IGBT電源在電鍍錫行業(yè)的應(yīng)用

韋耀東

（海南海協(xié)鍍錫原板有限責(zé)任公司，海南 澄邁 571924）

0 引言

鍍錫板具有良好的耐腐蝕性、可焊性以及錫所特有的美好外觀，被廣泛應(yīng)用于食品罐頭、醫(yī)藥品、工藝品以及化工產(chǎn)品包裝等。在電鍍錫生產(chǎn)工藝中，需要大量的大功率整流直流電源，用于鋼板的堿洗、電鍍、清洗以及鈍化等工序，因此，選擇高效節(jié)能的整流電源符合節(jié)能減排、降低生產(chǎn)成本和綠色環(huán)保的要求。

1 可控硅及IGBT高頻開關(guān)電源

1）傳統(tǒng)可控硅整流電源。傳統(tǒng)可控硅整流電源由整流變壓器、可控硅及負載等組成三相橋式全控整流電路，其電路圖如圖1所示。

由于存在變壓器損耗、可控硅損耗以及存在高次諧波等原因，傳統(tǒng)可控硅整流電源效率不高，功率因素較低。

2）IGBT 高頻電源開關(guān)。IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor），稱為絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT（雙極型三極管）和MOS（絕緣柵型場效應(yīng)管）組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式功率半導(dǎo)體器件,其兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點，其等效電路如圖2所示。

圖1 三相橋式全控整流電路的原理圖

由圖2可知，若在IGBT的柵極和發(fā)射極之間加上驅(qū)動正電壓，則MOSFET導(dǎo)通，這樣PNP晶體管的集電極與基極之間成低阻狀態(tài)而使得晶體管導(dǎo)通；若IGBT的柵極和發(fā)射極之間電壓為0 V，則MOSFET截止，切斷PNP晶體管基極電流的供給，使得晶體管截止。IGBT導(dǎo)通損耗極低，發(fā)熱量極低。

2 可控硅及IGBT高頻開關(guān)電源比較及原理

與可控硅整流電源相比，IGBT高頻開關(guān)電源，具有以下優(yōu)點：

1）由于沒有笨重的整流變壓器，IGBT電源設(shè)備體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊。

圖2 IGBT等效電路

2）電源效率高，能耗小。輸入功率=輸出功率+發(fā)熱損耗+其他微小損耗（可忽略）。也就是說，如果需要同樣輸出功率的前提下，發(fā)熱損耗必將直接影響整流器的節(jié)能效果。排除兩者都有的整流管發(fā)熱損耗，那么可控硅整流器發(fā)熱主要包含可控硅本身以及工頻變壓器這兩部件的損耗，IGBT高頻變壓器發(fā)熱主要包含IGBT管以及高頻變壓器發(fā)熱損耗。

a.IGBT管與可控硅發(fā)熱損耗。IGBT本身具有低導(dǎo)通及低開關(guān)損耗，因此，IGBT發(fā)熱量相對會很低。而任何可控硅都存在電壓降，電流越大，損耗越大；

b.變壓器部件損耗。變壓器計算公式為V=4.44fsBN。

表1 1#鍍錫線整流電源

表2 2#鍍錫線整流電源

式中：V為輸入電壓，f為工作頻率，s為磁芯磁通面積，B為磁場強度，N為線圈圈數(shù)。

低頻時B=1.0～1.5，高頻B=0.3時，另外低頻的s比高頻的s大17倍左右，即對于相同的輸入電壓，N主要受頻率f的影響，而IGBT高頻整流器的工作頻率會達到25-40 kHz，可控硅工頻變壓器頻率為50 Hz，因此，輸出同樣功率的前提下，N會存在數(shù)量級的差別，銅損和鐵損也都會有數(shù)量級的差別，而銅損與鐵損為變壓器的主要損耗。因此IGBT高頻整流器所產(chǎn)生的熱量會比可控硅整流器低很多。

3）IGBT高頻開關(guān)電源輸出紋波系數(shù)低。紋波是指經(jīng)整流后殘留在直流電上的交流成分，而紋波系數(shù)就是指輸出波形中交流成分與直流成分的比值。紋波系數(shù)對電鍍的影響是最直接的，影響到鍍層外觀、亮度、均勻性等方面，紋波系數(shù)越高，其鍍層光亮范圍變窄，發(fā)花，發(fā)灰。與普通整流電源相比，IGBT高頻電源輸出波形質(zhì)量更佳，具有加工效率高，鍍錫層均勻，結(jié)晶更加致密，美觀，光亮度好等優(yōu)點。

4）實例分析：表1為海南海宇錫板工業(yè)有限責(zé)任公司生產(chǎn)現(xiàn)場測量得到的1#鍍錫生產(chǎn)線可控硅整流電源數(shù)據(jù)；表2為海南海宇錫板工業(yè)有限責(zé)任公司生產(chǎn)現(xiàn)場測量得到的2#鍍錫生產(chǎn)線IGBT高頻開關(guān)整流電源數(shù)據(jù)。

通過表1和表2實測數(shù)據(jù)對比可知，可控硅整流電源損耗高，效率低下，其效率甚至達不到60%，而IGBT高頻開關(guān)電源，效率能達到90%，甚至更高，取決于負載電流大小。即IGBT整流電源比傳統(tǒng)可控硅整流電源節(jié)能30%以上。海南海宇錫板工業(yè)有限責(zé)任公司2#鍍錫線裝有2臺8000A25VDC正反換向堿洗電源，20臺7000A20VDC電鍍電源，2臺4000A50VDC清洗電源，2臺1000A90VDC鈍化電源，整流電源輸出總功率高達3780 kW，按照300天/年，設(shè)備負荷率80%計算，年節(jié)省電量為：

即通過使用IGBT電源，海宇公司年節(jié)電600萬kW·h以上，經(jīng)濟效益極其明顯。

3 結(jié)語

海南海宇錫板工業(yè)有限責(zé)任公司1#鍍錫線由于建廠時間較早，采用可控硅整流電源，2#鍍錫線于2009年擴建，采用IGBT高頻開關(guān)電源。從實際使用過程來看，IGBT高頻開關(guān)電源運行安全、穩(wěn)定、可靠，設(shè)備性能、技術(shù)水平先進，有著極好的節(jié)能效果，同時通過使用IGBT高頻開關(guān)電源，有效地提高了產(chǎn)品品質(zhì)，達到了節(jié)能減排、降低生產(chǎn)成本的目的，有力地促進了企業(yè)在市場競爭中的優(yōu)勢地位。

［1］ 趙良炳.現(xiàn)代電力電子學(xué)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，

［2］ 周明寶，瞿文龍.電力電子技術(shù)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，

［3］ 張立.現(xiàn)代電力電子技術(shù)［M］.北京：科學(xué)出版社，