Basics Design Induction Heat

Creative Electronics Education


               แนวคิดพื้นฐานในการออกแบบวงจรการเหนี่ยวนำด้วยแม่เหล็กไฟฟ้า (Basics Design Induction Heat) ในส่วนนี้จะเน้นในเรื่องของการขับกำลังต่างๆ ที่จะทำให้การทำงานของวงจรมีประสิทธิภาพ ทั้งนี้เพราะวงจรในส่วนนี้ต้องการกำลังไฟฟ้าสูง โดยจะกล่าวถึงการทำงานของอุปกรณ์ อินเวอร์เตอร์ สิ่งที่เราควรพิจารณาในการออกแบบที่สำคัญ  IH1
           จากรูปที่แสดงข้างบนจะเป็นลักษณะของการเกิดสัญญาณในช่วงต่างๆ ขณะที่ตัวขับกำลัง (อาจจะเป็น IGBT หรือ MOSFET) ทำงาน  ทั้งจะทำให้เราสามารถวิเคราะห์ลักษณะของกระแสที่ไหลผ่านและแรงดันที่เกิดขึ้น ซึ่งจากในรูปสัญญาณบนสุดนั้นจะเป็นการส่งสัญญาณให้เกิดการนำกระแส (Driver signal) และสัญญาณนี้เองก็จะทำให้เกิดการนำกระแสขึ้น (ในรูปถัดลงมา) เส้นสีแดง จากนั้นแรงดันตกคร่อมก็จะค่อยๆ ลดลง แต่ก็ยังมีช่วงเวลาที่กระแสและแรงดันเกิดการเหลื่อมกันคือ Trise_i และ Tfall_v ในช่วงเริ่มต้นและในช่วงท้าย Trise_v และ Tfall_i ซึ่งเมื่อเรานำมาเขียนเป็นรูปใหม่จะเป็นดังในรูปล่างสุด (Power Losses) ซึ่งเป็นลักษณะของการสวิตชิ่งทั่วไป (Hard switching) ซึ่งจะทำให้เกิดพลังงานสูญเสียขึ้น และจะเป็นสัดส่วนกับความถี่ในการสวิตชิ่ง (Switching frequency)
           การเลือกเทคนิคและวิธีการสวิตชิ่งที่จะช่วยลดพลังงานสูณเสียดังกล่าวได้นั้น จะเป็นลักษณะของการสวิตช์ที่แรงดันหรือกระแสในช่วงเวลาศูนย์ Zero Voltage Switching (ZVS) or Zero Current Switching (ZCS) ที่เราต้องการให้เกิดขึ้นกับตัวเพาเวอร์สวิตช์ และทำให้ปริมาณพลังงานสูญเสียลดลง

IH2

           ในรูปที่แสดงนี้จะทำให้เราทราบถึงพื้นที่การทำงานของตัวเพาเวอร์สวิตช์  (Switching Area) ที่จะเกิดขึ้นในการณีที่เราใช้รูปแบบ หรือเทคนิคต่างๆ ของการทำงานให้กับเพาเวอร์สวิตช์ ซึ่งเราจะเห็นว่า Soft Switching Area จะช่วยลดพลังงานสูญเสียได้ดีที่สุด เมื่อเทียบกับ hard-switched และแบบ snubber assisted จะเป็นวิธีการรองลงมา 

IH3

                การเลือกโครงสร้างหลักของอินเวอร์เตอร์ (Topologies for induction heating) เป็นเรื่องหนึ่งที่เราจะต้องเลือกใช้ให้เหมาะสมในเรื่องของต้นทุน ความสามารถ ความซับซ้อน และคุณสมบัติอื่นที่ต้องการเพิ่มเติม จากในรูปนั้นซ้ายมือบน (A) จะเป็นโครงสร้างแบบ Full bridge ในรูป (B) จะเป็นโครงสร้างแบบ Half-bridge และในรูป (C) และ  (D) จะเป็นโครงสร้างแบบ Single switch inverter แต่โดยทั่วไปในการเลือกใช้งานและเป็นที่นิยมนั้นจะเป็นแบบ  Half-Bridge(HB) series-resonant converter และแบบ Single switch Quasi-Resonant (QR)

