In te r n ation a l Jou rn al  o f Po we r  Elec tron ic s an d   D r ive S y stem  (IJ PED S )  V o l.  11, N o.  1, Mar ch 20 20,  p p.  178~ 1 8 8   IS S N : 2088- 86 94,  D O I :   10.11 59 1 /ij ped s . v11 . i 1.pp 1 78- 18 8      1 78     Jou rn a l  h o me pa ge :  ht tp: //i j p eds.i a esco re .com  Design and imple m entation of hi gh frequency induction heating  with LLC resonan t load  m atching usi n g ELTA        Su g a n t h i Ka ru p pusa m y 1 ,   S u na nd h i tha   V 2 ,   Sura j   R 3 ,   R o j a  T S 4 ,   Sun da ra ra ma n   K 5    1, 2 , 3, 4  Dep artm ent   o f  El e c t rical  an d  El ectro nics E n g i n eeri ng,  S ri Venk a t e s wa ra  Co l le ge  o f En g i ne e r in g,  Ind ia    5  D epartm ent of  El ectri cal an d  E l ectro ni cs E ng inee ri ng , Raja l aks h m i Insti t u t e of Techn o l o g y ,  In di a         Art i cl e In fo     ABSTRACT  A r tic le hist o r y :   Re ce i v e d  A ug  5,  201 8   Re vise d Mar   1,  201 9   Ac ce p t ed  Au g   2 0 ,  2 019      Ind u ct ion   h eating  is   a   n on -cont a c t  met h o d   o f   p r od ucin g  heat  w h i ch  can  b e   us ed  t o  perf orm   vari ous  p ro c e sses   lik e   h ard e n i n g ,   an neali n g ,   t e m p eri ng,   w e ld in g ,   b r a z i ng ,  me l t in g,   f o r g i n g ,   e tc .   T h i s   p a p e r   d is c u s s e s  t he   d e s ig n  a n d   im plem en t a ti on   o f   in du c tio n  heati n g   o n   a   g i v en   w o r k-p i ece,  u s i n g  a n   L LC  reso nan t   c i r cuit   a n d   a  trans f o rm e r   f o r   i m p edan c e  m atchi ng,  s o  a s   to  t ransf e r  a  m a xim u m  pow e r   o f  5KW  to   t h e   l o a d.   T he  l o a d  param e ters   a re  f ou nd  o u t   us in g  E L T A   s o f tware  w h i c h  cal cul a tes  th e  val u es  b as ed  o n the di men s i ons  o f   th e  w o rk   p iece,  o p e ra t i n g   f requ e n cy  a nd   t em peratu re.  T h e  in vert er   u s e d   i s   bas e d  on   S i C   M OS FE Ts  w h i ch   m i n im izes  t h e   l o s ses   at   h igh   freq u en cies  a nd   hi gh   t em peratu res.   T he  t h e oreti cal  a nd   s im u l a t ed  r esu lts   f rom   M ATL A B  are  anal ys ed  a n d   v er if i e d.  T h e   h ard w are  is  i m p le m e nted  f or  t he  L L C   circui t   w i th  trans f or m e r and the  re s u lts are pres e nt ed.   K eyw ord s :   ELTA  Im pedanc e  ma t c hin g   Ind u ct i on hea t ing   LLC  res on ant   c o nv e r t e r  SiC MOSF ET   Th is  is a n  o p en acces s a r ti cle u n d e r t h e  CC  B Y -S A  li cens e .    Corres pon d i n g  Au th or:   S uga n t hi K ,   Depa rtem ent o f   E lectr i c a l a n d  Electro n i cs  E n g ine e ri n g ,  S r i   V e nka t e sw ara   Colle ge  of En gi neer ing,   S r i p e r um b u dur , Chen n a i   6 0 2  11 7 ,  Tam i l   N a du.   Em ail:su g a n th i @ sv c e . ac. in       1.   I N TR OD U C TI O N    I nduc t i on  heat in g  i s   t he   m o s t  c l e a n ,  effic i ent,  c os t-e f fec tive ,   p re ci se,  a n d   re p eat ab le  m et h o d   of   ma terial  h ea ti ng   a va i l a b le   t o   t h e  i n d u str y ,   toda y .   I t  w o r k s  on   th e  p r in ci pl e  of  F a r ad a y ’s  l aw  o f   elec tr oma gne t i c   i n d u c tio n.   T he  p ur p o se   o f  in d u ct i o n   hea t i n g   m a y b e  t o   h a r d e n  a  p a r t   t o   p r e v e n t  w e a r ;   m a k e   the m e ta l   pl a s ti c  for  forgi n g; b ra ze  or  s ol der   tw o pa rts to ge t h er;  or for a ny num ber  of o t h e r   a ppl icat i o n s  [1] .   Res ona n t   p ow er  c on ve rters  a r e   w i de l y   u sed   for  i n d u c t i o n  he ati n g   a nd  the y   u sua l ly  o p e ra te  a t  seve ra l   ten s   o f  K H z   t o  t h e  MH z  ra nge.   The   se l e cti on  of  i dea l   f r e que nc y  for   in duc t i o n   h e a t i n g  of  a   p a r tic ular   app l ica t i o n  is  d i s cuss ed  i n  [2 ] .   T he  p ow er  r ange  v a r ies  fr o m   k i l o w a t t s  in   dom est i c   a nd  m e dica l   a p plic atio ns   t o   s ev era l   m eg awa t t s   i n   i n d u s t r i a l   ap pli cat ion s .Th e s e   d es ig n s   i m p l y   c ha lle ng e s   p er t a in in g  to  b l o c k in g   vo lta ge s,  s w itc hi n g   l osse s,  a nd  opera ti on  i n   h ar sh  e n v i ro nme n ts   t ha t   pe rfe c tl y  ma tch   the  fea t ure s   o f  S i C  dev i ce s,   o pe ni ng  t h e  desi g n   w i n dow   t o  h i g h   p e rfor m a n ce  c o nverte r s   a nd  i n no va tiv e   ind u s t ria l   h ea t i n g   a p pli c at ion s .  