´ TESIS EN PREPARACION: Generador Serie para aplicaciones de caldeo por inducci´on con IGBTs a alta frecuencia. Topolog´ıa PS-ZCS. Jes´ us Maicas i Mart´ı Departament d’Electr`onica Universitat de Val`encia

Abstract: Resonant inverters are widely used in induction heating. They heat the piece due to ferromagnetic and Eddy losses produced by the induced high AC currents. Regularly generators are of one of these two types: serie or parallel. In parallel generators a first controlled rectifier stage regulates the power and current feeds a full bridge oscillating at the resonant frequency of the parallel resonant tank. In series generators a single stage regulates the power and feeds the series resonant tank, thus it is cheaper to build and it is more interesting for industry. Semiconductors used in this type of generators vary according to maximum working frequency and required power handling capability. Thyristors are used for very low frequencies (up to 500Hz), GTOs for low frequencies (up to 2kHz), IGBTs for medium-low frequencies (up to 20kHz), MOSFETs for high frequencies (up to 600MHz) and above that frequencies vacuum tubes have to be used. Series generators are commonly controlled by frequency variation techniques, switching above the resonant frequency of the tank. The closer to the resonant frequency, the more power they deliver, if they do not want to deliver any power operating frequency moves to maximum. A series resonant circuit above the resonant frequency shows an inductive characteristic, where current is delayed respect to voltage. This control strategy makes switches to soft switch on (parallel diode is conducting, thus it is zero voltage switching, ZVS) and hard switch off, switch has to interrupt the current in an intermediate point of the resonant cycle. This switching strategy seems to be very appropriate to be used with MOSFET transistors, which are very fast switches and it is avoided the problem of reverse recovery current of the diodes. But it si not so optimal when you are using IGBTs. IGBTs turn off is characterized by the tail current. When commands the turn off of the switch, that is not clean, main current decays rapidly up to the level of the tail, coming by the hole recombination in the base area. This tail increases the turn-off losses and prevents from taking the most out of the semiconductor. Thus IGBTs use to be far too oversized. In many applications where that tail is not a serious problem for the running of the circuit, IGBTs are replacing MOSFETs successfully. For 1

same die size, IGBTs are able to carry much more current and support more voltage than equivalent MOSFET, and losses are much smaller due to the fact that they are minority carrier devices. Changing control and switching strategies in a SRI (Series Resonant Inverter ) we will be able to use IGBTs at higher frequencies than the ones at present, reducing costs in current designs and covering new areas of power/frequency nowadays covered by parallel generators. IGBT turn-off transition shows big losses due to the already mention tail current. Then the new switching strategy must make the IGBT soft turn-off. Zero current switching will be achieved when the parallel diode conducts. For the diodes to conduct before the switch is turned off, current must be advanced over voltage, and that is going to happen when switching under the resonant frequency, in a capacitive phase of the resonant tank. This type of switching has the inherent problem of the turn-off of the opposite diode and its reverse recovery current. In order to reduce as much as posible the non desired effects of reverse recovery current two actions will be undertaken: snubbing and zero current switching. Zero current switching is achieved by shifting the switching time of both legs of the bridge (phase shifting) and synchronize one of the legs with the resonating current. This reduces switching losses, contributes to power regulation and reduces reactive power. Where before it was a unique parameter to regulate power, now there are two. The combined action of frequency variation and duty makes the variation of power with frequency much more steep than when only frequency acts. And thus working frequencies will be always much closer to the resonance one. The mathematical models of the new topology PS-ZCS (phase shift zero current switching) small and big signal has been built. Circuit has been simulated and built. And it has been working up to 50kHz. That proves the feasibility of the concept and fulfills the objectives of this thesis.

