Riscaldamento a induzione
La tecnica del riscaldamento a induzione esiste fin dagli anni Venti. La crescita dell'industria del riscaldamento a induzione si è sviluppata molto rapidamente durante la Seconda Guerra Mondiale, quando la tempra delle superfici/casse è stata utilizzata per i veicoli e gli armamenti militari, nonché per gli assali e i motori; questa tecnica ha permesso di prolungare la durata di questi componenti. Dopo la guerra, i miglioramenti della tecnologia sono stati utilizzati nel settore civile, perché la gente voleva automobili più affidabili.
La saldatura a induzione e la tempra ad alta frequenza sono due applicazioni eccellenti del riscaldamento a induzione per l'inverter di potenza2. I transistor di potenza a banda larga (WBG) hanno prestazioni di gran lunga superiori a quelle dei dispositivi al silicio (Si) in queste applicazioni. Questo articolo spiegherà perché questo è vero.
Come funziona il riscaldamento a induzione
Le tipiche apparecchiature per il riscaldamento a induzione (IH) utilizzano correnti alternate a frequenze comprese tra 60 Hz e oltre 1 MHz. I primi progetti di riscaldamento a induzione utilizzavano oscillatori a spinterogeno, generatori a motore e tubi a vuoto per creare queste correnti alternate. In seguito la tecnologia è progredita e i raddrizzatori controllati al silicio (SCR) sono stati utilizzati per sostituire i vecchi generatori. I transistor al carburo di silicio (SiC) forniscono oggi prestazioni ottimali negli alimentatori per il riscaldamento a induzione. Il motivo è che l'IH utilizza corrente ad alta frequenza per riscaldare materiali elettricamente conduttivi attraverso un intenso campo magnetico alternato; i dispositivi SiC funzionano a frequenze elevate (da cinque a otto volte superiori rispetto al Silicio convenzionale), con un'alta efficienza e tensioni elevate non raggiungibili dagli IGBT in Si. Inoltre, l'energia WBG e la bassa concentrazione intrinseca di portatori nel SiC gli consentono di mantenere il comportamento del semiconduttore a temperature molto più elevate (fino a 600 gradi C) rispetto al Si e quindi di operare a temperature di giunzione più elevate rispetto agli IGBT; il SiC riduce il calore di scarto, con conseguente riduzione dei costi e del peso del sistema di raffreddamento ad acqua. Inoltre, il SiC ha dimensioni tipiche degli stampi quasi 20 volte inferiori a quelle del Si, per adattarsi meglio alla testa di lavoro IH (vedere la Figura 1, sotto).
Un sistema di riscaldamento a induzione è composto da diversi componenti:
- Un alimentatore che genera una corrente ad alta frequenza
- Una stazione di adattamento del carico che fa corrispondere l'impedenza della bobina all'alimentazione.
- Una bobina di rame a induzione che viene avvolta intorno al dispositivo da riscaldare
- Un sistema di raffreddamento ad acqua che rimuove il calore residuo in un sistema ad alta potenza
Il processo di induzione crea un campo elettromagnetico in una bobina che consente di trasferire energia a un dispositivo che deve essere riscaldato. Una corrente elettrica passa lungo un filo avvolto, creando così un campo magnetico intorno al filo stesso. Questa tecnica funziona facendo passare una corrente alternata ad alta frequenza attraverso la bobina, che a sua volta genera un campo magnetico molto intenso e in rapida evoluzione. Il pezzo da riscaldare viene posto in questo intenso campo magnetico alternato. Il campo magnetico alternato provoca un forte flusso di correnti attraverso il pezzo. Queste correnti, dette correnti parassite, scorrono in un sottile strato verso la superficie del pezzo, consentendo un riscaldamento resistivo.
Il processo di riscaldamento a induzione viene utilizzato anche per metalli come l'acciaio e materiali conduttivi. I materiali piccoli e sottili vengono riscaldati rapidamente rispetto a quelli grandi e spessi. Maggiore è la frequenza della corrente alternata, minore è la profondità di penetrazione del riscaldamento. Alcuni esempi di metalli elettricamente conduttivi che possono essere riscaldati sono:
- Rame e leghe di rame
- Ottone
- Alluminio
- Ferro
- Acciaio e acciaio inox
- Tungsteno
- Cromo
- Nichel e leghe di nichel
- Cobalto
- Fibra di carbonio
- Grafite
- Silicio
- Platino
- Argento
- Oro
IH crea un riscaldamento efficiente e rapido, ripetibile e accurato; l'accuratezza del riscaldamento prolunga la durata dei dispositivi. Inoltre, poiché non viene utilizzata alcuna fiamma, si tratta di un processo più sicuro.
In questo articolo, l'alimentazione verrà discussa in un'architettura di progetto che utilizza transistor di potenza SiC, altamente efficienti e in grado di funzionare alle alte frequenze necessarie per l'IH.