S i li c o n   ca rbid e   (Si C )  p o w e r   d ev i c e s   h a v e  b een   i n v e s ti gate d exte ns i v el y  in the  p a s t   tw o  de cade s .  A   re vi e w   o f  the   vari ou s  tec h n o l o g i cal  p ro gr ess  of  S iC  pow e r   d ev i c es  a n d   th ei r  em erg i n g   a ppli cat ion s   i s  prese n t e d   in   [ 3 ] .S iC  M osfe t  d e vi c e s   a l s o  ha ve  t h e   c a p ab i l i t y   t o   s i g nif i c a n t l y  e x pan d   t h e   v ol t a ge  r a n g e   o ver  what  i s  alre a d y  ava ila b l e   w ith  S i  power  d ev ices. S iC  s w i tc he s  wo ul d  o p erat e  ov e r   h igh e r  v o l t a ge  a n d   tem p era t ur e  r a nge s,   a nd  ye t  have   s ize s   n ea r l y  20  t i me s  sma l l e r  t h an  t ha t  o f   S i-ba se d  dev i ce s.The y   a re   a l s o   con s i d ere d   t o   b e   s upe ri or  i n  t e rm s  of  h ig h  te mper ature   sta b il it y,  l ow   l oss   in  o pera ti on  a n d  fas t   s w itc h i n g   tim e  over  t h e c o n v e n t i ona l   S i  sw i t c he s  [4,   5].   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Int J  P o w   E l e c  &  D ri S yst  IS S N :   2088- 86 94       D e si g n   a nd im plem e n t a ti on  o f  hi g h  fre que nc y  ind u c t i o n he at i ng  wit h  L L C …  (Sug an thi  Karu p pusam y)  17 9 Th e  coi l   u se d  f o r  i n du c t ion   hea t i n g   h a s  ap art   fro m  rea c t an ce ,  a   s mal l   r e s i s t a n c e   al so .  A  ch ang e   i n  coi l   r esis t a nce   a nd  r eac ta nce   r e sults  i n  a  chan ge   i n  p o we r   fac t or   ( Cos Ф )  and  qu al i t y  f actor,   Q .   W he n  w e   ana l yse  t h e  ou tp u t   pow e r   c h a ra cterist i c   ve rsus  t he   c irc u i t   ope r a t i n g   fr eq uenc y  for  a  g i ve n   l o a d   c irc u it,  i t  is   seen  t ha t  t h e  o u t p u t   p ower  v ar i e s  wi del y   w i t h  the   o p e r at i n g   fre q u e n c y .  The  goa l  is  t o   de live r   t he   r e q u i red  pow er   t o  hea t   t he  w ork p i ec e  w itho u t   e xc eed in g  a ny  o f   t he  pow er  sou r ce   p a r amet ers.  T h e   v ario u s   a dv an t a g e s  a n d   d i s a dv a n ta g e s  of   u si ng  a n   LLC  r e s on a n t   c onv e r t e r  i s   d i s cu ss e d   i n  [6]   a nd  a n   e qu i v a l e n t   m ode l  i s   prese n t e d  i n   [ 7].   The   LL C  c o n f ig urat io n  o f fer s   a   b e t ter   pe rform anc e   t ha n  t h e  co n v e n ti ona l  ser i es  r eso n an t   in verter  (S R I ) , due  to  it’s sh or t-circ ui t im m uni t y  a nd l o w   tra n sf orm e r seco ndar y  c u r ren t . A n op tim i z e d  de s i g n   for  a  LL C  reso na nt  c o nver t er   f or  t he   r eq uire d  ou t p u t   p ow er  c apa ci ty  i s  pre s en ted   i n   [ 8].   Whe n   c om p a r e d  to   the   S R I,  t he   LLC  c o n fi gur a t i o n  in v o l v es   t he   i nc l u s i o n   of  a   n ew   rea c ti ve  e lem e n t   L s  a n d   the   ove r- dime n s i o ni n g   o f  t h e  ca pa ci ta nc e.  B ut   t hese   d ra wbacks   ar e  overc o me   a t  hi g h   fre que nc ies  as  L s  c o u l d  be   a   para sitic  i n d u c t a n ce  and  the   c u r r ent ga in va l ue  m inim iz es t he  c a p ac ita nce   incr em en t.  Th e  op t i m u m   s el ec ti on   o f  res o n a nt   t a n k   c i rc ui t   an d  a  mo d i fi ed   L LC  l oa d  r e sona n t   c irc u it  con f ig ura tio n  of  a   f ul l  bridg e   i nv e r ter   for  i n d u c t i on  he at i ng  a ppl i cati ons  a re   d i s cu ssed  i n   [ 9 ] .  Th e   th ree   t a n k   circ u i ts   -   s erie s,   p ara l le l   a nd  LLC  t a nk  c i rc u i ts  a re   c om pa red  ba se d  on  t h e i r   pe rfor ma nc e  and   c h ara c t erist i c s .  Th e   se ri es   t ank   ci rcui t   requ i r e s   a   m a t c h in g  t r an sfo r me r  wh en   u s e d   f or   i nd uc t i o n   h ea ti n g .  In  t he   c a s e  o f   a   para l l e l   r es ona nt  c ircu i t ,  effic i enc y   i s  r e d u ce d  a t   l ig h t   l oa ds .  LLC  r eso n an t   circ uit  res u l t s  in  i nc rea s ed  s ystem   e ffi c i en cy   w i t h  l e ss  w eig h t  a n d  si ze   o f  th e   p o w er  s u ppl y  an d  is   g ener ally   p referred  ove r   a  series  o r  parallel  resona nt   c o n v e r te r.  Whe n   L L C   r eso n an t  c i rc u it  is  u se d  w i th  a   t rans for m e r ,  the  m a g n e t i z i ng   i n duc ta nce   of  t he   trans f or me r  is  a l s o  co ns ider e d   a s  o n e  of  t h e   i n d u cta n ce s.   