Influencia de los componentes parásitos en el análisis y diseño de inversores resonantes paralelo para aplicaciones de calentamiento por inducción

Abstract

La aparición de nuevos dispositivos semiconductores de conmutación cada vez más<br/>rápidos y capaces junto con el uso de modernas técnicas de control ha permitido la mejora de<br/>parámetros básicos de los equipos industriales como son la fiabilidad, la seguridad y el<br/>rendimiento. En calentamiento por inducción, el uso de estos nuevos dispositivos ha permitido<br/>además el aumento de la potencia y frecuencia de funcionamiento con lo que se han evidenciado<br/>los efectos perjudiciales que provocan las diversas magnitudes parásitas que aparecen en los<br/>componentes y conexiones de estos equipos. El presente trabajo se basa en el estudio de estos<br/>efectos y en el análisis y diseño de circuitos capaces de resolver los problemas que estos plantean<br/>en inversores resonantes paralelo para aplicaciones de calentamiento por inducción con el objeto<br/>de aumentar su rendimiento y fiabilidad trabajando a altas frecuencias.<br/>En la actualidad la gama de frecuencias en las aplicaciones de calentamiento por<br/>inducción está cubierta mediante convertidores cuyas tecnologías han sido elegidas optimizando<br/>criterios de coste, fiabilidad y rendimiento. A partir de algunas decenas de kilohercios el<br/>rendimiento y la fiabilidad de los convertidores con transistores IGBT baja haciendo aconsejable<br/>cubrir las aplicaciones en estas frecuencias con convertidores con transistores MOS.<br/>A continuación se muestra la situación que se puede alcanzar incorporando las técnicas<br/>que aquí se presentan. La gama de frecuencias de los convertidores con transistores IGBT se<br/>extiende hasta alcanzar los 100 kHz con lo que pueden sustituir en este segmento de frecuencias<br/>a los transistores MOS reduciendo consecuentemente el coste del equipo. De un modo análogo<br/>se incrementará la frecuencia de trabajo de los convertidores con transistor MOS que podrán<br/>sustituir en la práctica totalidad de aplicaciones a los generadores con tubo electrónico.<br/>Seguidamente se hace un breve resumen de los contenidos de cada unos de los capítulos<br/>de esta memoria.<br/>El primer capítulo muestra una introducción al calentamiento por inducción dando una<br/>relación de las necesidades de este sector industrial y las soluciones aportadas por la Electrónica<br/>Industrial en el transcurso de los últimos años.<br/>Los equipos generadores utilizados en caldeo por inducción tienen como punto común<br/>que la carga es un circuito resonante. En el segundo capítulo se aborda el análisis y condiciones<br/>de carga de las distintas configuraciones resonantes paralelo así como la caracterización de los<br/>componentes básicos de los convertidores y el estudio de sus estructuras topológicas dando una<br/>especial atención a los circuitos inversores con carga resonante paralelo.<br/>Una vez caracterizados los circuitos de salida y definidas las topologías del convertidor,<br/>en el tercer capítulo se estudian los procesos de conmutación de los dispositivos conmutadores<br/>en inversores con carga resonante paralelo para diferentes condiciones de funcionamiento. Estos<br/>procesos se pueden mejorar con el uso de redes de ayuda a la conmutación cuyo funcionamiento<br/>también será analizado. En este capítulo se introducen las técnicas del disparo de los<br/>conmutadores del inversor para conseguir conmutaciones suaves que reduzcan las pérdidas de<br/>conmutación permitiendo así la posibilidad de aumentar tanto la potencia como la frecuencia del<br/>convertidor. El estudio de este sistema de control se hará en el cuarto capítulo y se completará<br/>mediante su modelización y estudio dinámico.<br/>En el capítulo quinto se estudiará el funcionamiento del inversor resonante paralelo en<br/>condiciones de cortocircuito exponiéndose los problemas que implica esta circunstancia y la<br/>efectividad de las soluciones propuestas.<br/>Finalmente, en los dos últimos capítulos se mostrarán los resultados experimentales<br/>obtenidos sobre generadores con inversor resonante paralelo de alta frecuencia con<br/>transistores IGBT y MOS para calentamiento por inducción y la relación de aportaciones de<br/>este trabajo.

The appearance of new devices more and more fast and capable switching<br/>semiconductors together with the use of modern control techniques has allowed the improvement<br/>of basic parameters of the industrial teams as they are the reliability, the security and the<br/>efficiency. In induction heating, the use of these new devices has allowed the increase of the<br/>power and operation frequency. With this, the harmful effects that cause the parasitic magnitudes<br/>in the components and connections appears. The present work is based on the study of these<br/>effects and in the analysis and design of circuits able to solve the problems in parallel resonant<br/>inverters for induction heating applications in order to increasing its efficiency and reliability<br/>working at high frequencies.<br/>Subsequently a brief summary of the contents is made of each one of the chapters of this<br/>memory. The first chapter shows an introduction to the induction heating giving a relationship of<br/>the necessities of this industrial sector and the solutions contributed by the Industrial Electronics<br/>in the course of the last years. In the second chapter it is approached the analysis and conditions<br/>of load of the different configurations of the parallel resonant circuit as well as the<br/>characterisation of the basic components of the converters and the study of their structures. In the<br/>third chapter the processes of commutation of the devices switches are studied in inverters with<br/>parallel resonant load for different operation conditions. The soft commutations techniques are<br/>introduced to reduce the commutation losses allowing this way the possibility to increase as<br/>much the power as the frequency of the converter. The study of this control system will be made<br/>in the fourth chapter and it will be completed by means of its modelización and dynamic study.<br/>In the chapter fifth the parallel resonant investor's operation will be studied under short circuit<br/>conditions. Finally, in the last two chapters the experimental results obtained on generators<br/>with parallel resonant inverters of high frequency for induction heating will be shown.