Il controllo elettronico dei piani cottura a induzione

TECNOLOGIE –

I sistemi di cottura a induzione basati sulla famiglia di microcontrollori RX 63T di Renesas abbinata a Igbt dedicati si avvantaggiano di un costo di sistema ridotto, di una più elevata affidabilità e di una vita del prodotto più lunga.

Durante gli ultimi anni i sistemi di cottura a induzione di grandi
dimensioni sono diventati sempre più popolari sia nel nord America sia nei Paesi
europei, soprattutto in Germania e in Spagna. Per la società di analisi Ihs
Research
le previsioni di vendita a livello mondiale per il 2013 sono di circa
2 milioni e mezzo di piani di cottura a induzione, con una crescita media nell'area
Emea nell'ordine del 17% tra il 2010 e il 2015. Il prezzo medio di vendita dei
piani di cottura a induzione si riduce, anno su anno, in misura superiore
rispetto ad ogni altra tecnica di cottura, fino ad arrivare a una riduzione
annua del 4%. Le previsioni di vendita per l'anno 2015 di Ihs Research si
attestano nell'ordine di circa 4 milioni e mezzo di unità vendute a livello
mondiale.


Le caratteristiche dei
piani di cottura a induzione


Esistono diversi metodi di controllo dei circuiti di potenza responsabili
del pilotaggio dei coil induttivi all'interno dei piani di cottura a induzione.
Nei piani di cottura a induzione tradizionali di grandi dimensioni possiamo
trovare fino a 5 zone di cottura separate che utilizzano fino a 7 coil
induttivi controllati in modo indipendente. Recentemente alcuni dei produttori
di elettrodomestici hanno progettato sistemi di cottura a induzione
professionali che offrono una maggiore flessibilità nella gestione delle zone
di cottura che non sono più fisse e identificate, ma che possono essere
posizionate ovunque all'interno del piano di cottura e offrono fino a 11 kW di
potenza. Alcuni piani di cottura di grandi dimensioni possono contenere anche
più di 30 coil induttivi allo scopo di riscaldare fino a 6 pentole o padelle
nello stesso momento. Come è noto esiste una sostanziale differenza di
efficienza tra i diversi sistemi di cottura, ad esempio i sistemi di cottura a
induzione forniscono un livello di efficienza nell'ordine del 90%, quelli
elettrici di tipo tradizionale arrivano al 65% mentre i più diffusi piani di
cottura a gas si limitano a un livello di efficienza nell'ordine del 55%. Inoltre,
in un piano di cottura a induzione, nella maggior parte dei casi, il sistema
entra in modalità stand-by nel caso in cui la pentola venga rimossa, riducendo
quasi a zero la richesta di energia dalla rete. Attualmente il livello di efficienza
energetica è diventato uno dei più importanti argomenti di vendita e questa richiesta
tecnologica diventerà sempre più importante in futuro.



Le regole di sicurezza


Una delle maggiori novità
degli ultimi anni è rappresentata dalle “Regole di sicurezza Europee“ che
vengono definite dalle specifiche che si trovano nel protocollo IEC 60730 - 1 .
Tale protocollo specifica quali sono i meccanismi di sicurezza a cui tutti gli
elettrodomestici prodotti in Europa devono sottostare . Questo significa che
sia la progettazione dell'hardware che la progettazone del software di ogni
elettrodomestico venduto in Europa deve necessariamente integrare dei robusti
meccanismi di sicurezza (ad esempio le regole di sicurezza per lo sviluppo
software denominate Classe B). Renesas fornisce sia moduli hardware che
routines software per supportare i propri clienti durante la fase di
certificazione dei loro prodotti presso gli enti certificatori europei. Tutte
le routines software fornite assicurano sia le procedure di verifica durante il
processo di inizializzazione così come le procedure di verifica periodiche per
la Cpu, per la Ram, per la memoria Flash, per i convertitori analogico digitali
e per la congruenza dell'oscillatore principale. La maggior parte dei
produttori di elettrodomestici inoltre si aspetta per il futuro regole per l'efficienza
energetica ancora più stringenti. Allo scopo di ottemperare a tali richieste la
penetrazione dei sistemi di controllo elettronici aumenterà in modo
significativo in ogni tipo di elettrodomestico.



Le principali architetture


I sistemi di cottura a induzione operano in una modalità denominata soft
switching in modo da ridurre la generazione di rumore elettromagnetico durante
la commutazione delle tensioni Le due principali topologie utilizzate sono
quella denominata “quasi risonante“ e quella denominata “mezzo ponte“. Entrambe
utilizzano degli Igbt per commutare la tensione permettendo la conduzione di
valori elevati di corrente. Il circuito denominato quasi risonante utilizza un
solo Igbt ad alta tensione che varia tra 1200 fino a 1350 V a seconda della
richiesta di potenza dell'elemento riscaldante. Questi transistor integrano un
diodo di ricircolo veloce allo scopo di permettere una commutazione più veloce
anche in caso di carichi induttivi. Alcuni piani di cottura a induzione
raggiungono frequenze di commutazione nell'ordine dei 100 KHz a seconda del
materiale di cui è composta la pentola, a seconda del suo contenuto e a seconda
della modalità di pilotaggio utilizzata. Il secondo approccio denominato mezzo
ponte utilizza due Igbt a 600 V per pilotare un solo coil induttivo. Questi
transistor sono progettati per controllare elevati valori di corrente fino a 50
A a una temperature di 100 °C mantenendo ridotte le perdite di commutazione e
riducendo contemporaneamente le perdite di conduzione, ad esempio il valore di VCESat resta nell' ordine di 1.35 V.