T hi s  n eed s  t o   b e  s m a l l ,   r e q u i ri ng   l a r g e r  cu rre nt  thr o u g h   t he   s w itc he s  a n d  c ons eq ue nt  l o sse s.  I n  [10]   i s  sug g es te d  an  a l t e r nat i v e  co nfig ura t i on  s u it a b l e   f or   wi d e   i npu t  vol t a g e   a nd   l o a d   rang e s   but   t hi s  requi re s  two   re so n a nt   t an ks   a nd   a u x il i a r y   s wit c h e s.  A n   asym me t r i c al  v o l tage  c a n ce l l at i o n   tec h n i q u e  with  a n  L L C  re so na n t  con v e r ter  for  in d u ct i on  hea t i n g  is  sug g es t e d  i n   [ 11]  w her e   t he   d u t y  cyc l e  is   v a r ie d  w ith  P LL  con t r ol   t ra c k in g   t h e  re so na nt   f req u e nc y .   A   com p le te  p roc e dure  f o r  simu lat i on,  a n a l y sis   and  de si gn  cr iter i a  f o r  a  L L C  r e s o n a n t   c o n v e r t e r   i s   d i s c u s s e d   i n   [1 2]  a nd [ 13].  Th e  lo ad  mat ch in g   t e ch niq u e  wh i c h   h as  t o   be  d on e   f o r hi gh f r eq u e n cy  i n d u c t i on he at i ng ca n be  d o n e   b y   v a riou s  me t hod s  as  d isc u sse d   i n   [ 1 4 -16].  Th e   c o nv ent i on a l   m e th od   o f  us ing  a   tra n sf orm e r  for  lo a d   m a t c h i n g  c a n  b e   r e p l a c e d   b y   a n  L L C  c i r c u i t .  T h e   u s a g e   o f   t r a n s f orm e r   fo r  loa d   m atch i n g  has  i t s  a dva n t age s   a n d  di sadv a n t a g e s .   A   r es on a n t   conv e r t e r  us in g  Si C  M o sfe t s  i n   a   ha lf-b rid g e  c o n f i g urati o n  but  a t  a   l o w e r   pow er  leve l   o f 65 0 W  is   d i s c us s e d i n   [ 1 7 ] .  A  S iC bas e d   c o n v e r ter  w ith soft   sw itch i n g  a nd  usin g an i n t erl e aved   bo ost  co nver t e r  is pr opose d  i n [18] .  A n  appr oach  t o  ide n tif y th e  reso nan t  t ank  elem e n ts i s sug g est e d  in  [ 1 9 ].   Th is  p a p er   s t u die s   a   c o n fi gu rati on  w h ic h  i s   a   c om bina ti on  of  a n  L L C  c i r c u i t   i n   a d d i t i o n  t o   a   trans f or me r.  I n   a n   i nd us tria l  e n v i ro nme n t,  a p a r t   from   the   c o nve r t er   a n d   t he   m a t c h i n g  tra n sform e r,   t he   d e s ig n   of  t h e   i nd uc t i on  c o il  a n d  i t s   p rofi l e   i tse l f   is  c ri ti c a l   t o  ob t a i n  the   be s t   p er form ance .  A  system at ic   d e s ig n  proce dure  for  the   c o i l   i s  e s se ntia l   for  pro p e r   m a t chi ng  of  t he   c o nve r t er  w ith  t he   c oil.  I nd uc ti o n   c oi l  de sig n   us i n g  ELTA and 2DEL TA  s oftware is ill us trat e d  in [ 2 0- 23] with a n d  w it hou t  con v erte r s .  The  m a in  obj e c tiv e   o f  this   p aper  i s  to  p erform   s ur f a ce  h ardeni n g  o n   t h e   g i v en   w ork- piec e   w i t h   a   5K W  re sona n t   i n v erter   w h ic h  uses  S i C   s w itc he s  in   a   c om b i na ti on   o f  L L C   r e s o n a n t  c i r c u i t   w i t h  a  t r a n s f o r m e r   and  using ELTA  softwar e for coil  des i gn .         2.   COI L   D E S IGN  U S ING   ELT A   ELTA   ( Electr o  Therm a l  Ana l ys is)  so ftware  i s   used  t o  sim u late  t h e   i n duc ti on  hea t i ng  s y stem   [ 24] .  The  e l e c t rica l   pa ram e ter s   o f  the   c o nver t e r   a r e   s elec te d  us i n g  t his  s o ftware.   The  type  o f   m a ter i al  u s e d  for  the  w o rkp i ec e,  t he   g eom e tr y  of  t he  c o i l  a n d  t h e  geom etr y   o f  t h e   w o r kpie c e   ar e  spe c ifie d  in  t he  s of tw are .   T he   cha r ac t e ris tics  of  t he  l oa d  o n   t he   i n v e r ter  i s   e val u a t e d   u si n g   EL TA   s oftw are   a nd  the   w a vef o rm s  a r e  ob tai n e d   for  p o w e r,  v o l t a ge,   im pe da nc e,  i n d u cta n c e ,  tem p er ature  a nd  p o w e r  fac t o r   w it h  respe c t  to  t ime .   T he   equ i vale n t   i n duc ta nce   a n d  e q u i vale n t   r esi s tance   va l u es  a re   f o u n d  ou t   fr om  t h i s  sof t w a re  a nd  are   use d   f or  furt her   c a lcu l a t ions  i n  des i g n i ng  the   c i r c u i t s .   The   w o rk p i ec e  pa ram e ter s   s uc h  a s   s iz e  of  t he   w or k  pi e c e ,   m ater i a l   u se d  a nd  t h e   proc ess i n g   para me ters  l i k e  t e mpe r at ure ,   l e n g t h  of  t he  s y s tem ,   e tc  a re  e nt e red  in  t he   d ia l og  bo x  s h ow n  in  F i gure  1  an d   F i gure   2  re spe c ti ve ly.  EL TA   d oes  the   sim u l a ti on   a n d   g i v e s   t he  g raph i cal  a nd   n u m e r i c al  o u t pu t s   o f  t h e  lo a d   and  co i l   p ara m e t ers.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
