基于IGBT中頻加熱電源的研究

1、基于IGBT中頻加熱電源的研究摘要：中頻電源已廣泛應(yīng)用于工業(yè)加熱領(lǐng)域。結(jié)合實(shí)際討論了一種新型晶閘管感應(yīng)加熱電源主電路結(jié)構(gòu)及工作原理，該電源采用成熟的變頻技術(shù)，由全控型器件構(gòu)成串聯(lián)諧振式逆變電路，解決了工頻加熱效果差和浪費(fèi)電能等問題。中頻感應(yīng)加熱電源采用IGBT作為開關(guān)器件，可工作在10HZ10KHZ，具有功率調(diào)節(jié)范圍寬、頻率變化小的優(yōu)點(diǎn)，適用于中小功率系統(tǒng)。 關(guān)鍵詞：中頻電源；感應(yīng)加熱；逆變；串聯(lián)諧振Abstract：Medium-frequency power supply has been widely used in industrial heating.The structure an

2、d working principle of the main circurt in a novel intermediate frequency induction heating supply are discussed according to practice.This power supply makes use of the frequency changeable technique,and series resonant inverter circuit has been made up by full controlled device.It resolves the low

3、 efficiency and wasting power in the work-frequency heating.The IGBT,as the switching device,can work between 10HZ to 10KHZ frequency channel.This method has the advantages of wide area of power modulation and little change of frequency,it adapts to medium power and supply frequency system. Key word

4、s：intermediate frequency supply；induction heating；inversion；series resonant0 引言工頻加熱技術(shù)與其它各種物理加熱技術(shù)相比，確實(shí)具有較高的效率，但存在一些明顯的不足。在現(xiàn)代工業(yè)的金屬熔煉、熱處理、焊接等過程中，感應(yīng)加熱被廣泛應(yīng)用。感應(yīng)加熱是根據(jù)電磁感應(yīng)原理，利用工件中渦流產(chǎn)生的熱量進(jìn)行加熱的，它加熱效率高、速度快、可控性好，易于實(shí)現(xiàn)高溫和局部加熱1。隨著電力電子技術(shù)的不斷成熟，感應(yīng)加熱技術(shù)得到了迅速發(fā)展。本文設(shè)計(jì)的70KW/500HZ中頻感應(yīng)加熱電源采用IGBT串聯(lián)諧振式逆變電路，能夠?qū)崿F(xiàn)頻率自動(dòng)，電路結(jié)構(gòu)簡單，高效節(jié)能

5、。1 主電路結(jié)構(gòu)主電路由整流電路、逆變電路、保護(hù)電路組成，其結(jié)構(gòu)如圖1。2 主要器件的設(shè)計(jì)2.1 整流電路的設(shè)計(jì)中頻電源采用三相全控橋式整流電路，它的輸出電壓調(diào)節(jié)范圍大而移相控制角的變化范圍小，有利于系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)，輸出電壓的脈動(dòng)頻率較高可以減輕直流濾波環(huán)節(jié)的負(fù)擔(dān)2。根據(jù)設(shè)計(jì)要求：額定輸出功率P=70KW，輸出頻率f=500HZ，進(jìn)線電壓UIN=380V，取逆變器的變換效率 =0.9。 1） 確定電壓額定值URRM考慮到其峰值、波動(dòng)、雷擊等因素，取波動(dòng)系數(shù)為1.1，安全系數(shù)=2，選取電壓為：URRMUIN 1.1 =1179V根據(jù)實(shí)際二極管電壓等級，取URRM=1600V。2） 確定電流額定值

6、IT(AV)IT(AV)=0.368Id=0.368 =0.368 =56A考慮沖擊電流和安全系數(shù)，實(shí)取額定電壓1600V，額定電流200A的整流模塊。2.2 逆變電路的設(shè)計(jì)逆變電路是由全控器件IGBT構(gòu)成的串聯(lián)諧振式逆變器，兩組全控器件V1、V4和V2、V3交替導(dǎo)通，輸出所需要的交流電壓。IGBT的主要參數(shù)有最高集射極電壓（額定電壓）、集射極電流等3。1） 確定電壓額定值UCEPIGBT的輸入端與電容相并聯(lián)，起到了緩沖波動(dòng)和干擾的作用，因此安全系數(shù)不必取得很大，一般取安全系數(shù) =1.1平波后的直流電壓：Ed=380V =590V關(guān)斷時(shí)的峰值電壓：UCESP=(5901.15+150) =91

