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，温度容易控制，金属烧损小，无需预热等优点。

　　传统感应加热设备应用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，已经到了淘汰边缘，但它频率高，功率大，市场上仍有一席之。快速晶闸管是目前应用主力军，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。它达到了晶闸管不能达到频率(60kHz以上)，正逐步取代快速晶闸管。国外1kHz～80kHz感应加热已广泛应用IGBT，这是感应加热电源发展方向。图1为国外各种功率器件应用。

　　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，该设备波形较好，有利于提高装置效率和可靠性。

　　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。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1/3。

　　该装置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%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)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，既可工作容性又可工作感性。工作容性或感性都将引起电压或电流毛刺，采用锁零电路，使电源基本上工作谐振状况。这种情况下，电压正弦波和电流方波(谐振回路上)都比较好，这对减少开关损耗，增加器件寿命有重要意义，也减轻了阻容吸收负担。

　　常见他激转自激线路这里也没有选用，他激转自激，是指低电压使用他激信号，电压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现象。我们设备是将他激固定频率发生器改进为变频频率发生器，既从100kHz逐步变为10kHz，同时检测谐振电压，谐振点时变自激过零触发，保证设备工作零度。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，但波形调整很方便，为此采用富士公司841这种线路，如图5所示，841很多文章有介绍，这里只提两个问题：

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

　　(2)841过流是检测IGBT门极导通时CE间电压，当超过6V延迟10μs则判断为过流。但实践中发现很多IGBTCE间电压6V时已经损坏，我们IGBTC极和841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对过流判断灵敏性，使线路能正常驱动元件过流时能更有效保护器件。

　　2.5过流和过压保护

　　(1)过流IGBT相对SCR来说抗过流能力比较弱，线路设计一定要保证IGBT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，二是电抗器和逆变桥输入之间串了一个电流传感器，当它输出值超过预定值时，封锁斩波脉冲，另封锁逆变脉冲，这一措施使IGBT了负载短路实验考验。

　　(2)过压这种谐振电路里主要有两种过压产生：1、负载电流和电压角度增加，负载电压会越来越高，这会对器件构成威胁，解决办法是逆变控制锁0度，另外负载上加电压传感器检测电压大小，当过大时加以控制。2、换流过程中电压毛刺，这种现象主要靠加阻容吸收，值注意是逆变电路中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，配合氮气保护成功解决了这一问题。提高效率，采用一台电源同时匹配两台变压器技术，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，很多场合、尤其实验室十分不合适，国外多采用固态电源，价格十分昂贵(约为国内产品5～10倍)，我们采用30kW/30kHzIGBT超音频电源成功解决了这一问题，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HFB303H1A高周波钎焊设备T10型超音频电源水平，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。采用我厂生产感应加热电源设备，经工艺试验，均取圆满成功。特别值一提是：电子管高频电源周围有强大电磁场辐射，如长期这种环境工作，对操作员身体健康是有害，而我厂研制个IGBT超音频电源，输出电压、频率都比电子管高频电源低多，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，各个生产领域运行，每年还新增近1000台电子管或晶闸管高频电源设备，浪费电能情况十分严重。采用IGBT超音频电源节能效果显著、效率高，保护环境。它推广应用势必将产生巨大经济效益和社会效益。