          IS S N : 208 8- 869 4    I nt   J  P ow  Elec   & Dr i   S y st V ol.  11,  N o.  1 , Ma r  202 0  :   17 8 –   188   18 0     Fi g u r e 1 . Wo rkp i e c e  di a lo g   box      F i gure  2.  M a t e r ial pa ram e te rs dial o g bo x       2.1   Coi l   p ar amet ers  F i gure  3  s how s  t h e   i n d u c t or   d ia l o g  bo x  a nd  us in g  th is,  the  c o il   s p e ci fi ca ti o n   su ch   a s  t h e  ra diu s ,   n u m b e r  of   t u r ns,  re si st iv it y   a n d  l e ngt h  of  t he  c oil   a r e  sp eci fi e d .   The   t h er m a l  i n s u la t i on   o n   the   c o il  if  n ee ded  ca n als o  be   m e nt i one d.  T he tu b e   profi l e  dia l o g   b o x  ca n  be   u s ed  to  s p e ci fy  t he  sha pe  and  siz e   o f the  co i l .          F i gure  3.  I nduc tor  dia l o g   box       C i rcui t  dia l o g   b o x   s how n  in  F igure   4  c a n  b e   u se d  to  c ho o s e  the   circ u it  type   i .e .  se ries  o r   par a l l el,  numbe r  of  l ea ds  a n d   g eome t r y  of  t he  l ea d.   A lso   the   pr oc essi ng  d ia lo g  bo x  s how n  in  F ig ur e  5  is  u s e d  to   spec ify  t h e  t y p e   o f  proc ess i n g   s uch  a s   h e a t ing  or  c o o l i n g  and  w het h er   t h e   s u p p l y  co ns t itu tes  c u rr ent,  v ol t a ge  or pow er,   the w o rki n g fr eque nc y ,  c urre nt ,   dura tio n  of t he  p roce s s ,  t y p e  of   co ol i n g ,  e t c .          F i gure  4.  C irc u i t   d i a l o g  b o x       F i gur e 5.  P roce ss  d ia lo g   b o x   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t   J  P o w   Elec  &  D r i   S y st   I S S N :  2088- 86 94       D e sig n   a nd i m plem e n t a t i o n   o f  h i g h  f r e que nc y ind u c tio n he at ing  w i t h   L L C   …  ( Sug ant hi K a ru p pusam y )   18 1 2. 2   Re sults obtaine d from   ELT A  Har d ware   d esign  is   b ase d   o n  re sults  obta i ne d  fr om   ELTA.  In  t his   s oftwa r e,   t he   t ota l   h ea tin g  time   is  di v i de d  i n to  a   l ar ge   numbe r   of  s m a l l   i nc r e m e nts  in  t i m e.   A fter   ea ch  s te p,  t he   m a t e r ia l   cha r ac t e ris tic s,   w hich   de pe n d   u p o n   t he   t em per a t u r e   ach ie ve d,   a r e   e val u a t e d .   The   ca l c u l a t i o n   is  e xte n ded   t i l l   t he  e nd   o f   t h e  ta r g et   time .   T he  s of tw a r e   pr ovide s  us  w ith  w ave f o r m s   o f  dif f er en t  pa r a me t e rs .    F i gur e   6  be l o w   show s   t h e  gr a p h  of  t he   i m p eda n ce   v s  t i me   c har act e r i s t i cs.   The   imp e dance   pea k s   w h e n   t he  m ate r ial  i s   m agne ti c  and  w h e n   t he   r e s i s t i v ity  i s  hi g h .   A s  the  m a te r i al  b ec o m e s   non- m a g n e tic,   t h e   im peda nc e  dr o p s.   I nduc ta nc e   vs  time   w a v e for m   i s  show n  in  F igur e   7 .  T h e  i ndu c t ance   p e a k s   w h e n   th e   m a ter i al  i s  m a gne t i c  a nd  w h en  t he  r e s i s ti v ity  i s  h i g h .  Als o ,  th e  m a ter i a l   b e c o m e s  no n - ma gnet i c  w h e n   t he  in d u cta n c e   d r o ps.   T hus,   fr om  t he  r esu lts  o b t a i ne d,   t he   c o i l  i n d uc tanc e  is  t a k en  t o  be   1 80 n H .   F i gur e   8  r e pr e s en ts  t he   g r a p h   o f   v o l t a g e  v s   t i m e .   T he   v ol ta ge  a ls o  pe a k s  whe n   t he  m a t e r ial  is  m a gne tic   a nd  w h e n   t he  r e s i s t i v ity  i s  h i gh.   A s  t h e   m a te r i a l   b eco m e s  n o n - m agnet i c  the  v o lta ge   d r o ps.   Fig u r e   9   r e pr e s e n ts  t he  c ur ve   b e t w e e n   pow e r   a n d   tim e.   L ike  t h e  imp e dance ,   i nduc ta nce   a n d  vo l t a g e,   p ow er   a ls o  peak s  w h e n   t he  m ate r ia l   is  m ag ne ti c,   a nd  r e sist i v i t y  is  h ig h.   W h e n  th e  m a ter i a l   b ec om es  n on- m a gne tic ,   t h e  pow e r   dr ops.   A ll t h es e   pr o j e c t i on s a r e   ba se d o n  the   a ssum p tio n  tha t   t he c ur r e nt t hr o u g h  the   c o i l   is c ons t a n t .   