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
- 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.
- 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.
Лайкнути
Твітнути