感應(yīng)加熱用IGBT超音頻電源??

1引言

感應(yīng)加熱是將工件直接加熱，它具有效率高，作業(yè)條件好，溫度容易控制，金屬燒損小，無需預(yù)熱等優(yōu)點(diǎn)。

傳統(tǒng)的感應(yīng)加熱設(shè)備應(yīng)用的電力電子器件是電子管和快速晶閘管。電子管電壓高，穩(wěn)定性差，幅射強(qiáng)，效率低，已經(jīng)到了淘汰的邊緣，但它頻率高，功率大，所以在市場上仍有一席之地。快速晶閘管是目前應(yīng)用的主力軍，它耐壓高，電流大，抗過流、過壓能力較強(qiáng)。但它只能工作在10000Hz以下，這使其使用范圍受到了限制。

IGBT是一種復(fù)合功率器件，它集雙極型功率晶體管和功率MOSFET的優(yōu)點(diǎn)于一體，具有電壓型控制，輸入阻抗大、驅(qū)動(dòng)功率小，控制電路簡單，開關(guān)損耗小，通斷速度快，工作頻率較高，元件容量大。它不僅達(dá)到了晶閘管不能達(dá)到的頻率（60kHz以上），而且正在逐步取代快速晶閘管。國外1kHz～80kHz的感應(yīng)加熱已廣泛應(yīng)用IGBT，這是感應(yīng)加熱電源的發(fā)展方向。圖1為國外各種功率器件的應(yīng)用。2IGBT電源結(jié)構(gòu)及工作原理

2?1主電路采用并聯(lián)諧振式逆變器，主電路如圖2所示。

圖1各種功率器件的應(yīng)用

圖2主電路原理圖

電流源并聯(lián)諧振逆變器具有負(fù)載適應(yīng)性強(qiáng)，抗負(fù)載短路能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，該設(shè)備的波形較好，有利于提高裝置的效率和可靠性。

主電路為三相全波不控整流加濾波，再經(jīng)斬波后輸入給逆變器。由于采用IGBT斬波頻率較高（約為20kHz），輸出波形較好，電抗器尺寸將可縮小為原來的1/3。

該裝置的整流橋采用普通整流二極管，濾波電容為電解電容450V/1500μF，斬波IGBT及二極管為富士公司產(chǎn)品，平波電抗器為自制，逆變IGBT也是富士公司產(chǎn)品，諧振回路電容為特制的超音頻電容器，功率輸出變壓器為自行設(shè)計(jì)生產(chǎn)。

2?2斬波控制斬波控制采用SG3525脈寬調(diào)制型控制器，SG3525是集成PWM控制器件，控制功能比較完備用于斬波十分合適，全推挽輸出形式，其輸出峰值為±500mA，電源電壓為（8～35）V，內(nèi)部設(shè)有欠壓停止電路，當(dāng)電壓過低時(shí)，輸出級截止。具有5.1V，溫度系數(shù)±1％的基準(zhǔn)穩(wěn)壓電源，誤差放大器、振蕩器頻率為100Hz～400kHz（其值由外接電阻Rt，電容Ct決定）的鋸齒波振蕩器，軟起動(dòng)電路，同步電路，關(guān)閉電路，脈寬調(diào)制比較器，RS寄存器及保護(hù)電路。SG3525原理框圖如圖3所示。2?3逆變控制

圖3SG3525原理框圖

圖4逆變控制框圖

圖5841原理框圖

IGBT為自關(guān)斷器件，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將引起電壓或電流的毛刺，因此采用鎖零電路，使電源基本上工作在諧振狀況。在這種情況下，電壓的正弦波和電流的方波（諧振回路上）都比較好，這不僅對減少開關(guān)損耗，增加器件壽命有重要意義，而且也減輕了阻容吸收的負(fù)擔(dān)。

常見的他激轉(zhuǎn)自激線路這里也沒有選用，他激轉(zhuǎn)自激，是指在低電壓使用他激信號，隨著電壓的升高自動(dòng)變?yōu)樽约ば盘枺@也就使它有一個(gè)缺點(diǎn)，當(dāng)感應(yīng)器換掉，他激和自激頻率有差異時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電壓上升過程中過流的現(xiàn)象。在我們的設(shè)備是將他激的固定頻率發(fā)生器改進(jìn)為變頻的頻率發(fā)生器，既從100kHz逐步變?yōu)?0kHz，同時(shí)檢測諧振電壓，在諧振點(diǎn)時(shí)變自激并且過零觸發(fā)，保證設(shè)備工作在零度。逆變線路控制框圖如圖4所示。

這種逆變控制方式既防止了他激轉(zhuǎn)自激過程中的逆變失敗，又防止了小信號下線路找不到自激頻率情況。

2?4IGBT驅(qū)動(dòng)

IGBT可采用有源或無源兩種驅(qū)動(dòng)方式，無源驅(qū)動(dòng)相對線路簡單，但波形調(diào)整不是很方便，為此采用富士公司841這種線路，如圖5所示，對于841很多文章有介紹，這里只提兩個(gè)問題：