I t   i s  a l s o   pos si b l e   to  e va lua t e  the   l o ad  w i t h  con s ta n t   a pp l i ed  v o l t a ge   t o  t h e  co i l   o r   c ons ta n t   pow er .             F i gur e  6.   I m p eda n ce   w a v e f or m      F i g u r e   7 .   I nduc tance   w a ve for m           F i gur e  8.   V olta ge   w ave f or m      Fi g u re  9 .   P o w e r   w av e f o r m      3.   DESIGN  O F POWER  CI RCUIT     The  t o p o l o gy  show n  in  F i g u r e  10  i s   t ha t   of  a n  LL C  c i r c ui t   w ith  t r a n s f o r m e r .  A  t r a n s f o r m e r  i s   c o n n ec ted   bet w ee n  t h e  ser i e s  i nduc tor   a n d  c a p ac it or .   A   D C   b loc k i n g   c a p aci to r i s   u sed   t o  f ilt er  h ig h  f r equ e ncy  c o mpo n e n t s   p a ssing t h r o ug h  t h e  tr a n sf or me r .   F r o m  the  ELT A   sof t w are ,   t he   v al u e   o f  lo ad  i ndu ct a n ce   i s   fo und   to  b e  1 8 0 n H .   T he   qua lit y  fac t or   a cc or d i n g   t o  the   ind u s t r y   s t a nd ar d s   i s  i n   t he   r ange   o f   3   to  1 0  a nd  i s   a s s um ed  to  b e 5 . 4 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
          IS S N : 208 8- 869 4    I nt   J  P ow  Elec   & Dr i   S y st V ol.  11,  N o.  1 , Ma r  202 0  :   17 8 –   188   18 2     Figure  10.  LLC   c ircuit w i th transform er       The   desi gn  c a lcu l a t io ns  a re  a s  fol l ow s :   P =5K W ,   Q = 5. 4,  L 1 8 0 n H ,   f= 150   k Hz,    3 5 ° ,    V = 40 0  V     Va lue o f  the  f irst   h ar mon i c,    1 . 3 ∗ 4 00 5 20  ( 1 )      ∗ ∗ .  =   ∗ ∗.  = 662. 0 85  V   ( 2 )    The   rati o  of  t he   l oa d  in d u ct anc e   t o  t h e   se ries  i n d u c t a n c e   i n  a  LLC  c i r cui t   i s  de f i ne d  as  β   a nd  i s     gi ve n by    ∗ t a n 1  = 5.4  *  tan  ( 35 )  – 1 = 2. 781   ( 3)    Loa d  Res ista nc e,   2  =   2 ∗ 1 50 000 ∗ ∗    .   =   0 .03 1 4 16  = 31. 41 6  m  ( 4 )     LLC   c i r cu it   p a r amet ers  a r e   c a l cu l a t e d   u s i n g   t h e  equi val e nt   s eri es  r eso n an t  c i rc ui t  pr oce d ure   di sc usse d i n  [6] .  The   c a lc ula t ions  f rom   S R I   ci r c ui t   to LL C  re s ona n t   c irc u it  (Figu re 11)  a re  c arried  out as  f o llow s :   ca paci ta nce   of  t he  s e r ies osc i l l at or,        =    ∗   ∗  ∗   =  6 . 254  F  ( 5 )   ca paci ta nce   of  LLC osc i lla t o r,  C   =      =   .  . ∗   .  = 8. 497  F  ( 6 )   trans f or ma t i o n  r ati o  of  SRI,     ∗ ∗  =    . √ ∗   ∗.  =  3 7 . 354  (7 )  trans f or ma t i o n  r ati o  of  LL C ,      =  . .   =  1 3 . 431  (8 )  series  i nductance  in prim a ry,     ∗    =   9 0.37 6    ( 9 )   resona nt   f re q u e ncy,    ∗ ∗    = 1 49. 7 27  H z   =   150 kH z     ( 10 )   ma ximum   vo lt age  ac ross  t he  c apa c i t or ,   ∗  ∗  = 95.71 9  V   ( 1 1 )   pea k  cur ren t  i n   the   in verter ,      ∗    = 1 8. 438  A   ( 1 2 )   F i g u r e   12   s hows  t h e  M A TLAB   s i m ul at io n  a n d   F i gu res  13   a nd   1 4   sho w   the  sim u l a t i o n   re sults  o f  o f   LLC  w it h  transfor me r  i nve rter  o u t p u t   vol ta ge   a n d   l o a d  curre n t   w a v e f o r ms  r esp e c t iv ely .   D es i g n  and  si m u lat i on  is  a ls o  c a rr i e d  out  w it hou t  a  trans f orme r  w i t h   o n l y  a n   LLC  c irc u i t .   Wh i l e   us in g  a  transfor me r,  t he   β  va lue   is   2 .7 81  an d  the   p o w e r   fac t or   w a  0. 81  w h e r ea s  the   pow er  f a c t o r   o f   L L C  c i r c u i t  w i t h o u t  t h e   trans f or me r  is  0 .1  w i t h  the   β  va lue   of  2 2. 47 .  By  u si n g   t ransfor me r,  t he   v al ue  o f  β  dec r e a ses  and  t h e  p o w e r   fa ct or incr ease s   w hich i n  tur n   i ncre ases  t he  e fficie n c y .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t   J  P o w   Elec  &  D r i   S y st   I S S N :  2088- 86 94       D e sig n   a nd i m plem e n t a t i o n   o f  h i g h  f r e que nc y ind u c tio n he at ing  w i t h   L L C   …  ( Sug ant hi K a ru p pusam y )   18 3     Figure  1 1 .  SRI to  LLC   r eso n a n t  circ ui t c o nv ersio n           F i gur e  1 2 . S imul a tio n  of   LLC   c i r cui t   w it h  tr ansf or me r   u s in g   MA TL AB         F i gur e   1 3 .   I nve r t er   outpu t  vo lt age     F i gur e   1 4 .   Load  o u t pu t  c u r r e n t   w ave f or m      4.   H A R D WARE   I MPLE MENTATION  Tab l e  1  show s  the  s p eci fi c a t i o n s  use d   f or   t he  r equ i r e d  loa d .       Tab l e  1.  H a r dw are   spec i f i c a t io ns  S.  No .   D es cr ip t i o n   V a l u e   1.   L ine   Volta g e   415  V  2.   S uppl y  F r e que n c y  50  H z   3.   O pe r a t i ng  Fre q u e ncy  150  H z   4.   C oil   c u rr e n t  (a ssu m e d)   240  A  5.   Q ua li t y   F a c tor  5. 4  6.   P ha s e  A ngle   35   7.   O utput  pow e r   r e quire d  5  kW  8.   L oa d  induc t a nce   180  nH       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
