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(chǎng)合，利用在高頻磁場(chǎng)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(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等顯著優(yōu)點(diǎn)。

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(gè)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(shí)，感應(yīng)器中流過(guò)強(qiáng)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(wèn)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(wèn)題，這些問(wèn)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(yùn)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(kāi)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(guò)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(lái)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(guò)零軟開(kāi)關(guān)IGBT逆變

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

有的產(chǎn)品直流側(cè)沒(méi)有IGBT斬波電路，這是一種軟開(kāi)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(shí)現(xiàn)完全的軟開(kāi)通軟關(guān)斷，并將開(kāi)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(shí)，影響頻率跟蹤的離散參數(shù)比較突出，頻率較高時(shí)，鎖相環(huán)精度不夠，容易出現(xiàn)脫離軟開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，因此開(kāi)關(guān)損耗增大，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致IGBT損壞。

舉例說(shuō)明：如果在信號(hào)傳輸回路中產(chǎn)生1uS的誤差，高頻狀態(tài)下就會(huì)產(chǎn)生非常大的開(kāi)關(guān)損耗，如輸出頻率為40KHz，輸出電流180A RMS時(shí)，1uS的時(shí)間加上0.75uS的死區(qū)時(shí)間的實(shí)際角度為25.2度，此時(shí)硬開(kāi)關(guān)電流為108A，查IGBT性能曲線表，在40KHz的開(kāi)關(guān)頻率下，IGBT損耗將在1200W左右，與準(zhǔn)確的軟開(kāi)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(yùn)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(bǔ)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I(mǎi)GBT驅(qū)動(dòng)電路也有助于更準(zhǔn)確快速的高頻軟開(kāi)關(guān)電路的實(shí)現(xiàn)。

2.2 DSP運(yùn)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(guò)零開(kāi)關(guān)IGBT逆變，還有比較多的事務(wù)需實(shí)時(shí)處理：采集各種信號(hào)用于控制；顯示操作界面處理；提供各種運(yùn)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(hù)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(jí)別，才能保證各項(xiàng)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(guò)零開(kāi)關(guān)狀態(tài)，但高頻工作時(shí)，仍需盡量提高IGBT開(kāi)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(hào)處理電路對(duì)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(duì)EMI提出更高要求。因此，在高頻感應(yīng)加熱電源中，尤其對(duì)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(yùn)行的保障。

3 各種類(lèi)型感應(yīng)加熱電源產(chǎn)品性能比較

項(xiàng)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(jiǎn)單 簡(jiǎn)單適用場(chǎng)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(chǎng)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(yùn)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(guò)采取IGBT軟開(kāi)關(guān)等措施降低系統(tǒng)損耗，提高了效率；通過(guò)采用DSP實(shí)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(guò)直流側(cè)IGBT斬波電路結(jié)構(gòu)，不僅實(shí)現(xiàn)了逆變IGBT的過(guò)零開(kāi)通和過(guò)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(shí)踐周克亮，譯.人民郵電出版社，2010-01-25.