L'alimentazione
Per calcolare la capacità di alimentazione, occorre considerare il calore specifico del materiale da riscaldare, la massa del materiale e l'aumento di temperatura richiesto. Per decidere la capacità di alimentazione, occorre tenere conto anche delle perdite di calore dovute a conduzione, convezione e irraggiamento.
Nelle applicazioni IH, la corrente che attraversa la bobina è sufficientemente elevata da rendere necessario il raffreddamento ad acqua. La corrente alternata proveniente dalla linea CA viene convertita dall'alimentatore in una corrente alternata ad alta frequenza che è in linea con la combinazione di induttanza della bobina, capacità della testa di lavoro (in questo caso, la testa di lavoro è il dispositivo che contiene il circuito del serbatoio) e resistività del componente. Il pezzo da lavorare è posizionato nella bobina in modo tale che questo campo induce una corrente nel pezzo da lavorare, che a sua volta produce calore (vedi Figura 1, a destra).
Tradizionalmente, il transistor bipolare a porta isolata in silicio (Si-IGBT) era il cavallo di battaglia degli inverter ad alta frequenza nelle applicazioni industriali e domestiche IH. I dispositivi SiC stanno superando questo tipo di applicazioni perché il Si ha una frequenza di commutazione limitata a circa 20 kHz.
Figura 1: Schema a blocchi di un tipico sistema di riscaldamento a induzione (immagine tratta dal riferimento 1)
Utilizzo di transistor di potenza SiC
Riscaldamento induttivo commerciale
Il riscaldamento a induzione è un'applicazione eccellente per le applicazioni ad alta potenza; una di queste applicazioni è un modo efficiente per liquefare il metallo. L'induzione richiede una corrente estremamente elevata e una potenza ad alta frequenza, abbinata a una bassa perdita di conduzione; i MOSFET SiC consentono di ottenere le prestazioni necessarie riducendo al minimo il costo complessivo del sistema rispetto agli IGBT Si, molto meno efficienti.
La saldatura a induzione e la tempra/ricottura ad alta frequenza sono le due applicazioni più semplici del riscaldamento a induzione per l'inverter di potenza.
Le saldatrici industriali necessitano di livelli di potenza fino a 1 MW e di frequenze comprese tra 200 e 500 kHz, a seconda delle caratteristiche del tubo da saldare.
La tempra/ricottura richiede livelli di potenza fino a 400 kW con frequenze fino a 200 kHz, ma con un numero estremamente elevato di cicli di potenza.
Riscaldamento delle leghe laminate
La potenza da 10 a 100 kW è per le piccole billette e le estremità delle barre (la billetta è un tondo semilavorato che è stato parzialmente lavorato, ma che sarà ulteriormente lavorato per raggiungere la dimensione finale). La barra è un materiale finito che è stato completamente laminato a misura).
La potenza da 1MW a 5MW è per billette, barre o tubi.
Da 100kW a 1500kW per il riscaldamento di billette, barre e estremità di barre.
Da 10kW a 100kW per ricottura, essiccazione, polimerizzazione e rivestimento.
Perché il SiC?
L'energia WBG e la bassa concentrazione intrinseca di portatori del SiC consentono a questi dispositivi di mantenere un comportamento da semiconduttore a temperature molto più elevate rispetto al silicio, il che a sua volta permette alle funzionalità del dispositivo SiC di funzionare a temperature molto più elevate rispetto al silicio.
La possibilità di incorporare l'elettronica a semiconduttore ad alta temperatura, che non viene raffreddata, direttamente in ambienti caldi, offre vantaggi fondamentali per le applicazioni di riscaldamento a induzione. La capacità di operare ad alta temperatura (i MOSFET SiC non imballati possono funzionare a una temperatura di giunzione di 400 C e un modulo SiC con imballaggio ha una temperatura di giunzione approssimativa del dispositivo fino a 175 C) elimina le penalizzazioni in termini di prestazioni, affidabilità e peso al posto del raffreddamento a liquido, delle ventole, della schermatura termica e dei cavi più lunghi necessari per ottenere funzionalità simili nelle applicazioni che utilizzano semiconduttori al silicio convenzionali.
I dispositivi SiC hanno un elevato campo di breakdown e un'alta conducibilità termica; quando queste caratteristiche si aggiungono alle alte temperature di giunzione operative, i dispositivi SiC realizzano densità di potenza ed efficienze molto elevate. L'elevato campo di breakdown e l'ampio bandgap energetico della tecnologia SiC consentono una commutazione di potenza nettamente più rapida di quella possibile con i dispositivi di commutazione di potenza al silicio. (Vedi Figura 2, a destra).
Il funzionamento ad alta tensione nei dispositivi di potenza SiC è possibile grazie a regioni di blocco molto più sottili che consentono una commutazione rapida. Ciò consente ai convertitori di potenza basati su SiC di operare a frequenze di commutazione più elevate con una maggiore efficienza (quindi, una minore perdita di energia di commutazione). Una frequenza di commutazione più elevata nel riscaldamento a induzione è fondamentale perché consente l'uso di condensatori, induttori e trasformatori più piccoli, che a loro volta permettono di realizzare un circuito serbatoio più piccolo e di ridurre notevolmente le dimensioni, il peso e il costo complessivi del convertitore di potenza. I dispositivi Si non sono in grado di raggiungere queste velocità di commutazione.
