感应加热用IGBT超音频电源

    摘要：介绍了用于感应加热的，采用IGBT的超音频感应加热电源的原理，与应用实例。

    关键词：IGBT  感应加热  并联谐振式逆变器

1 引言

感应加热是将工件直接加热，它具有效率高，作业条件好，温度容易控制，金属烧损小，无需预热等优点。

传统的感应加热设备应用的电力电子器件是电子管和快速晶闸管。电子管电压高，稳定性差，幅射强，效率低，已经到了淘汰的边缘，但它频率高，功率大，所以在市场上仍有一席之地。快速晶闸管是目前应用的主力军，它耐压高，电流大，抗过流、过压能力较强。但它只能工作在10000Hz以下，这使其使用范围受到了限制。

IGBT是一种复合功率器件，它集双极型功率晶体管和功率MOSFET的优点于一体，具有电压型控制，输入阻抗大、驱动功率小，控制电路简单，开关损耗小，通断速度快，工作频率较高，元件容量大。它不仅达到了晶闸管不能达到的频率（60kHz以上），而且正在逐步取代快速晶闸管。国外1kHz～80kHz的感应加热已广泛应用IGBT，这是感应加热电源的发展方向。图1为国外各种功率器件的应用。

2 IGBT电源结构及工作原理

2.1 主电路采用并联谐振式逆变器，主电路如图2所示

电流源并联谐振逆变器具有负载适应性强，抗负载短路能力强等优点，该设备的波形较好，有利于提高装置的效率和可靠性。

主电路为三相全波不控整流加滤波，再经斩波后输入给逆变器。由于采用IGBT斩波频率较高（约为20kHz），输出波形较好，电抗器尺寸将可缩小为原来的1/3。

该装置的整流桥采用普通整流二极管，滤波电容为电解电容450V/1500μF，斩波IGBT及二极管为富士公司产品，平波电抗器为自制，逆变IGBT也是富士公司产品，谐振回路电容为特制的超音频电容器，功率输出变压器为自行设计生产。

2.2 斩波控制

斩波控制采用SG3525脉宽调制型控制器，SG3525是集成PWM控制器件，控制功能比较完备用于斩波十分合适，全推挽输出形式，其输出峰值为±500mA，电源电压为（8～35）V，内部设有欠压停止电路，当电压过低时，输出级截止。具有5.1V，温度系数±1％的基准稳压电源，误差放大器、振荡器频率为100Hz～400kHz（其值由外接电阻Rt，电容Ct决定）的锯齿波振荡器，软起动电路，同步电路，关闭电路，脉宽调制比较器，RS寄存器及保护电路。SG3525原理框图如图3所示。

2.3 逆变控制

IGBT为自关断器件，既可工作在容性又可工作在感性。然而工作在容性或感性都将引起电压或电流的毛刺，因此采用锁零电路，使电源基本上工作在谐振状况。在这种情况下，电压的正弦波和电流的方波（谐振回路上）都比较好，这不仅对减少开关损耗，增加器件寿命有重要意义，而且也减轻了阻容吸收的负担。

常见的他激转自激线路这里也没有选用，他激转自激，是指在低电压使用他激信号，随着电压的升高自动变为自激信号，这也就使它有一个缺点，当感应器换掉，他激和自激频率有差异时，就会产生电压上升过程中过流的现象。在我们的设备是将他激的固定频率发生器改进为变频的频率发生器，既从100kHz逐步变为10kHz，同时检测谐振电压，在谐振点时变自激并且过零触发，保证设备工作在零度。逆变线路控制框图如图4所示。

这种逆变控制方式既防止了他激转自激过程中的逆变失败，又防止了小信号下线路找不到自激频率情况。

2.4 IGBT驱动

IGBT可采用有源或无源两种驱动方式，无源驱动相对线路简单，但波形调整不是很方便，为此采用富士公司841这种线路，如图5所示，对于841很多文章有介绍，这里只提两个问题：

（1）在841保护时并未完全封锁脉冲，这给器件安全构成威胁，因此在过流输出和驱动信号输入之间加了一个RS触发器，在有过流输出时完全封锁驱动脉冲。

（2）841过流是检测IGBT在门极导通时CE间的电压，当超过6V延迟10μs则判断为过流。但实践中发现很多IGBT在CE间电压6V时已经损坏，因此我们在IGBT的C极和841的第6脚串一个3V稳压管，使841检测值由此6V降低为3V实践证明这样改进明显增加了841对过流判断的灵敏性，使线路不仅能正常的驱动元件而且在过流时能更有效的保护器件。

2.5 过流和过压的保护

（1）过流IGBT相对SCR来说抗过流能力比较弱，因此线路设计一定要保证IGBT的安全。主要靠两个办法：一个是841过流保护，但这种方式风险性较大，二是在电抗器和逆变桥输入之间串了一个电流传感器，当它的输出值超过预定值时，一方面封锁斩波脉冲，另一方面封锁逆变脉冲，这一措施使IGBT通过了负载短路实验的考验。

（2）过压在这种的谐振电路里主要有两种过压产生：1、随着负载电流和电压角度的增加，负载电压会越来越高，这会对器件构成威胁，解决的办法是逆变控制锁0度，另外在负载上加电压传感器检测电压的大小，当过大时加以控制。2、换流过程中的电压毛刺，这种现象主要靠加阻容吸收，值得注意的是逆变电路中的二极管也需要加阻容吸收，如图6所示。

3 应用举例

（1）某单位要求焊接空调压缩机贮液灌部件，如图7所示。

①③铜件，②钢件，要求焊接①～②及②～③连接处，焊接表面光亮而且要求基本不变型。

我们采用IGBT超音频20kW、40kHz电源，配合氮气保护成功地解决了这一问题。为了提高效率，采用一台电源同时匹配两台变压器的技术，依次完成每个部件两处焊接任务，每个焊接过程约定4～5秒时间，焊接表面光洁，无变型。

（2）熔炼白金

白金熔点为1800，相对比较难熔化，过去采用电子管电源，但它体积大，耗电高，难控制，在很多场合、尤其在实验室十分不合适，国外多采用固态电源，价格十分昂贵（约为国内产品的5～10倍），我们采用30kW/30kHzIGBT超音频电源成功地解决了这一问题，它具有体积小，熔化迅速，控制精度高，可靠耐用的优点。

（3）电冰箱压缩机外壳紫铜管钎焊

通常采用高频焊，某厂家现采用我厂生产的IGBT-20kW-20kHz型IGBT超音频电源，其主要优点：一是加热效率高，可达85％，发振均匀，加热迅速，达到了日本生产的HFB-303H-1A高周波钎焊设备T10型超音频电源的水平，为国家节省了大量外汇。

（4）滚柱轴承局部淬火（退火）

某厂的滚柱轴承要求表面局部淬火和局部退火，如图8所示。采用我厂生产的感应加热电源设备，经工艺试验，均取得圆满成功。特别值得一提的是：电子管高频电源周围有强大的电磁场辐射，如长期在这种环境工作，对操作员身体健康是有害的，而我厂研制的个IGBT超音频电源，由于输出电压、频率都比电子管高频电源低得多，经测定，周围辐射电磁场强度，均未超过国家规定标准，测定结果如表1所示。

表1电子管和IGBT电源的电场强度和磁场强度比较

4 结语

据统计，我国现有100kW级高频电源一万余台，在各个生产领域运行，而且每年还新增近1000台电子管或晶闸管高频电源设备，浪费电能的情况十分严重。如果采用IGBT超音频电源不仅节能效果显著、效率高，而且保护环境。它的推广应用势必将产生巨大的经济效益和社会效益。