新型高效數(shù)字式IGBT逆變感應(yīng)加熱電源

張 勇

西部超導(dǎo)材料科技術(shù)有限公司制造五廠，陜西西安 710018

0 引言

感應(yīng)加熱電源廣泛應(yīng)用于金屬熱處理、淬火、透熱、熔煉、焊接、熱套、電真空器件去氣加熱、半導(dǎo)體材料煉制、塑料熱合、烘烤和提純等場合，利用在高頻磁場作用下產(chǎn)生的感應(yīng)電流引起導(dǎo)體自身發(fā)熱而進(jìn)行加熱。感應(yīng)加熱與氣體燃燒加熱或者通電加熱相比，具有顯著節(jié)能、非接觸、速度快、效率高、工序簡單、容易實現(xiàn)自動化等顯著優(yōu)點。

感應(yīng)加熱電源主要由逆變器、諧振單元、變壓器和感應(yīng)器組成。其中逆變器是一個交-直-交的變流器，將工頻交流電能變換成為幾千至幾百千赫茲的高頻電能。諧振單元和變壓器一端連接逆變器，另一端連接感應(yīng)器，將高壓變成隔離的低壓并進(jìn)行阻抗匹配。加熱時，感應(yīng)器中流過強大的高頻電流，在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流，因此導(dǎo)體迅速被加熱。

1 目前產(chǎn)品普遍存在的問題及原因

雖然采用IGBT取代晶閘管和電子管已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步，但目前大多數(shù)生產(chǎn)廠商研制生產(chǎn)的感應(yīng)加熱電源設(shè)備仍然存在一些普遍問題，這些問題主要表現(xiàn)為：效率較低、電能和冷卻水消耗大；功率元件IGBT容易損壞；輸出變壓器容易損壞；冷卻水回路故障較多；功率因數(shù)較低、諧波污染大；設(shè)備可靠連續(xù)運行性能欠佳。

2 新型數(shù)字式IGBT逆變感應(yīng)加熱電源的關(guān)鍵技術(shù)

一種新型高頻感應(yīng)加熱電源主回路如下圖所示，該產(chǎn)品為全數(shù)字式控制結(jié)構(gòu)，在中央處理器DSP的控制下，功率器件IGBT工作在零電流開關(guān)狀態(tài)；且直流側(cè)也采用IGBT斬波電路，這有效提高了設(shè)備功率因數(shù)、減少輸入諧波；此外，該產(chǎn)品通過多種措施降低系統(tǒng)損耗、提高效率，使得設(shè)備可以采用全空冷結(jié)構(gòu)，并消除設(shè)備來自水系統(tǒng)的故障；基于這種結(jié)構(gòu)，設(shè)備的工作頻率為1KHz～100KHz。

2.1 準(zhǔn)確可靠的過零軟開關(guān)IGBT逆變

高頻感應(yīng)加熱電源一般均采用諧振軟開關(guān)控制，可以大為降低IGBT開關(guān)損耗，且實現(xiàn)自動跟蹤諧振頻率。

有的產(chǎn)品直流側(cè)沒有IGBT斬波電路，這是一種軟開通硬關(guān)斷電路，或者是帶緩沖的硬關(guān)斷電路。這種電路的關(guān)斷損耗較大。采用直流側(cè)IGBT斬波電路后，可以實現(xiàn)完全的軟開通軟關(guān)斷，并將開通損耗和關(guān)斷損耗均降至最低。

傳統(tǒng)控制電路采用鎖相環(huán)跟蹤系統(tǒng)諧振頻率，但諧振頻率較高時，影響頻率跟蹤的離散參數(shù)比較突出，頻率較高時，鎖相環(huán)精度不夠，容易出現(xiàn)脫離軟開關(guān)的狀態(tài)，因此開關(guān)損耗增大，嚴(yán)重時導(dǎo)致IGBT損壞。

