İndüksiyonlu ocak için yüksek verimli rezonans evirici tasarımı
Design of a high efficiency resonant inverter for induction cooker
Yazar: KEMAL KALAYCI
Danışman: YRD. DOÇ. DR. DENİZ YILDIRIM
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Endüksiyonla ısıtma = Induction heating ; Endüksiyonla ısıtma sistemleri = Induction heating systems ; Endüksiyonlu ısıtma cihazı = Induction heating equipment ; IGBT = IGBT

Özet:
Son yıllarda, elektrikli ev aletlerinin sayısındaki artışlar, hane başına toplam enerji tüketiminde sürekli bir artışa yol açtı. Geleneksel elektrikli ocak gibi çoğu elektrikli ev aletleri yüksek verimli olamadığı için bu aletlerin kullanımıyla ilişkili enerji maliyeti de arttı. Bu nedenle, şebekeden çekilen gücün önemli bir miktarı kaybedilir. Bu enerji kaybını azaltmak için enerji verimli elektrikli ev aletleri geliştirmek gerekir.
Pişirme amaçlı kullanılan enerji verimli cihazlardan biri indüksiyonlu ocaktır. Geleneksel elektrikli ocakların aksine, indüksiyonlu ocak pişirme için elektromanyetik indüksiyon prensibini kullanır. İndüksiyonla ısıtma, diğer ısıtma sistemlerine göre, ısıtma süresinin kısa olması, çevreye ısı dağılımının fazla olmaması, yüksek verimli ve güvenli olması gibi birçok avantaja sahip olmasından dolayı ev tipi uygulamalarda indüksiyonlu ocaklar günden güne yaygınlaşmaktadır.
İçinden AC akım geçen indüksiyon bobini üzerinde değişken bir manyetik akı üretilir. Bu değişken manyetik akı yoğunluğu ısıtılacak tencerenin altında kendi etrafında kapanan ve ortaya doğru çukurlaşan girdap akımlarını oluşturur. Joule etkisi sebebiyle endüklenen akımın neden olduğu elektrik enerjisi ısıya dönüşür.İndüksiyonlu ocak temel olarak güç elektroniği devresi, kontrol devresi ve bobinden oluşur. Bu çalışmada temel olarak EMC Filtre, doğrultucu ve evirici kısımlarından oluşan güç elektroniği devresi tasarımıyla ilgilenilmiştir. Burada indüksiyon bobinine 20 kHz ile 100 kHz arasında AC gerilim sağlamak için bir evirici kullanılır.  Rezonans eviriciler, sıfır akım veya gerilimde anahtarlama imkanı sağladıklarından anahtarlama kayıpları azalmaktadır. Yüksek verimli rezonans evirici tasarımı yapmak bu çalışmanın amacıdır. Bu amaç doğrultusunda ilk olarak indüksiyonlu ocakta kullanılan evirici topolojileri incelenmiştir. Maksimum 2kW giriş aktif gücü için tek anahtarlı ZVS kısmi rezonanslı evirici topolojisi uygun bulunmuştur.  Bu topoloji yapısı sadece tek anahtarlama elemanına ihtiyaç duyması ve düşük maliyetli olması sebebiyle diğer yapılardan avantajlı olmaktadır. Ancak, bu topolojide anahtarlama elemanı üzerinde yüksek gerilim stresleri meydana gelmektedir. Uygulamada anahtarlama elemanı olarak IGBT seçilmiştir. Tasarımda belirlenen maksimum akım ve gerilim değerlerini göz önüne alınarak uygun  IGBT ve rezonans kondansatörü kullanılmıştır.Ayrıca bu çalışmada, tek anahtarlı ZVS kısmi rezonans evirici yapısında kullanılan rezonans ve filtre kondansatörlerinin verime etkisini incelenmek için iki prototip kurulmuş ve test edilmiştir. Bu protiplerden Tasarım 1'de rezonans kondansatör değeri Tasarım 2'ye göre büyük seçilirken Tasarım 1'de filtre kondansatör değeri Tasarım 2'ye göre küçük seçilmiştir. Tasarım yapılırken simülasyonda kolaylık sağlayacak  bir metod  kullanılmıştır. Bu metod yardımıyla, tasarımcı kondansatör değerlerinin davranışını ve anahtarlama frekansını kolayca belirleyebilir.Kontrol için istenilen anahtarlama frekansını ve çalışma oranını sağlayabilen, SG3524 etiketli analog PWM kontrolör entegresi kullanılmıştır. Kontrolör ve IGBT aynı topraklamayı paylaştıkları için IGBT kapı sürücüsü olarak ayrık transistörlü devre yapısı kullanılmıştır.Devreyi gerçeklemeden önce Orcad Pspice benzetim programı kullanılarak devrede ortaya çıkabilecek problemler önceden tespit edilebilmektedir ve daha verimli tasarımlar yapılabilmektedir. Çoğu elektronik devre elemanı üreticisi, devre elemanlarına ait Pspice modellerini yayımlamaktadır. Böylece, uygulamada elde edilecek en yakın sonuçları elde etmek mümkündür.
