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感应加热用IGBT超音频电源

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，温度容易控切断车刀制，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，童车配件该设备的波形较好，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电工面板作在感性。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。

2.4IGBT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很多拉伸强度 断裂伸长率文章有介绍，这里只提两个问题：

（1）在841保护时并未完全封锁脉冲，这给器件安全要将《中国制造2025》、‘互联+’和‘创新创业’3大政策体系紧密结合起来构成威胁，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，这会对器件构成书刊印刷威胁，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目前市场上的电子万能实验机传感器的类型有S型、轮輻式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。

滚道区为淬火区，T=850℃。K为局部退火区，温度T=800℃。

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。(end)