          IS S N : 208 8- 869 4    I nt   J  P ow  Elec   & Dr i   S y st V ol.  11,  N o.  1 , Ma r  202 0  :   17 8 –   188   18 4   I n v e rt er  p o w e r  =  5 K W     Typical inver t e r  ef f i ci e n cy ( η)   =   0 .9     Typ i c a l   po wer f a ct o r  a t   i npu t   =   0 . 93  K V A   d em and a t  in p u t   =   Inve rte r  pow e r / (η *pow er  f ac tor )  =  . ∗ .    =   5 9 73. 7 V A   ( 1 3 )     Li ne vo l tage   =  41 5 V ,   3 -phase   Li ne c urre nt   =    . √ ∗   = 8. 3 1 A   ( 14 )       4.1   Ha rdwa re  c omp o nents   F i gure  15   s h o w s  the   i n d u c t i o n   hea t in g  of  l oad   us i n g   ha r d w a r e   s e tup.   I t   m a y  be   n ote d   t ha t  for   t h e  expe r i me n t a l   s e t u p ,   var i ous  h ar dw are   it e m s  w e re   p rovi ded  by  M / s   G H   In duc t i o n   I n d ia  P rivate  L im it e d   [ 25]   f r o m   t h e i r   g ene r al   s t o ck s  an d  t h es e  it ems  ma y   h a v e   n o   rel a t i o n   t o   t he  a ct ual  w o rk i ng  c o nd i tio ns.Li n e   cho k e   w ith  t he  i n duc ta nce  va l u e  o f   3 .2m H ,  10A   w as  u se d.  A   r ecti f ier   m o d u l e   S KKD  1 0 1 / 1 6   rat e d   fo r   1 600 V,   1 00 A  w a s   u s e d .   D C  l i n k   c a p a c i t o r s  o f   f i l m  a n d  f o i l   c o n s t r u c t i o n   w a s   use d   s o  t h at  t he  e qui va l e nt   s e r ie s  r e sistanc e   (ES R )  w ill  be   l ow .   F our  n u m be rs  o f  3µ F   c a pac i tors  w ere  used.  Re s i s t or s  enc a ps u l a t ed  i n   a l um in iu m   heat   sinks  w ere   use d   f or  i n i t i a l   c h a rgi ng  of  t he  D C  l i n k   c a p ac it ors  a nd  d i sc h a rgi ng  the  c a p ac itor s   w he n  t h e  u n i t   w a s  sw itc hed  off.  F our   r esistor s   w it h  rat i ng   330  Ω,  2 5W  a nd  S i C   M osfe t s   C A S 30 0 M 1 2 B M 2  w e re   u se d.  A i r   coo l in g   w a s  u s ed  i n  t h e   des i gn  t o   a v o i d   w a te r  c o o l i ng.  E xtr ude d   a l u m i n i u m  h e a t   s i n k   w i t h  t w o  s m a l l   f a n s   moun te d  at o n e  end  w a s  u s e d  for  cool i ng t h e   M O SF ET s.  The   D C   b l o c k ing  ca paci t o rs  a t  t h e  ou t p ut   o f  the  i n ve rter  a r e   s u ppos e d   t o  ha ve  a   l ow   r eac t a nce   a t   t he   opera tin g  freq u e n c y   a n d   a t  t h e  sa me   time ,   p r e ve nt  t he  s hor t  cir c u it  of  t he  i n v erte r  vo l t age  by  the   l o a d .   The   DC  b lo ck i ng  ca paci t o r  i s   a l s o  ex pe c t e d   t o   c a rr y  the  i n v e rter  c u rr ent  a t   h igh  fre que n c y.  A   D C  blo c kin g   ca paci t o r of 6 0 µ F was used.   F r om   t he  c a l c u l a tio ns,  a   fe rrite   c ore  m a tch i n g   tra n sf orme r  w ith   a   t ur ns  r ati o   o f   1 5 : 1   w a s  use d   f or   opera tin g  a t   a   f re q u e n c y   o f   15 0  kH z ,   t h e   p rima ry  v o l tage  a n d   c u rrent  r at i ng  be i ng  56 0  V   an d  1 1 A   respe c t i ve l y .  T h e  in d u ct anc e   of  t he  l oad   co il   w h i c h   w as  e st ima t e d   a s  1 8 0   nH   i n  t h e  simu lat i on   s o f tw are ,   tur n ed  o ut  t ob e  26 0 n H  i n   t h e   p ra ct ical  r e a liza t i on.  T he   c a p aci t or  r e q u i r e d  for   resona n c e  w a s  8.5µ F .   T h e   c a p a c ito r  was  s e l e ct ed   b ase d   o n  cu rre nt   c a r ry i n g   cap a c i t y   a t   t h e   o p era t in g  freque nc y.  F rom   the   S R I  to   L LC  des i g n   c a l cu la t i o n ,  t h e  val u e  of  t he  s eries  i n d u c t or  s e l ec t e d  w a s   9 0µ H .   T o  m a ke  t he  u n it  c o m p ac t ,   i t   w a s  dec i de d to  e mp lo y ferr i t e   c o r e s  t o  assem b l e  t he in duc tor .  S tand ard   av ail a bl e  c o re s  we re  u sed   t h u s   l e a d i ng  t o   a  d i s p rop o r t i o n a te l y   l arg e   l ooki n g   s e r i e s  re ac to r.  A n   i m ag e  of  t h e  wo rk  p i ece  g e tt ing   i ndu ct i o n   h e a t ed  i s  sh o w n   in F ig ure   15.   