Bilgisayar benzetimi ve uygulama sonucunda elde edilen dalga şekilleri tasarlanan her iki prototip içinde maksimum akım ve gerilim değerleri karşılaştırılmıştır. Bu akım ve gerilim değerlerin rezonans kondansatörü ve filtre kondansatörü değerlerini değişmesinden etkilendiği görülmüştür. Rezonans kondansatörü değeri azaltıldığında maksimum kollektör-emiter gerilim değerinini aşmamak için anahtarlama frekansı ve filtre kondansatörü değerlerini uygun bir şekilde ayarlamak gerekir.Isıtma verimliliği ölçümleri için suyu kaynatma testi yapılmıştır. Bu test, suya aktarılan enerji ile şebeden çekilen enerji bulunarak yapılır. Test sonucunda, Tasarım 1'in maksimum aktif güç seviyesi için %91.67 verim elde edilmiştir. Tasarım 1 ve 2 için belirlenen aktif güç seviyelerinde suyu ısıma verimliliği ölçülmüştür. 1.3kW ile 2kW giriş aktif güçleri arasında Tasarım 1'de daha iyi verim gözlemlenmiştir. Ancak, yaklaşık 1.3kW ve altı giriş aktif gücü değerlerinde Tasarım 2'de daha yüksek verim elde edilmiştir. Burada, yemek pişirmedeki kullanıcı eğilimi belirlenerek uygun tasarım tercih edilebilir. Frekans azaldıkça hem verim artmış hem de daha yüksek giriş aktif güç seviyesine çıkıldığı gözlemlenmiştir.

Abstract:
During the last years, increases in the number of household electrical applications have led to a steady rise in the the total energy consumption per household. The cost of energy associated with using these appliances has also increased because most present day electrical appliances, such as the electric cooker, are not very efficient. As such, a considerable amount of the power obtained from the grid is not being used to do useful work. One way to maximize the amount of power obtained from the grid is to develop more energy efficient electrical appliances.One of the most energy efficient device for cooking is the induction cooker. Unlike the standard household electric cooker, the induction cooker uses electromagnetic generated heat energy for cooking. Furthermore, as the heat is generated by induction, rather than through conduction, induction cooking proves much safer. With induction stoves, any human body parts placed on the cooking surface will not get burnt.  
Induction heating is based on two physical phenomena: induced currents (generally called eddy current and faoucault currents) and magnetic hysteresis. When a conducting body instead of a conductor loop is subjected to a time-varying magnetic field, voltages are similarly induced in this body, which consequently generate eddy currents circulating through the conductor. Eddy currents produce the heating by Joule effect. Magnetic hysteresis losses is occurred by ferromagnetic meterials. Hysteresis losses are negligible because eddy current losses are much more than these losses.Induction cooker system includes the power electronic system, which generates the required high frequency currents; the inductor system, which creates the alternating magnetic field to heat up the pan; and the control system. The power electronic system of a induction cooker includes an EMC filter, a rectifier, an inverter and a coil – pan system. 
Before the rectifier, EMC filter capacitor is used for putting input power factor closer to one and allowing high voltage surge. After rectified by bridge diode,  An inverter is used to ensure AC voltage which frequency is between 20 kHz and 100 kHz to the induction coil. This frequency limit is respectively determined by noise can be heard by the human ear and switching component's switching losses. Coil-pan system is also important part of  an induction cooker. Coil – pan system's equivalent inductance and resistance is changed by depending on frequency. In design, power levels are adjusted by changing on time of the IGBT. Off time of the IGBT is usually kept constant. Because of changing frequency, some design difficulties occur. To solve these difficulties, a design method is presented. 
