucoup plus fines qui permettent une commutation rapide. Cela permet aux convertisseurs de puissance basés sur le SiC de fonctionner à des fréquences de commutation plus élevées avec un meilleur rendement (donc, moins de perte d'énergie de commutation). Une fréquence de commutation plus élevée dans le chauffage par induction est impérative car elle permet d'utiliser des condensateurs, des inductances et des transformateurs plus petits, ce qui à son tour permet un circuit de réservoir plus petit et peut réduire considérablement la taille, le poids et le coût total du convertisseur de puissance. Les dispositifs au silicium ne peuvent pas atteindre ces vitesses de commutation.
Propriété (par rapport à Si) | Si | SiC | LT8614 | 1 | 3.1 |
|---|---|---|
Coefficient de dilatation thermique | 1 | 1.6 |
Constante diélectrique | 1 | 0.9 |
Mobilité des électrons | 1 | 0.67 |
Mobilité du trou | 1 | 7.34 |
Champ électrique de rupture | 1 | 7.34 |
Vitesse de saturation | 1 | 2 |
Température maximale de fonctionnement | 1 | 5.2 |
Figure 2 : Semi-conducteurs en silicium et en carbure de silicium montrant les propriétés matérielles supérieures du carbure de silicium (Image de la référence 5)
Les bonnes architectures de convertisseurs pour l'IH
Deux des types de convertisseurs les plus populaires pour les applications de chauffage par induction sont un convertisseur résonant en demi-pont (figure 3) ou un convertisseur résonant en pont complet (figure 4). L'avantage du convertisseur résonant est qu'il peut commuter son état (de marche à arrêt et vice versa) lorsque la tension qui le traverse et/ou le courant qui le traverse est nul à l'instant de la commutation. Cela permet de réduire considérablement les contraintes exercées sur les transistors et les pertes de puissance.
L'onduleur en demi-pont
L'onduleur en demi-pont de base est illustré à la figure 3, à droite. La figure 3 montre deux sources de tension continue identiques (E) connectées en série, deux interrupteurs statiques (Q1 et Q2) et deux diodes (D1 et D2). La protection des interrupteurs est assurée par D1 et D2 en parallèle avec les dispositifs SiC (Q1 et Q2), car les interrupteurs gèrent les courants en sens inverse. La figure 2 utilise une charge inductive car la plupart des charges monophasées sont généralement inductives. Une fois que les deux grands condensateurs électrolytiques, C1 et C2, sont entièrement chargés, ils se comportent comme des sources de tension. Il y a deux résistances égales en parallèle avec les condensateurs (internes/non représentées), non seulement pour s'assurer que les tensions sur les deux condensateurs sont au même niveau, mais aussi pour permettre aux condensateurs de se décharger une fois que l'onduleur en demi-pont est éteint.
L'onduleur en pont complet
La figure 4 représente un onduleur résonant LLC en pont complet. Dans cette configuration en pont complet, il y a quatre interrupteurs SiC, S1 à S4, qui sont traversés par des diodes antiparallèles servant de snubber en raison de la charge inductive. Cp est un condensateur résonant et l'inductance en série LS , ainsi qu'une bobine d'induction composée de la combinaison en série de Req et d'une inductance de bobine d'induction (Lcoil). Cb est un condensateur de blocage du courant continu qui est en série avec le primaire du transformateur. Voir la référence 3 pour plus de détails.
Le convertisseur résonant LLC à pont complet est l'un des convertisseurs les plus couramment utilisés dans les applications de chauffage par induction en raison de sa simplicité de construction et de son rendement élevé. Le principal avantage d'un convertisseur résonant est que cette architecture commute son état (de marche à arrêt et vice versa) lorsque la tension et/ou le courant qui le traverse est nul à l'instant de la commutation. Cela permet de réduire considérablement les contraintes exercées sur les transistors et les pertes de puissance.
Figure 3 : Onduleur en demi-pont à charge résonante (image tirée de la référence 3)
Figure 4 : Onduleur résonant LLC en pont complet (Image de la référence 3)
Autres applications IH
Conclusion
Références
- Qu'est-ce que le chauffage par induction et comment fonctionnent les bobines d'induction, sponsorisé par Ambrell Induction Heating Solutions, 27 janvier 2015 sur le site d'AZO Materials.
- The Practical Use of SiC Devices in High Power, High Frequency Inverters for Industrial Induction Heating Applications, 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 (Université norvégienne des sciences et technologies, département de génie électrique)
- 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 SILICON CARBIDE POWER ELECTRONICS, NASA Electronic Parts and Packaging (NEPP) Program Office of Safety and Mission Assurance (Bureau de la sécurité et de l'assurance des missions de la NASA)