The   im pe da nc e   c u rve  of  t he   LLC  i nver t er   h as  t w o   r e s o n a n t   fre q ue nci e s.   O ne   h ig he r  fre quenc y   wher e  t h e   ser i e s   r e s on a n ce   t akes  p lace ,  an d  a n o t he r  l o we r  frequ e n c y   w h e re   p ar al lel   re sona nce   ta k e s  p l ace .   The  LL C  in ve r t e r   g e n era l l y   ope ra tes  at  a   fre que ncy  a b ov e  the  se ries  r es ona n t   f r e q u e n c y ,  in  t he  “ in du ctive ”   mode .  A t   t he   s erie s  re sona nt  f r e q u e n c y ,   the   im peda n c e   is   t he   l o we st   a nd   t h e   p o w er  i s  t h e  hi gh e s t .    The  p o w e r  is  c on tro l led  by  sw ee pin g   t he   f r e que nc y  fr o m   a   h i gh  v al u e   t o  a  low   va lue  a ppr oa ch i n g  t h e   resona nt   f re q u e ncy.    The   co n t r o l   c a r d  implem e n ts  t h e   f o l l o w i n g   l oo ps :  (i)  To  s w e ep  t he  s w itc hi n g   f re q u e n cy   t ow ar d s   t he   resona nt   frequ e n c y   a s  re q u i r ed  t o  me et  t h e   t arge t   pow e r .  A   P LL  a n d   a  VCO  are  use d   f or   f re q u e n cy   corr ecti on.  ( i i )  To  e nsure   t h a t   t he  s w i t c h i ng  of  t h e   M O S F ETs  w o u l d  be   d one   o nl y  a t   t he   zer o  c r ossin g   o f  th e  in verter   c urre nt  o r  cl ose  to  t h e   z e r o  crossi ng ,  (iii )   To  m ai nta in  a   d e a d   tim e  betw e e n   t he   d r i vi n g   pul ses  for  t h e   tw o cha nne ls p rov i d i ng   s afe t y  aga i n s t sh ort c i rcu it.   The   c o ntr o l  b l oc k  dia g ra m   is   s how n  in  F ig ure s   16,  F ig ure   17  an d   F i gur e  18.  F or  t he  c on tro l   o f  a  S R I,   t he  phase   a ng l e   b e t w een  t he  i n v erter   vo l t age   a n d   th e  in ver ter   c u rre nt   i s  e m pl oye d.   H ow ever ,  f o r  th e   LLC  i n v erter   t h e  a n g l e be twee n  the   i n verter   v o l tage   a n d  the   c ap ac i t or vo l ta ge i s  a l s o   m ea su r e d for  a p pl y i n g  a   li m i t.  T hi s  a n gl e   i s   d ef i n e d   a s  α.  I n  o u r   pro j ec t   the   s t an dar d   c ont rol   ca rd  o f   a   S R I  was   e m pl o y e d ,   sup p le me n t e d   by a n o t he r c a rd  t o m easure   th e  angle  a l p h a.    The   p o w e r  con t ro l  o f   b ot h  t h e   S R I  and  the   L L C  i n ve rter  a r e   i mpl em en te d   by  fre q u e nc y  modu la ti o n .  The  pu lses   r e p rese ntin g  t h e  i nver t e r   v ol ta ge   a re  t a k e n   f r o m  the   d ri ver  s e ctio n  of  t he  m ain  c o n t ro l  c a rd.   The  p u l s es  r e p re sen tin g   t h e   c a pac i to r  v o lt ag e   are  re ce i v ed   t h r o ugh   a   fibre  optic  l ink  from  t h e   card  o ne  m ounted  clo s e  t o   t he  c apac it or.         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Int J  P o w   E l e c  &  D ri S yst  IS S N :   2088- 86 94       D e si g n   a nd im plem e n t a ti on  o f  hi g h  fre que nc y  ind u c t i o n he at i ng  wit h  L L C …  (Sug an thi  Karu p pusam y)  18 5     F i gure   1 5 .  Induct i on hea t ing  of l oa d  usi n g h a rdw a r e       4.2   Hardwar e   resu l t s   F i gures  1 9  a n d  2 0   s how   t he  4 15V ,  5 0   H z   A C   s u p p l y  vo l t a g e  w a ve fo rm  a n d   6 00 V  inv e rte r   i npu t  D C   vo lta ge   r espec tive l y.   F i g ur e  21  s how s  th at th e   i n v er t e r  ou t p ut  v o lta ge  w h i ch  i s  o b t a i ne d  a s   5 60V .T he  i nver t e r   curr ent  w a ve fo rm   obta i ne d  in   F igure  2 2   i s  t a k e n  a t   h i g her   loa d   c o n d i t i o n . I n  F i gur e  23,   t he  t w o   a rms  of  t he   bri dge are  no t  “ O N ”  sim ul t a n e ou sly. The  dea d  t i m e w h e n  b oth  t h e   MO S F ETs a re off  i s  m easure d  t o be  24 0  ns  as i n F i gure   2 4 . The t a n k v o l t a g e w a ve form  a cross t h e ca pa cit o r  sh o w i ng bo t h  t he  fr e q u e n c y  a nd am p lit ude  i s   show n in F igur e 25  (a) and  (b) respe c t i ve l y .           F i gure  1 6 . Blo ck  d i a gram  of m a in c ontro l  car d          F i gure   1 7 .   Bl o c k dia g ra m  of  p o w er  calc u la t i on           F i g u r e   18.  Blo ck dia gr am  of  fre que ncy  co n t rol   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
