Desenvolvimento de um estimador de perdas em IGBTs de inversores meia-ponte aplicados a fogões de indução por modelagem magnética acoplada a circuitos

Abstract

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um estimador de perdas para IGBTs aplicados a inversores meia-ponte utilizados em fogões de indução, fundamentado em modelagem acoplada. Inicialmente, é formulado um modelo magnético do sistema de aquecimento por indução no regime Magneto-Quase-Estático, resolvido pelo Método de Elementos Finitos, permitindo a representação da distribuição espacial de campos, correntes induzidas e efeitos peliculares no recipiente de cocção. Em seguida, são desenvolvidos modelos concentrados para os principais componentes eletrônicos do conversor, incluindo o IGBT, o diodo em antiparalelo e o gate driver, cujos comportamentos estático e dinâmico apresentam consistência com as características especificadas em catálogos desses componentes. O modelo magnético é então acoplado ao circuito do inversor por meio de uma formulação circuito-campo, resultando em um sistema algébrico-diferencial resolvido numericamente. A partir das formas de onda de tensão e corrente obtidas nas simulações, são calculadas as perdas de condução e de comutação do IGBT sob diferentes condições operacionais, gerando uma base de dados representativa para o treinamento de modelos de regressão. O estimador resultante configura-se como um sensor virtual capaz de prever as perdas totais do IGBT com elevada precisão quando comparado à simulação completa do sistema acoplado, sem a necessidade de medições diretas de tensão e corrente no dispositivo. Os resultados evidenciam a consistência da abordagem proposta e seu potencial como ferramenta para monitoramento, análise e projeto de sistemas de aquecimento por indução.

Abstract: This work presents the development of a loss estimator for IGBTs applied to half-bridge inverters used in induction cooktops, based on coupled modeling. Initially, an electromagnetic model of the induction heating system is formulated under the magneto-quasi-static regime and solved using the Finite Element Method, enabling the representation of the spatial distribution of electromagnetic fields, induced currents, and skin effects in the cookware. Subsequently, lumped-parameter models are developed for the main electronic components of the converter, including the IGBT, the antiparallel diode, and the gate driver, whose static and dynamic behaviors are consistent with the characteristics specified in the corresponding datasheets. The electromagnetic model is then coupled to the inverter circuit through a circuit-field formulation, resulting in a differential-algebraic system solved numerically. From the voltage and current waveforms obtained in the simulations, the IGBT conduction and switching losses are calculated under different operating conditions, generating a representative dataset for training regression models. The resulting estimator is configured as a virtual sensor capable of predicting the total IGBT losses with high accuracy when compared to the complete coupled system simulation, without requiring direct measurements of voltage and current at the device terminals. The results demonstrate the consistency of the proposed approach and its potential as a tool for monitoring, analysis, and design of induction heating systems.