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Resumen: En el caldeo por inducci´on se utilizan inversores resonantes para inducir corrientes en la pieza a calentar. Estas corrientes producen el calentamiento de la pieza por efecto Joule y p´erdidas ferromagn´eticas. Los dos tipos de generadores habitualmente empleados son el generador serie y el generador paralelo, atendiendo esta diferenciaci´on al tipo de tanque resonante empleado. En general los generadores paralelo precisan de dos etapas de conversi´on de la potencia, una de regulaci´on y otra inversora. Los generadores serie son capaces de regular e invertir con una sola etapa de conversi´on, por lo que su coste es menor y resultan m´as interesantes para la industria. Por ello van a ser el objeto de esta tesis. Los semiconductores empleados en este tipo de generadores var´ıan seg´ un la frecuencia m´axima de trabajo y el nivel de potencia requerido. En muy bajas frecuencias (¡500Hz) se emplean tiristores, en frecuencias bajas (¡2kHz) se pueden utilizar los GTOs, en frecuencias medio-bajas (¡20kHz)se suelen usar IGBTs, para frecuencias medias y altas (¡600MHz)la elecci´on recae en los MOSFETs y para frecuencias muy altas se debe hacer uso de tubos de vac´ıo. Habitualmente los generadores serie se controlan mediante la t´ecnica de variaci´on de frecuencia, conmutando por encima de la frecuencia de resonancia del tanque. Cuanto m´as pr´oximos a la frecuencia de resonancia, m´as potencia se entrega a la pieza, si no se desea transmitir potencia a la pieza se lleva el generador a frecuencias elevadas. Al trabajar por encima de la frecuencia de resonancia el tanque resonante presenta una caracter´ıstica inductiva y la corriente va retrasada respecto de la tensi´on. Con esta estrategia de control las conmutaciones de los interruptores son suaves a on, puesto que el diodo en antiparalelo estar´a conduciendo y la transici´on a on del interruptor se produce a cero de tensi´on, y duras a off, pues el interruptor ha de cortar la corriente en un punto intermedio del ciclo resonante. Esta estrategia de conmutaci´on resulta muy adecuada para su uso con transistores MOSFET, pues son muy r´apidos tanto a off como a on y se evita el problema de la corriente de recuperaci´on inversa de los diodos en paralelo con cada interruptor. Pero no resulta ´optima para conmutaciones con IGBTs. Los transistores IGBT presentan el fen´omeno conocido como cola de corriente, que es que no cortan limpiamente la corriente cuando se les da la orden de hacerlo, sino que queda circulando una corriente residual 3

mientras se recombinan los portadores minoritarios de la zona de base. De esto resultan grandes p´erdidas que impiden el m´aximo aprovechamiento del semiconductor, teniendo que estar sobredimensionados en exceso. En muchas aplicaciones donde esta cola de corriente no es un impedimento serio para el funcionamiento del circuito, los IGBTs est´an sustituyendo satisfactoriamente a los mosfets, pues a elevadas corrientes y tensiones, por el hecho de ser dispositivos de portadores minoritarios, presentan menores p´erdidas que aquellos. Cambiando las estrategias de control y de conmutaci´on en un generador resonante serie vamos a poder utilizar IGBTs a frecuencias superiores a las hasta ahora alcanzadas en generadores serie, consiguiendo reducir costos en generadores existentes y cubrir un ´area de potencias/frecuencias que ten´ıan que cubrirse con generadores paralelo. Los transistores IGBT se caracterizan, como ya se ha comentado, por una transici´on a off con cola de corriente y una transici´on a on muy r´apida. Por tanto la nueva estrategia de conmutaci´on que se tenga que emplear para permitir subir su frecuencia de operaci´on ha de ser tal que los IGBT conmuten a off por cero de corriente y eso suceder´a cuando su diodo paralelo est´e conduciendo. Para que los diodos conduzcan antes de que llegue el momento de poner a off al interruptor, la corriente ha de ir adelantada respecto de la tensi´on y esto significa que se ha de conmutar por debajo de la frecuencia de resonancia del tanque, en una fase capacitiva. Este tipo de conmutaciones presenta el problema del corte forzado del diodo paralelo del interruptor opuesto de cada rama del puente, con la consiguiente corriente de recuperaci´on inversa. Para mitigar en lo posible los indeseables efectos de la corriente de recuperaci´on inversa de los diodos en las conmutaciones se a˜ nadir´a un snubber a on y se buscar´a que una de las ramas conmute por cero de corriente. Se desfasar´a una rama del puente respecto de la otra (phase shift o desplazamiento de fase) para sincronizar las conmutaciones de una de las ramas con la corriente resonante y poder conseguir que conmute a cero de corriente. Adem´as de reducir las p´erdidas de conmutaci´on, regula la potencia entregada y reduce la potencia reactiva manipulada. Donde antes se ten´ıa un u ´nico par´ametro que regulaba la potencia ahora se tiene dos. La acci´on combinada de frecuencia y duty (ciclo de trabajo) hace que la variaci´on de la potencia seg´ un la frecuencia sea mucho mayor que cuando act´ ua u ´nicamente la frecuencia, y que el alejamiento de la frecuencia de trabajo y la de resonancia mucho menor. 4

Se han construido los modelos matem´aticos (de gran y peque˜ na se˜ nal) de la nueva topolog´ıa PS-ZCS (phase shift - zero current switching), se han realizado simulaciones de los circuitos y se han montado haci´endolos trabajar hasta los 50kHz. Con ello se prueba su viabilidad y se cumple el objetivo de esta tesis.

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