ترانزستور بوابة ثنائي القطب معزول في مزودات طاقة التسخين بالحث: كيف يعمل ولماذا يُستخدم

IGBT هو أحد أكثر أجهزة أشباه موصلات الطاقة شيوعًا المستخدمة في معدات التسخين بالحث الصناعي. في مصدر طاقة التسخين التعريفي النموذجي, إنه موجود داخل مرحلة العاكس ويقوم بتحويل طاقة التيار المستمر إلى الطاقة الكهربائية المتناوبة التي تتطلبها دائرة الرنين وملف الحث.

مسار الطاقة المبسط هو:

IGBT لا يحدد نتيجة التسخين بمفرده. إنه جزء من نظام يتعين أن يعمل فيه العاكس, المكونات الرنانة, ملف الحث والتحميل معًا.

Ⅰ. ما هو IGBT?	Ⅳ. تحويل IGBT ودائرة التسخين الرنانة
Ⅱ. لماذا نستخدم IGBT في مصدر طاقة التسخين التحريضي?	Ⅴ. ماذا يفعل IGBT و DSP كل على حدة?
Ⅲ. IGBT أم MOSFET?

Ⅰ. ما هو IGBT?

IGBT تعني ترانزستور ثنائي القطب ذو بوابة معزولة. إنه جهاز نصف موصل طاقي لديه ثلاثة أطراف رئيسية: البوابة, المجمع والباعث.

لمعدات التدفئة التعريفي, النقطة المهمة بسيطة إلى حد ما: يمكن لـ IGBT تبديل الجهد والتيار العالي نسبيًا أثناء التحكم فيه من بوابته. وهذا يجعلها مناسبة للعديد من الوسائط- وتصميمات العاكس عالية الطاقة.

داخل مصدر الطاقة التعريفي, يتم تشغيل IGBT عادةً كمحول. يتم تشغيله وإيقافه بشكل متكرر بدلاً من العمل كمضخم خطي.

يقوم هذا التبديل بتحويل ناقل التيار المستمر إلى خرج تيار متردد يتم التحكم فيه عند تردد التشغيل المطلوب.

لقد تم اعتماد تقنية IGBT على نطاق واسع في التدفئة الصناعية لأنها توفر توازنًا مفيدًا لقدرات الطاقة, تبديل الأداء, الموثوقية والتكلفة. إنه ليس الخيار الوحيد, لكن. تُستخدم MOSFETs التقليدية و MOSFETs المصنوعة من SiC أيضًا, خاصة مع تغيّر متطلبات تردد التحويل والكفاءة.

Ⅱ. لماذا نستخدم IGBT في مصدر طاقة التسخين التحريضي?

يحتاج ملف الحث إلى تيار متناوب بتردد مناسب لعملية التسخين. لا يمكن توصيل التيار الكهربائي العادي مباشرة بالملف ببساطة.

يتم أولاً تقويم التيار المتردد الوارد. ثم يقوم المحول العاكس بتبديل جهد التيار المستمر الناتج وتزويد دائرة التسخين الرنانة.

هنا يأتي دور IGBT.

يتدفق التيار الناتج عبر ملف الحث ويخلق مجالًا مغناطيسيًا متناوبًا. عندما تدخل قطعة عمل موصلة إلى هذا المجال, يتم إحداث تيارات كهربائية في المعدن وتتولد الحرارة في قطعة العمل.

لنظام صناعي, يتم اختيار الجهاز على مستوى المحول وليس من خلال قاعدة بسيطة مثل "الطاقة العالية تعني IGBT".”

نظام تسخين شريطي فولاذي عالي الطاقة يعمل بتردد معتدل, على سبيل المثال, يخلق متطلبًا كهربائيًا مختلفًا تمامًا عن وحدة التسخين عالية التردد المدمجة.

الجهد, التيار, تردد التبديل, البنية الطوبولوجية, التبريد والحمل الرنيني جميعها تؤثر على الاختيار.

