Гальваническая развязка силовых цепей и каналов передачи данных в индукционных электроплитах

В последнее время все более широкое распространение получают быто­вые индукционные электроплиты. Безо­пасность пользования такими плита­ми обеспечивают изоляторы семейства iCoupler. Особенности применения этих изоляторов рассмотрены в статье.

Дж. Патокс

Индукционные электроплиты в настоящее время начинают пользоваться повышенным спросом на рынке бытовой электроники. Они более безопасны по сравнению с газовыми и обычными электроплитами, не имеют открыто­го пламени и источника тепла высокой темпера­туры, скорость нагрева продуктов питания в них выше по сравнению с другими электропли­тами. При проектировании индукционных электроплит необходимо обеспечить соблюде­ние требований к электробезопасности. Для это­го, прежде всего, следует изолировать мощные IGBT-модули и пользовательский интерфейс.

Кратко рассмотрим устройство индукционной электроплиты. Индуктивный элемент генериру­ет мощное магнитное поле. Если в магнитном по­ле окажется металлическая сковородка, возникнут пронизывающие ее вихревые токи. Электри­ческая энергия этих токов преобразуется в тепло­вую, благодаря чему пища нагревается. На рис. 1 показаны основные элементы индукционной системы нагрева пищи. Индукционные токи формируются импульсным источником питания и мощными IGBT-ключами. Управление этими ключами осуществляется микроконтроллером, который вырабатывает управляющие воздей­ствия, анализируя сигналы датчиков, установ­ленных в органах управления электроплитой. Главным сенсором электроплиты является транс­форматор, включенный последовательно с ин­дуктором. Он обеспечивает регулировку тока для поддержания заданной температуры нагрева пи­щи. Для предотвращения выхода из строя сило­вого блока индукционной электроплиты используются IGBT-ключи, которые в случае перегруз­ки по току ограничивают его уровень. Индуктив­ность и емкость индуктора, трансформатор и по­суда с пищей образуют колебательный контур, резонансная частота которого определяется не только величинами L и С (элементов электропли­ты), но и материалом и размерами посуды с пи­щей. Поэтому затруднительно обеспечивать тре­буемый уровень нагрева пищи регулировкой час­тоты. Более эффективной является установка уровня тока через индуктивный элемент, кото­рый напрямую связан с рассеиваемой мощ­ностью. Наличие трансформаторной цепи обрат­ной связи с микроконтроллером (см. рис. 1) поз­воляет легко управлять уровнем нагрева путем изменения тока через индуктивный элемент. Микроконтроллер регулирует частоту ШИМ-сиг­нала для адаптации его к размерам посуды с пи­щей. Разработчикам индукционных электроплит известна зависимость между степенью нагрева пищи и величиной тока через индуктивный эле­мент. В соответствии с этой зависимостью проис­ходит программирование микроконтроллера, уп­равляющего частотой ШИМ-сигнала. Частота ШИМ-сигнала на входе IGBT-транзисторов нахо­дится в пределах от 20 до 100 кГц. ШИМ-сигнал, снимаемый с выхода микроконтроллера, имеет фиксированный рабочий цикл, равный 50% пе­риода. Наличие высоковольтного напряжения на выходе IGBT-модулей приводит к необходимости использования элементов гальванической раз­вязки между выходом микроконтроллера и вхо­дом IGBT-модулей.

Рис. 1. Упрощенная функциональная схема индукционной электроплиты

Рис. 2. Упрощенная структура  ИМС на основе технологии iCoupler

Для обеспечения такой развязки, как прави­ло, используют изолированные драйверы (см. рис. 1). Семейство таких драйверов, выполнен­ных по технологии iCoupler, выпускает компа­ния Analog Devices. Применение изолированных драйверов позволяет, во-первых, защитить поль­зователей от высоких напряжений и бросков тока и, во-вторых, изолировать токи в контурах заземления, что исключает возможность пробоя из-за разных потенциалов земли в этих контурах.

В основу технологии iCoupler положена трансформаторная развязка входа и выхода, причем трансформатор выполнен по пленочной технологии и располагается на поверхности кристалла ИМС драйвера (рис. 2). Использова­ние трансформаторной вместо оптоэлектрон­ной развязки позволяет уменьшить потребле­ние, увеличить скорость передачи данных по гальванически изолированным цепям и сни­зить влияние температуры окружающей среды на стабильность работы изолированного драй­вера. Необходимая прочность изоляции (сред­неквадратичное значение не менее 5 кВ) семей­ства ИМС iCoupler обеспечивается 20-микрон­ным полиимидным изоляционным слоем меж­ду катушками пленочного трансформатора.

К основным преимуществам изоляторов на основе технологии iCoupler по сравнению с ана­логичными устройствами на основе оптопар или дискретных трансформаторов относятся следующие: высокая степень интеграции, не­высокая стоимость, малое потребление, просто­та использования и высокая надежность.

Для построения изолированных драйверов IGBT-модулей может быть использована двух­канальная ИМС ADuM1233 (рис. 3). Функцио­нальная схема такого драйвера приведена на рис. 4. В связи с тем, что максимальный ток на выходе изолятора ADuM1233 составляет 100 мА, для управления IGBT-модулями ис­пользуется дополнительный усилительный каскад (см. рис. 4). Отметим, что в двухка­нальном изоляторе ADuM1233 при передаче ШИМ-сигналов должно быть обеспечено высо­кое согласование задержек между каналами. На рис. 5 показано рассогласование по дли­тельности передних и задних фронтов ШИМ- сигналов между каналами на входе и выходе ADuM1233.

Рис. 3. Функциональная схема двухканального изолятора ADuM1233

Рис. 4. Функциональная схема изолированного драйвера IGBT-модуля

Рис. 5. Задержка распространения ШИМ-сигналов в каналах изолятора ADuM1233

Рассогласование передних (нарастающих) фронтов не превышает 100 пс и задних (спадаю­щих) фронтов – не превышает 1 нс. Разница напря­жений питания IGBT-модулей +HV и -HV состав­ляет ±700 В, что вполне достаточно для управле­ния индуктором индукционной электроплиты.

Если в такой электроплите используется емкостный контроллер клавиатуры AD7147 или AD7148, который связан FC-интерфейсом с микроконтроллером, его развязку можно обеспечить применением двунаправленного изолятора типа ADuM1250 (рис. 6).

Рис. 6. Функциональная схема I2C-изолятора типа ADuM1250

Автоматический контроль наличия посуды на индукционной конфорке является важной особенностью индукционной печи. Если поль­зователь задает уровень нагрева и устанавли­вает посуду на конфорку, индукционные импульсы тока будут вызывать изменение напряжения в индукторе в определенном направлении. Если убрать посуду с конфорки, напряжение на индукторе изменит знак. Такое изменение фиксируется компаратором семей­ства ADCMP3xx и таким образом обеспечива­ется автоматический контроль наличия посу­ды на индукционной конфорке. Если пользо­ватель убрал посуду и забыл выключить пли­ту, ее отключение через некоторое время будет выполнено в автоматическом режиме.

Бытовые индукционные электроплиты – один из примеров применения изоляторов се­мейства iCoupler.

ВЫВОДЫ

1. Широкое использование бытовых элект­рических и индукционных плит приводит к необходимости применения гальванической развязки силовых и управляющих цепей для обеспечения безопасной эксплуатации и повы­шения надежности таких плит.
2. Применение изоляторов семейства iCoupler компании Analog Devices позволяет развязать как силовые, так и информационные цепи ин­дукционных плит, и тем самым гарантировать безопасную эксплуатацию такого оборудования.