7、2V式中1.15為電壓保護(hù)系數(shù)， 150為L 引起的尖峰電壓。令UCEPUCESP,并向上靠攏IGBT等級，取UCEP=1200V。2） 確定電流額定值IcIc=( 1.5)Id= 374A式中， 為Id的峰值，1.5為允許1min過載容量，0.9為變換效率。由于電路采用橋式結(jié)構(gòu)，4只IGBT輪流導(dǎo)通，根據(jù)IGBT等級，選用西門子BSM200GB120兩單元并聯(lián)。3） 電解電容Cd的計(jì)算Cd主要起濾波、穩(wěn)定電壓和改善功率因數(shù)的作用，在串聯(lián)諧振電路中相當(dāng)于電壓源。Cd可用下式計(jì)算：Cd=(4050)Id(4050)150A60007500 選用6800/400VDC電解電容，三只并聯(lián)后再串聯(lián)，在

8、每只電解電容兩端并聯(lián)上放電電阻100K /2W,兩只并聯(lián)。由于串聯(lián)諧振式逆變器的直流電源回路還必須流過無功電流，該無功電流隨逆變器的輸出功率因數(shù)減小而增大，而電解電容Cd中不能流通高頻無功電流，否則會(huì)發(fā)熱損壞4。高頻電 容的選擇一般根據(jù)逆變器的工作頻率和容量大小來確定，電路中選用兩只2F/1200V的薄膜電容直接并在IGBT的兩側(cè)。2.3 逆變電路的保護(hù)IGBT采用緩沖保護(hù)電路，它以上下橋臂為單元進(jìn)行設(shè)置，這種電路緩沖元件的功耗小，降低了IGBT的關(guān)斷損耗。通常采用計(jì)算和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，確定緩沖元件的參數(shù)。CS選取35 F/1200V的電解電容，RS選用62 /150W的無感電阻。在開關(guān)電源

9、中，逆變電路中二極管除整流作用外，還起電壓嵌位和續(xù)流作用，二極管在正向偏置時(shí)，呈低阻狀態(tài)，近似短路，在反向偏置時(shí)，呈高阻狀態(tài)，近似開路。二極管從低阻轉(zhuǎn)變成高阻或從高阻轉(zhuǎn)變成低阻并不是瞬間完成的，普通二極管的反向恢復(fù)時(shí)間較長，不適應(yīng)高頻開關(guān)電路的要求，需要使用快速恢復(fù)二極管5。系統(tǒng)阻容吸收電路中采用IXYS公司的DSE12X快速恢復(fù)二極管模塊，其恢復(fù)時(shí)間在60ns左右。由電路產(chǎn)生的PWM脈沖，不能直接驅(qū)動(dòng)大功率器件，為確保功率管的開關(guān)準(zhǔn)確可靠，IGBT驅(qū)動(dòng)放大電路采用三菱公司的M57962L，它采用+15V-15V雙電源供電，外圍元件少，具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，又能有效的限制短路電流值和由此產(chǎn)生的應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)軟關(guān)斷。3 負(fù)載電路的計(jì)算中頻電源用于加熱時(shí)，負(fù)載主要是由集膚效應(yīng)、渦流效應(yīng)、滯后效應(yīng)產(chǎn)生的阻抗和感抗，雖然還存在著其他作用引起的額外電感和電容，但它們的等效電感量和電容量很小，所以，在頻率不太高的情況下，負(fù)載可以等效為感抗和阻抗串聯(lián)。如圖2。4 結(jié) 論上述方法設(shè)計(jì)的中頻電源采用絕緣柵雙極型晶體管（IGBT），其單管容量超過GTR,中頻特性優(yōu)于SCR，電路結(jié)構(gòu)簡單。作為感應(yīng)加熱電源有利于改進(jìn)加熱質(zhì)量，提高裝置的加熱效率。參考文獻(xiàn)：1 潘天明.現(xiàn)代感應(yīng)加熱裝置M.北京：冶金工業(yè)出版社，1996.2 王兆安，黃 俊.電力電子