هناك نقطة عملية أخرى. الحمل الذي يراه مصدر الطاقة بالحث ليس ثابتًا تمامًا.

عندما يدخل جزء فولاذي الملفات, يتغير الحمل الكهربائي الذي ينعكس إلى العاكس. مع تسخين الجزء, يتغير مقاومته, وتتغير المواد الفيرومغناطيسية أيضًا في سلوكها المغناطيسي مع درجة الحرارة. ولذلك يجب أن يعمل العاكس ونظام التحكم بشكل موثوق أثناء تغير الحمل نفسه.

تدفق الطاقة من خلال مصدر طاقة التسخين التعريفي IGBT.

Ⅲ. IGBT أم MOSFET?

تتحول الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFET) السيليكونية عمومًا بشكل أسرع وتستخدم على نطاق واسع عندما يتطلب الأمر تردد تبديل أعلى. تظل IGBTs خيارًا عمليًا في العديد من الأنظمة الصناعية حيث يجب التعامل مع الجهد والتيار الكبيرين بترددات مناسبة للجهاز.

لقد قامت وحدات SiC MOSFETs بنقل هذه الحدود إلى أبعد من ذلك. إنهم يجمعون بين القدرة على التعامل مع الجهد العالي وسرعة التبديل, على الرغم من تكلفة الجهاز, تصميم قيادة البوابة, يجب أيضًا مراعاة الحماية وتخطيط النظام.

أحد قيود الـ IGBT هو سلوك إيقاف التشغيل الخاص به. الشحنة المخزنة داخل الجهاز تنتج تيار الذيل, الذي يساهم في خسارة التبديل. كلما تردد التبديل زادت, تصبح هذه الخسارة أكثر أهمية.

هذا لا يعني أن للـ IGBT تردد أقصى ثابت لكل تطبيق. جيل الجهاز, التيار, الجهد, درجة حرارة الوصلة وما إذا كان العاكس يستخدم التبديل الصعب أو الناعم، كل هذه الأمور.

في معدات التدفئة التعريفي, لذلك يتم اختيار أشباه الموصلات مقابل الواقع مستوى الطاقة, نطاق التردد, دائرة الرنين, ظروف التبريد والحمل المتوقع.

Ⅳ. تحويل IGBT ودائرة التسخين الرنانة

تستخدم معظم مصادر طاقة التسخين بالحث الصناعي حملًا رنينيًا.

توفر لفافة الحث الحثية, بينما يتم إضافة المكثفات لتشكيل المطلوب دائرة الرنين. اعتمادًا على تصميم مصدر الطاقة, قد يستخدم هذا الرنين التسلسلي, الرنين المتوازي أو ترتيب رنين آخر.

يمكن اعتبار العلاقة الأساسية كما يلي:

يمكن أن يكون التيار المتدفق عبر لفافة الحث الصناعية كبيرًا جدًا. يساعد الرنين النظام على التعامل مع تبادل الطاقة بين الأجزاء الحثية والسعوية للدائرة بينما يزود المحول العاكس الطاقة الحقيقية المستهلكة من قبل قطعة العمل والخسائر الكهربائية.

هذا هو أيضًا السبب في أنه لا يمكن تصميم المحول العاكس بشكل مستقل عن اللفافة.

تغيير الملف الحثي, تغير هندسة القطعة أو حالة التشغيل الحمل. في آلة إنتاج, يجب أن تبقى هذه التغييرات ضمن نطاق تشغيل مزود الطاقة.

غالبًا ما تُستخدم تقنيات التحويل الناعم لتقليل خسائر أشباه الموصلات. بدلاً من إجبار IGBT على التحويل تحت أسوأ مزيج من الجهد والتيار, يتم تشغيل الدائرة بحيث يحدث التحويل في ظروف كهربائية أكثر ملاءمة.

التنفيذ الدقيق يعتمد على طوبولوجيا العاكس.