          IS S N : 208 8- 869 4    I nt   J  P ow  Elec   & Dr i   S y st V ol.  11,  N o.  1 , Ma r  202 0  :   17 8 –   188   18 6     F i g u r e  1 9. Line  vol ta ge  w ave f orm       F i g u r e   20 . DC  v olt a g e  wa v e f orm          F i gure   2 1 .Inve rter  volta g e  w a v efor m      F i gure   2 2 .  Inver t e r   c urre nt w av e f orm           F i gure   2 3 .D r i ve  pul ses –  tw o in st a n ces       F i gure  2 4 .  D e a d   t i m e         (a)     (b)    F i gur e 2 5 .   Ta nk vo l t a g e  w a ve form  d ispla y in g  t h e   (a ) freque ncy ( b) a mpli tude       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Int J  P o w   E l e c  &  D ri S yst  IS S N :   2088- 86 94       D e si g n   a nd im plem e n t a ti on  o f  hi g h  fre que nc y  ind u c t i o n he at i ng  wit h  L L C …  (Sug an thi  Karu p pusam y)  18 7 Me as urem ent of  pha se  a ng le  i s  show n  in  F i gure  2 6 a  an d  b. The  cur r e nt  w avef o r m  loo k s tria ng u l ar  a s  t h e   lo ad  i s   smal l .         (a)     (b)    Fi g u r e 26 . Ph a s e   an gl e me as u r e m e n t   wi t h  (a)   (b)        t 1 =   1 . 6   µs  ,  t 2 =   6 .4   µ s ;   ɸ  =     x   360  =   . .  x  360  =   90 °  ( 1 5 )       5.   COMPARIS I O N   O F TH EORETICAL, S IMULAT ION AND  EX P ERIMENT A L  VA L U E  A   com p arison  of t he ore t i c al,  sim u late d a n d ha rdw a re  r esul ts  i n  Table  2 sh ow s broa d agr e em ent.       Tab l e  2.  C om p a risi on o f   t he or etica l ,   simula ti on a n d ex pe ri me nt a l v a l u es   Pa r a mete r  The o r e ti c a l  v a l u e   S im ul a t ion va lu e   Ha rdwa r e  v a l u e   Inve rte r   output  c ur re nt   18. 44A   13A   14. 8A   Inve rte r   output  vol ta g e   520V   580V   560V     I nve rte r   output  p o w e r   5kW   4 . 32kW  4 . 75k W   L o a d   output  vol ta g e   95. 719V   92V   91. 2V       6.   CONCLUSION  The   pro pose d   m e t ho d  of  l oa d  ma tc hi n g   u s i n g   a   c omb i na ti o n   o f  a n   LL C  reso na nt   c ir cui t   a n d   a   t r a n sf o r mer  me et s  th e   hi gh  fre qu e n c y   i nd u c ti on  h e at   t rea t men t   r e q u i re me nt s.   T he   l oa d   para me t e rs  a r e   evalua t e d  using  ELTA  s oft w are.   T he  power   f actor  o f   L L C   c i r cuit  w i t h ou t  a   tra n sf orm e r  i s   f o u nd  t o   b e  0. 1   w h er eas  t ha t  w i t h   a   t rans for m er  i s  0.8 1 .  Th us,  this   m e t ho d  i m pr o v e s   t he  pow er  f a c t or   a nd  i n   t u r n,   t h e   efficie n c y .   A l so,   t h e  use  of  S iC  s w i tc hes  i n   p l a ce   o f  c o nve nt i o na l  Si   s w i tc hes  e n a b le s  t o   c a rry  o u t   i nd u c t i o n   hea t i ng a t  hi g he r  freque nc ies  and i n  c ircu i t s  w ith  h i ghe r op e r a ti ng v o lta ge s.       ACKNOW LEDG E MEN T S   Th is  w ork  is  s po ns ored  b y   M/S   G H   Induc ti on  I ndia   P v t.  L td  a n d   i s  do ne  a s  a  fina l  yea r   p ro ject.   We   w i sh  t o  rec o rd  our  d eep   g ra ti t ude   t o   the   com p an y  a n d  t o   i ts   V i c e  C h a i rman,  Mr.V .R.Chari  f o r  a l l  t h e  s u p p o r t   and  ass i s t anc e .       REFE RENCES    [1]   O.  L ucía,  P .   M au ssi o n ,   E .   Ded e ,  and   J.  M .  Bu rd í o ,  " I nd ucti o n   h e at ing   t echno lo gy   a nd   i ts  a pplications:  Past  dev e lo pm ent s ,   cu rrent  t echn o l ogy,   f uture  ch all e n g es, "   IEE E  Tran s .   Ind. El ect r o n .,   v o l .   61,   N o .   5 ,  p p .   250 9-2 5 2 0 ,   20 14 .   [2]   N.R. Stan s el,   "In d u c ti on  heating -  S elect io n   of  f req u ency, "   E l ect ri cal Eng i n eeri n g ,  v o l. 6 3,  No.  10 ,  1 94 4 .   [3]   Xu   S he,   Al ex  Q .  Hu a n g,   O s car  L u c ia,  and   Bu ra k O zp ineci ,  "Rev i e w  of   S i l i c on  Carbi d e  P o wer  D e vi cs  a n d   t h e ir  Ap plicati ons, "   IE EE T r ansa c ti o n s o n  In dustrial Elect ro n i cs , vo l .   64 , No . 1 0,  20 1 7.  [4]   Al v i n  ong ,   Jo se ph   C arr,   J uan  B a ld a,   a n d   A l a n  M a nto o t h ,   "A  C om pa ri son  o f   S il i c on  a nd  S ilicon  C arbide  M OSF E T   Switchi ng Charact eristics,"  20 07  IEEE R e gio n   5 Tech nica l  Co nf eren ce,  2 00 7.  [5]   Hel ong   Li  an d  S tig M unk -Ni e lsen  " Det a il   S tud y   o f   S i C  MO S F ET  Swi t c h in g  Ch aracteri s ti cs ,"  20 14  IEEE 5 t h  In te rn at io na l S y mp osiu m on   Po we r E l e c t ro n i c s  for  Distr i b u te d  Ge ne ra tion  Sy ste m s  (P ED G ) ,   2014 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.