（1）在841保護(hù)時(shí)并未完全封鎖脈沖，這給器件安全構(gòu)成威脅，因此在過流輸出和驅(qū)動(dòng)信號輸入之間加了一個(gè)RS觸發(fā)器，在有過流輸出時(shí)完全封鎖驅(qū)動(dòng)脈沖。

（2）841過流是檢測IGBT在門極導(dǎo)通時(shí)CE間的電壓，當(dāng)超過6V延遲10μs則判斷為過流。但實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)很多IGBT在CE間電壓6V時(shí)已經(jīng)損壞，因此我們在IGBT的C極和841的第6腳串一個(gè)3V穩(wěn)壓管，使841檢測值由此6V降低為3V實(shí)踐證明這樣改進(jìn)明顯增加了841對過流判斷的靈敏性，使線路不僅能正常的驅(qū)動(dòng)元件而且在過流時(shí)能更有效的保護(hù)器件。

2?5過流和過壓的保護(hù)

（1）過流IGBT相對SCR來說抗過流能力比較弱，因此線路設(shè)計(jì)一定要保證IGBT的安全。主要靠兩個(gè)辦法：一個(gè)是841過流保護(hù)，但這種方式風(fēng)險(xiǎn)性較大，二是在電抗器和逆變橋輸入之間串了一個(gè)電流傳感器，當(dāng)它的輸出值超過預(yù)定值時(shí)，一方面封鎖斬波脈沖，另一方面封鎖逆變脈沖，這一措施使IGBT通過了負(fù)載短路實(shí)驗(yàn)的考驗(yàn)。

（2）過壓在這種的諧振電路里主要有兩種過壓產(chǎn)生：1、隨著負(fù)載電流和電壓角度的增加，負(fù)載電壓會(huì)越來越高，這會(huì)對器件構(gòu)成威脅，解決的辦法是逆變控制鎖0度，另外在負(fù)載上加電壓傳感器檢測電壓的大小，當(dāng)過大時(shí)加以控制。2、換流過程中的電壓毛刺，這種現(xiàn)象主要靠加阻容吸收，值得注意的是逆變電路中的二極管也需要加阻容吸收，如圖6所示。

3應(yīng)用舉例

（1）某單位要求焊接空調(diào)壓縮機(jī)貯液灌部件，如圖7所示。

圖6橋路阻容吸收形式

圖7儲(chǔ)液罐外形

①③銅件，②鋼件，要求焊接①～②及②～③連接處，焊接表面光亮而且要求基本不變型。

我們采用IGBT超音頻20kW、40kHz電源，配合氮?dú)獗Ｗo(hù)成功地解決了這一問題。為了提高效率，采用一臺(tái)電源同時(shí)匹配兩臺(tái)變壓器的技術(shù)，依次完成每個(gè)部件兩處焊接任務(wù)，每個(gè)焊接過程約定4～5秒時(shí)間，焊接表面光潔，無變型。

（2）熔煉白金

白金熔點(diǎn)為1800，相對比較難熔化，過去采用電子管電源，但它體積大，耗電高，難控制，在很多場合、尤其在實(shí)驗(yàn)室十分不合適，國外多采用固態(tài)電源，價(jià)格十分昂貴（約為國內(nèi)產(chǎn)品的5～10倍），我們采用30kW/30kHzIGBT超音頻電源成功地解決了這一問題，它具有體積小，熔化迅速，控制精度高，可靠耐用的優(yōu)點(diǎn)。

（3）電冰箱壓縮機(jī)外殼紫銅管釬焊

通常采用高頻焊，某廠家現(xiàn)采用我廠生產(chǎn)的IGBT?20kW?20kHz型IGBT超音頻電源，其主要優(yōu)點(diǎn)：一是加熱效率高，可達(dá)85％，發(fā)振均勻，加熱迅速，達(dá)到了日本生產(chǎn)的HFB?303H?1A高周波釬焊設(shè)備T?10型超音頻電源的水平，為國家節(jié)省了大量外匯。

（4）滾柱軸承局部淬火（退火）

某廠的滾柱軸承要求表面局部淬火和局部退火，如圖8所示。采用我廠生產(chǎn)的感應(yīng)加熱電源設(shè)備，經(jīng)工藝試驗(yàn)，均取得圓滿成功。特別值得一提的是：電子管高頻電源周圍有強(qiáng)大的電磁場輻射，如長期在這種環(huán)境工作，對操作員身體健康是有害的，而我廠研制的個(gè)IGBT超音頻電源，由于輸出電壓、頻率都比電子管高頻電源低得多，經(jīng)測定，周圍輻射電磁場強(qiáng)度，均未超過國家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，測定結(jié)果如表1所示。

圖8 滾動(dòng)軸承熱處理標(biāo)視圖

表1電子管和IGBT電源的電場強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度比較

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國現(xiàn)有100kW級高頻電源一萬余臺(tái)，在各個(gè)生產(chǎn)領(lǐng)域運(yùn)行，而且每年還新增近1000臺(tái)電子管或晶閘管高頻電源設(shè)備，浪費(fèi)電能的情況十分嚴(yán)重。如果采用IGBT超音頻電源不僅節(jié)能效果顯著、效率高，而且保護(hù)環(huán)境。它的推廣應(yīng)用勢必將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。