Coil- pan system's equivalent resistance and inductance is measured by depending on switching frequencies up to 100 kHz and different types of cookware. According to the meausurements results, equivalent inductance of the coil with ferromagnetic pans is higher than equivalent inductance of the coil with nonferromagnetic pans. Equivalent inductance of the coil with ferromagnetic pans is reduced with increasing switching frequency, while equivalent inductance of the coil with nonferromagnetic pans is remained almost constant value. Equivalent resistance of the coil with ferromagnetic pans is increased with increasing switching frequency, while equivalent resistance of the coil with nonferromagnetic pans is remained almost the same as coil with no pan. Due to the lack of magnetic interaction between the coil and nonferromagnetic pan, equivalent inductance and resistance of system is remained constant value. Electrical resistance is seem to be a loss in many circuit operation, but it is necessary in order to ensure the induction heating.
In this study, a single phase induction cooktoop with a maximum power rating of 2kW  is designed and tested as two experimental protypes. Full Bridge, Half Bridge, Quasi Resonant Topologies are used in induction cooking design. Full Bridge inverter topology is most efficient one due to low current through its IGBTs. But it has four IGBTs  and implementation is complex. Half Bridge inverter topology is an balance between complexity and performances. For this design, ZVS Quasi Resonant Topology is most convenient one because of cost and ease of control. It needs only one IGBT. But, high voltage stresses on IGBT is observed in this topology. The issue of higher voltage on single IGBT must solved by designing of optimum Vce voltage.  A 1200V rated IGBT and resonant capacitor is used for this issue. The impact of resonant and filter capacitor values are investigated. Two protype which have different resonant and filter capacitor values are established and tested. As a result, efficiency at different input power levels are changing when these capacitor values are adjusted. Induction cooker designer must select convenient capacitor values to ensure a complete operation inside ZVS area and withstand voltage of the IGBT. If the inverter is worked outside of the ZVS or safe operating area, high dangerous peak current observed. When inverter is worked in light load condition, it isn't worked inside ZVS area because of high ripple. A method is explained for this reason. By using this method, designers can be determine the behaviour of capacitor values and switching frequency easily in simulation. When switching frequency is changed, efficiency and rated input power levels is changed. Efficiency for measured input power levels is compared for two different design. A SG3524 regulating pulse width modulator is used for control issue. It provides desired frequency range and duty cycle ratio. Resonant inverter can be operated at desired power range  by adjusting duty cycle and frequency. Control strategy is based on constant off time of the IGBT and variable on time of the IGBT. Most of the single ended induction cooker designs prefers discreate transistor IGBT driver because controller and IGBT share same grounding. However, the gate drive optocoupler or transformer are excellent alternatives because of safety isolation and reduction of power losses. In design, the discreate driver topology is used. Orcad Pspice simulation program is used for detecting problems early in circuit and making more efficient and accurate designs. Most of the electronic component manufactures are published their component's Pspice models. So, closest to actual implementation of simulation results can be obtained.Obtained simulation and oscilloscope waveforms are compared for maximum voltage and current waveforms. These waveforms is affected by changing resonant capacitor and filter capacitor values. By decreasing value of resonant capacitor, switching frequency and filter capacitor value is incremented. Thus, collector-emiter voltage of the IGBT and collector current of IGBT remain within the limits of IGBT. Almost similar voltage and current rates of IGBT are observed for design 1 and design 2. So, design method have proved to be successful.    
At the end of the implementation and tests, the calculated heating efficiency at  input power level is %91.67 at design 1. This heating efficiency is examined by conducting water boiling test. Efficiency and power level of design 1 and 2 are compared. Design 1 is more efficient between 1.3kW and 2kW input power levels. Although, Design 2 is more efficient below the 1.3kW input power levels. By determining the user's tendency for cooking, convenient design can be selected.    
In both design, while reducing switching frequency, efficiency is increasing. Design 1 is worked between 25kHz and 35kHz switching frequencies. Design 2 is worked between 30kHz and 40kHz switching frequencies. At 2kWinput power level, the switching frequency of design 1 is 25.99kHz while the switching frequency of design 2 is 29.08kHz. Future work will cover the efficiency analysis of induction cooktop based on different control strategies such as Pulse Density Modulation and Asymmetrical Duty Cycle. Moreover, using single ended parallel resonant inverter topology can be designed an induction cooker with two or four hobs.