Proprietà (rispetto a Si) | Si | SiC | LT8614 | 1 | 3.1 |
|---|---|---|
Coefficiente di espansione termica | 1 | 1.6 |
Costante dielettrica | 1 | 0.9 |
Mobilità degli elettroni | 1 | 0.67 |
Mobilità del foro | 1 | 7.34 |
Campo elettrico di ripartizione | 1 | 7.34 |
Velocità di saturazione | 1 | 2 |
Temperatura massima di lavoro | 1 | 5.2 |
Figura 2: Semiconduttori al silicio e al carburo di silicio, che mostrano le proprietà superiori del carburo di silicio (immagine dalla referenza 5).
Le giuste architetture di convertitori per IH
Due dei tipi di convertitori più diffusi per le applicazioni di riscaldamento a induzione sono un inverter risonante a mezzo ponte (Figura 3) o un inverter risonante a ponte intero (Figura 4). Il vantaggio del convertitore risonante è che può commutare il suo stato (da acceso a spento e viceversa) quando la tensione che lo attraversa, e/o la corrente che lo attraversa, è pari a zero nell'istante di commutazione. Questo riduce significativamente le sollecitazioni dei transistor e le perdite di potenza.
L'inverter a mezzo ponte
L'inverter di base a mezzo ponte è mostrato nella Figura 3, a destra. La Figura 3 mostra due sorgenti di tensione continua identiche (E) collegate in serie, due interruttori statici (Q1 e Q2) e due diodi (D1 e D2). La protezione per gli interruttori è costituita da D1 e D2 in parallelo con i dispositivi SiC (Q1 e Q2), poiché gli interruttori gestiranno correnti in senso inverso. La Figura 2 utilizza un carico induttivo perché la maggior parte dei carichi monofase sono tipicamente induttivi. Una volta che i due grandi condensatori elettrolitici, C1 e C2, sono completamente carichi, si comportano come sorgenti di tensione. In parallelo ai condensatori sono presenti due resistenze uguali (internamente/non mostrate), non solo per garantire che le tensioni sui due condensatori siano allo stesso livello, ma anche per fornire il percorso di scarica dei condensatori una volta spento l'inverter a mezzo ponte.
L'inverter a ponte intero
La Figura 4 mostra un inverter risonante LLC a ponte intero. In questa configurazione a ponte intero, ci sono quattro interruttori SiC, da S1 a S4, con diodi antiparalleli che li attraversano come snubber a causa del carico induttivo. Cp è un condensatore risonante e l'induttore in serie, LS , insieme a una bobina di induzione costituita dalla combinazione in serie di Req e di un induttore a bobina di induzione (Lcoil). Cb è un condensatore di blocco CC in serie al primario del trasformatore. Per maggiori dettagli si veda il riferimento 3.
Il convertitore risonante full-bridge LLC è uno degli inverter più utilizzati nelle applicazioni di riscaldamento a induzione, grazie alla sua semplicità costruttiva e all'elevata efficienza. Il vantaggio principale di un convertitore risonante è che questa architettura commuta il suo stato (da acceso a spento e viceversa) quando la tensione che lo attraversa e/o la corrente che lo attraversa è pari a zero nell'istante di commutazione. Ciò riduce in modo significativo le sollecitazioni dei transistor e le perdite di potenza.
Figura 3: Inverter a mezzo ponte con carico risonante (immagine tratta dal riferimento 3)
Figura 4: Un inverter risonante LLC a ponte intero (immagine dalla referenza 3)
Altre applicazioni IH
Conclusione
Riferimenti
- Cos'è il riscaldamento a induzione e come funzionano le bobine a induzione, sponsorizzato da Ambrell Induction Heating Solutions, 27 gennaio 2015 sul sito web di AZO Materials.
- L'uso pratico dei dispositivi SiC negli inverter ad alta potenza e alta frequenza per applicazioni di riscaldamento industriale a induzione, Enrique J. Dede, José Jordán, Vicente Esteve, IEEE 2016
- Elettronica di potenza per il riscaldamento a induzione a energia rinnovabile con transistor SiC, Mathew M'kandawire, Jiaying Wang, Tatjana Kalitjuka, Aleksejs Grigorjevs, Università norvegese di scienza e tecnologia, Dipartimento di ingegneria elettrica, 2010
- Il modulo SiC MOSFET sostituisce fino a 3 volte i moduli Si IGBT a corrente più elevata nelle applicazioni di inverter a sorgente di tensione, Dr. Mrinal K. Das, Product Marketing Manager, Cree, Inc.
- CORPO DI CONOSCENZA PER GLI ELETTRONICI DI POTENZA AL CARBURO DI SILICIO, Programma NASA Electronic Parts and Packaging (NEPP), Ufficio Sicurezza e Garanzia della Missione.