IH22 IH45

              จากรูปจะเป็นตัวอย่างของวงจร Resonant Half-Bridge ในการพิจารณาถึงคุณสมบัติที่จะเกิดขึ้น  วงจรสมมูลย์ของพื้นฐานวงจร และการคำนวณค่าพารามิเตอร์ต่างๆ  ที่เกิดขึ้น  จากในรูปบนจะเห็นว่าตัวเหนี่ยวน ตัวต้านทานำและตัวเก็บประจุจะต่อกันในลักษระอนุกรม ซึ่งหมายความว่าค่าอิมพีแดนซ์จะเท่ากับ  Zseries  = jωL + (1/jωC) +R ,  ω = 2 πf  เป็นความถี่เรโซแนนท์  และเราสามารถเขียนเป็นวงจรใหม่ดังรูปข้างล่างซ้ายมือ ส่วนหนึ่งที่สำคัญของการเรโซแนนท์คือคุณภาพของวงจร Quality factor Q ซึ่งเกิดจาก Q  = Z0/R และสมการที่เกี่ยวข้องเพิ่มเติมข้างล่าง

equeation

            เมื่อ  fres  คือ ความถี่เรโซแนนท์,  Lr คือ ค่าความเหนี่ยวนำของอุปกรณ์ , Cr คือ ความจุของอุปกรณ์,  φ คือ ความต่างเฟสที่เกิดขึ้นระหว่างแรงดันและกระแสในวงจรเรโซแนนท์

IH6

        รูปที่แสดงข้างบนนี้จะเป็นแนวคิดสำคัญของ Basics Design Induction Heat เพื่อให้ทราบว่าช่วงของการส่งพลังงานได้สูงสุดไปยังเอาต์พุต (Output Power) เทียบกับความถี่เรโซแนนท์  Switching Frequency ซึ่งสรุปได้ว่า ที่ความถี่ Resonance Frequency จะให้พลังงานสูงสุด แต่ถ้าความถี่เรโซแนนท์น้อยกว่าก็จะทำให้พลังงานลดลงอันเนื่องตัวเก็บประจุเกิดค่าความต้านทานสูงที่ความถีต่ำ (Capacitive Region)  เช่นเดียวกันที่ความถี่สูงพลังงานลดลงเพราะตัวเหนี่ยวนำจะเกิดค่าความต้านทานสูง (Inductive Region) ขึ้นนั้นเอง

IH7


IH8

            ในรูปทั้งสองข้างบนนี้จะเป็นลักษณะของกระแสและแรงดันที่เกิดขึ้นจากการทำงานของวงจร Resonant Half-Bridge Waveforms และ Quasi-Resonant Inverter Waveforms ที่จะให้เราทราบถึงลักษณะของผลที่เกิดขึ้นถึงการทำงานของวงจรทั้งสอง ถึงพฤติกรรมในช่วงของสัญญาณต่างๆ  ในการนำไปประยุกต์ใช้งานหรือออกแบบวงจรต่อไป

 ข้อมูลอ้างอิง

1. https://www.fairchildsemi.com/application-notes/AN/AN-9012.pdf

2. http://www2.dede.go.th/bhrd/old/web_display/websemple/Industrial%28PDF%29/Bay%201%20

Induction%20Heating.pdf

3. http://www.gh-ia.com/induction_heating.html

4. http://www.infineon.com/dgdl/Infineon-AN2012_08_RC_IGBT_for_Inductive_cooking-AN-v1.0-en.pdf?fileId=db3a30433a047ba0013a6ec9c25f6017

5. http://www.onsemi.com/pub/Collateral/HBD871-D.PDF

6. http://www.onsemi.com/pub/Collateral/AND9166-D.PDF


 www.CreativeEEd.com


 fashion necklaces