Il ruolo del microcontrollore


Prima di applicare la potenza, ogni elemento riscaldante a induzione rileva
la presenza della pentola, sceglie la frequenza di commutazione da applicare e
solo dopo fornisce potenza. Quando un sistema è composto da sei elementi
riscaldanti e più di uno è attivo, allora molte frequenze potrebbero essere
utilizzate contemporaneamente e potrebbero quindi generare armoniche nello
spettro delle frequenze udibili. Per mantenere il sistema silenzioso una delle
strategie è di utilizzare una sola frequenza sincrona per pilotare tutti gli
elementi riscaldanti attivi. In questo caso la sezione timer del
microcontrollore RX 63T di Renesas ci viene in aiuto grazie alla possibilità di
generare segnali Pwm indipendenti assicurando un funzionamento silenzioso in
sistemi che gestiscono contemporaneamente più di un elemento riscaldante
induttivo. La Fig. 2 mostra un esempio del controllo di sei Igbt in
configurazione quasi risonante da parte di un singolo microcontrollore. La
temperatura e la potenza fornita da ogni elemento riscaldante a induzione sono i
principali parametri che il microcontrollore deve gestire per assicurare l
accuratezza della frequenza di commutazione fornita a ogni Igbt. I
microcontrollori a 32 bit della famiglia RX 63T incorporano due sezioni timer
flessibili e ad alta risoluzione chiamate MTU3 (Multi function timer unit) e Gpt
(General Pwm timer unit), entrambe sono in grado di generare forme d'onda Pwm
sia in modalità simmetrica che asimmetrica, possono inoltre essere
sincronizzati tra loro o possono utilizzare base tempi, frequenze, duty cycle e
offset temporali completamente indipendenti. Inoltre le sezioni prima descritte
possono attivare la conversione analogico-digitale in modo sincronizzato così
da leggere le grandezze analogiche quali correnti e tensioni nell'istante più opportuno.
Grazie alla presenza di un preciso convertitore analogico-digitale a 12 bit il
microcontrollore può controllare in modo accurato la regolazione ad anello
chiuso di ognuno degli elementi induttivi. Inoltre l'integrazione di 6
comparatori veloci e di 6 Pga ad alto slew rate consentono sia la protezione
hardware per le condizioni di sovracorrente che la lettura accurata dei bassi
livelli di tensione delle resistenze shunt senza la richiesta di circuiti
esterni. Questo altissimo livello di integrazione consente una significativa
riduzione dei componenti, della dimensione del circuito stampato e dei costi,
offrendo contemporaneamente un notevole incremento dell'affidabilità e delle
caratteristiche elettriche nel tempo. La Floating Point Unit integrate nella Cpu
della famiglia RX 63T facilita notevolmente lo sviluppo e il testing di
algoritmi complessi e il controllo in tempo reale. La famiglia RX 63T è anche
diponibile con tensione di alimentazione a 5 V; i recenti test di immunità eseguiti
mostrano un livello di immunità mai raggiunto finora. I sensori di temperatura informano il microcontrollore RX 63T sullo stato
del sistema e questo può decidere se spegnere il sistema per ragioni di
sicurezza. I microcontrollori della famiglia RX 63T sono certificati per
operare fino alla temperatura ambiente di 105 °C. Infine, per ottemperare alle gravose richieste di sicurezza, la famiglia RX
63T integra I seguenti moduli hardware :


- Port Output Enable, per disabilitare le uscite Pwm in tempo reale non
appena viene rilevata una anomalia;


- autodiagnosi del convertitore analogico-digitale per assicurare l'affidabilità
della lettura di potenza;


- Memory Protection Unit, per separare le funzioni software rilevanti per
la sicurezza da quelle non rilevanti;


- protezione della scrittura dei registri di sistema per evitare pericolose
modifiche accidentali da parte del software;


- Watch Dog Timer con oscillatore indipendente per assicurare l'esecuzione
sicura del software;


- controllo di consistenza delle uscite per rilevare eventuali
cortocircuiti esterni.


Renesas ha sviluppato le routines di Auto Test per la famiglia RX 600 che
sono state certificate dal Vde come rispondenti alle normative Iec60730.



Pilotare un grande
numero di coil induttivi


I piani di cottura a induzione professionali
offrono la possibilità di posizionare le pentole in qualsiasi punto del piano
di cottura. La famiglia di microcontrollori a 32 bit RX 63T è in grado di gestire
ogni tipo di topologia e può controllare fino a 28 coil induttivi grazie alla
capacità di generare altrettanti segnali Pwm. La stessa architettura a 32 bit
offre un'ampia scalabilità che va da package a 48 pin fino a 144 pin e da 32
Kbytes fino a 512 Kbytes di Flash. Inoltre la stessa catena di tool di sviluppo
può essere utilizzata per sviluppare molti progetti che vanno da applicazioni
quali i piani di cottura a induzione con un ridotto numero di elementi
induttivi fino ai piani di cottura a induzione professionali.

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