舉例說明：如果在信號傳輸回路中產(chǎn)生1uS的誤差，高頻狀態(tài)下就會產(chǎn)生非常大的開關(guān)損耗，如輸出頻率為40KHz，輸出電流180A RMS時，1uS的時間加上0.75uS的死區(qū)時間的實際角度為25.2度，此時硬開關(guān)電流為108A，查IGBT性能曲線表，在40KHz的開關(guān)頻率下，IGBT損耗將在1200W左右，與準(zhǔn)確的軟開關(guān)相比，損耗增加1倍以上，因此，在這種情況下，IGBT容易損壞。

因此，提高控制的準(zhǔn)確度是保證IGBT安全運行的前提條件。

新型高頻感應(yīng)加熱電源采用DSP進(jìn)行跟蹤控制，憑借DSP的快速處理能力，可根據(jù)不同工況進(jìn)行跟蹤補償，使系統(tǒng)準(zhǔn)確度大幅度提高，諧振頻率和相位的跟蹤誤差大為降低。此外，系統(tǒng)采用的快速IGBT驅(qū)動電路也有助于更準(zhǔn)確快速的高頻軟開關(guān)電路的實現(xiàn)。

2.2 DSP運行控制

在新型高頻感應(yīng)加熱電源中，DSP的作用舉足輕重，不但要保證準(zhǔn)確可靠的過零開關(guān)IGBT逆變，還有比較多的事務(wù)需實時處理：采集各種信號用于控制；顯示操作界面處理；提供各種運行控制方式；在各種工況下均保證完善的限制保護(hù)措施；用戶接口，包括通訊的處理；參數(shù)設(shè)置、事件和事故的管理。

因此，合理分配資源，制定一定的優(yōu)先級別，才能保證各項任務(wù)有序地執(zhí)行。

2.3 提高控制電路抗EMI能力

雖然IGBT工作在過零開關(guān)狀態(tài)，但高頻工作時，仍需盡量提高IGBT開關(guān)速度，降低損耗，因此電路的dv/dt和di/dt均很高，其電磁干擾很大。微處理器電路和快速信號處理電路對電磁干擾也相當(dāng)敏感，快速準(zhǔn)確的頻率與相位跟蹤也對EMI提出更高要求。因此，在高頻感應(yīng)加熱電源中，尤其對于全數(shù)字式產(chǎn)品，提高控制電路的抗EMI能力是系統(tǒng)穩(wěn)定運行的保障。

3 各種類型感應(yīng)加熱電源產(chǎn)品性能比較

項目 電子管式 晶閘管式 MOSFET式 IGBT式綜合可靠性 較低 一般 較高 較高裝置效率（包括變壓器）50%以下 90%左右 90%左右 95%左右功率因數(shù) 較高 較低 較高 高維護(hù) 復(fù)雜 較復(fù)雜 較簡單 簡單適用場合頻率100KHz以上頻率5KHz以下,大功率頻率500KHz以下,小功率頻率1-100KHz，功率0-1000KW各種場合

4 結(jié)論

傳統(tǒng)感應(yīng)加熱電源產(chǎn)品存在損耗大、功率因數(shù)低、系統(tǒng)故障多、運行可靠性不高等缺陷。

新型數(shù)字式IGBT逆變感應(yīng)加熱電源通過采取IGBT軟開關(guān)等措施降低系統(tǒng)損耗，提高了效率；通過采用DSP實現(xiàn)全數(shù)字式控制，不僅提高了系統(tǒng)跟蹤和控制準(zhǔn)確度，而且系統(tǒng)的可靠性和先進(jìn)性也得以提高；通過直流側(cè)IGBT斬波電路結(jié)構(gòu)，不僅實現(xiàn)了逆變IGBT的過零開通和過零關(guān)斷，而且提高了裝置的功率因數(shù)。

[1]王兆安，劉進(jìn)軍主編.電力電子技術(shù)[M].5版.機(jī)械工業(yè)出版社，2009-7-1.

[2]黃俊，王兆安編.電力電子變流技術(shù)[M].3版.機(jī)械工業(yè)出版社，2011-8-1.

[3][澳]霍姆斯（Holmes,D.G.），[美]利波（Lipo,T.A.）著.電力電子變換器PWM技術(shù)原理與實踐周克亮，譯.人民郵電出版社，2010-01-25.