感应加热用IGBT超音频电源

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关键词: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...
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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 。   2.4IGBT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10型超音频电源的水平 ,为国家节省了大量外汇。   (4)滚柱局部淬火(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 。








1A高周波钎焊设备T303H20kHz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HFB20kW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

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