في العديد من محولات التسخين بالحث الرنانة, تكون ترددات التحويل مرتبطة ارتباطًا وثيقًا بتردد تشغيل دائرة الرنين. العلاقة الدقيقة تعتمد على طوبولوجيا العاكس وطريقة التحكم.

Ⅴ. ماذا يفعل IGBT و DSP كل على حدة?

غالبًا ما تجمع معدات التسخين الحثي الحديثة تحويل الطاقة باستخدام IGBT مع التحكم الرقمي DSP.

وظائفهم مختلفة.

اعتمادا على تكوين إمدادات الطاقة, ال نظام التحكم دي اس بي قد يعالج إشارات الجهد والتيار, تنظيم طاقة الإخراج, التحكم أو تتبع تردد التشغيل, إدارة وقت التسخين والاستجابة لظروف العطل.

في المعدات الآلية, يمكن لنفس منصة التحكم أيضًا تبادل المعلومات مع PLC أو أنظمة خط الإنتاج. تغذية راجعة للحرارة, وصفات العملية, يمكن إضافة حدود الإنذار وسجلات الإنتاج حيث يدعمها النظام المختار.

يصبح هذا مفيدًا بشكل خاص في الإنتاج المستمر. قد تتطلب التغيرات في سرعة الخط, مواصفات قطعة العمل أو متطلبات التسخين حالة تشغيل مختلفة, ويحتاج مصدر الطاقة إلى متابعة هذه العملية بطريقة خاضعة للرقابة.

لهذا السبب, وصف سخان الحث ببساطة بأنه "آلة IGBT".” لا يقول الكثير عن أدائه الفعلي.

لا يعمل IGBT ولا DSP بشكل منفصل. يعتمد التسخين التعريفي المستقر على العاكس, دائرة الرنين, ملف الحث, يتم مطابقة نظام التبريد واستراتيجية التحكم مع الحمل.

الوجبات الجاهزة الرئيسية

أ IGBT يقوم بتبديل ناقل التيار المستمر داخل العاكس; فهو لا يحدد في حد ذاته نتيجة التسخين. الأداء القابل للاستخدام يأتي من العاكس, دائرة الرنين, ملف الحث, التبريد والتحكم متوافقان مع الحمل. الاختيار بين IGBT, MOSFET و SiC يعتمد على الطاقة, التردد, توبولوجيا والحمل المتغير.

الأسئلة المتداولة

انقر فوق سؤال لتوسيع الإجابة.

هل الـ IGBT هو الجهاز الوحيد المستخدم في التسخين بالحث?

لا. تُستخدم أيضًا MOSFETs السليكونية و SiC MOSFETs, خاصة عند ترددات التبديل الأعلى. يظل الـ IGBT خيارًا عمليًا حين يجب التعامل مع جهد وتيار كبيرين عند ترددات مناسبة للجهاز.

ما هو تيار الذيل لـ IGBT, ولماذا هو مهم?

تيار الذيل هو التيار الذي يستمر في التدفق لفترة وجيزة عند إيقاف التشغيل بسبب الشحن المخزن في الجهاز. ويضيف إلى تبديل الخسارة, وتنمو الخسارة مع زيادة تردد التبديل.

هل تعني الطاقة الأعلى دائمًا أن العاكس يجب أن يستخدم IGBTs?

ليس بالضرورة. يتم اختيار الجهاز وفقًا لمستوى الطاقة, نطاق التردد, دائرة الرنين, التبريد والحمل المتوقع - وليس من "طاقة عالية" بسيطة تعني IGBT” قاعدة.

ماذا يفعل DSP في مصدر طاقة التسخين التعريفي IGBT?

يتولى IGBT تبديل الطاقة; يتولى DSP التحكم, المراقبة والحماية — تنظيم قوة الإخراج, تتبع التردد, إدارة وقت التسخين والرد على الأعطال.