1T非真空感應爐電氣調試與故障分析

王海明，孫立紅，馮小雷，劉海峰，張燦

（河鋼集團鋼鐵技術研究總院，河北 石家莊 050000）

1T非真空感應爐電氣調試與故障分析

王海明，孫立紅，馮小雷，劉海峰，張燦

（河鋼集團鋼鐵技術研究總院，河北 石家莊 050000）

基于IGBT的非真空中頻電源在感應爐冶煉中具有工作效率高、運行穩定和節能等特點，但是當中頻電源與爐體參數設計不合理會導致設備在使用過程中出現很多問題。針對IGBT中頻電源在使用過程中屢次出現的問題進行追蹤分析。通過對IGBT工作特性和其外圍保護電路功能的基本分析，進行故障排查處理。

中頻感應；IGBT；驅動電路

基于IGBT功率器件設計的中頻電源隨著產品成熟度的不斷提高，已基本解決該類型產品發展初期積累的各種問題，但隨著對產品性能要求的不斷提高，伴隨新型電子器件的植入又出現一些新的問題。以我單位使用的非真空感應爐IGPS-700-IS型中頻電源設備為例，頻繁出現故障。現針對該設備進行綜合分析，通過對IGBT控制電路和驅動電路對比，同時結合故障現象對冶煉過程中出現的故障進行排查處理。

1 系統組成

非真空感應爐中頻電源可分為整流單元和逆變單元兩部分，整流單元原理如圖1所示。圖1中的主回路器件是可控硅、二極管和電抗器，（R視為具有一定內阻消耗的逆變單元）。L1、L2、L3是中頻電源380VAC/50Hz進線的接線端，在整流橋前段安裝有電流檢測裝置，通過三相半橋式整流，整流側輸出電壓為580V。圖2逆變單元A、B兩點是接在圖1中R兩側的（因為R等效于圖2逆變單元的內阻），當電流通過圖1整流單元之后給圖2電容器組兩端蓄壓，電壓到580V時滿足逆變啟動條件，這時電源柜可正常啟動工作。

圖1 整流單元電氣原理圖

2 故障原因分析及處理

如圖3所示，為保證IGBT正常工作且不被突然增高的電流或電壓擊穿損壞，在設計時就要選擇合適的電路參數，特別是對IGBT模塊本身要設計外圍保護電路。一般來說，IGBT模塊常用保護電路有過流保護和過壓保護兩種。過流保護一般由于電路中短路引起，當電路中發生短路時，IGBT集電極，電流急劇增加并超過額定值，同時IGBT集電極—發射極電壓Uce的上升，IGBT功率損耗增加。若IGBT這種狀態下運行較長時間則可能因溫度過高而燒毀。過壓保護一般指IGBT關斷時的浪涌電壓抑制。

IGBT關斷速度很快，在關斷或其反并二極管反向恢復時會產生很高的 di/ dt，IGBT內部引線或外部引線存在寄生電感，將引起很高的 Ldi/ dt 電壓，即關斷浪涌電壓。當該電壓超過IGBT的正向耐壓值時將造成IGBT過壓擊穿。

圖3 IGBT電氣原理圖

2.1 故障現象一及解決辦法

當中頻電壓運行到1600V時，中頻電源內部電抗嗡嗡聲增大輕微抖動，發出特別大的非正常的顫抖聲，電源柜中發出脈沖式沖擊聲，判斷沖擊聲是由圖1中的電抗器發出，提高功率到中頻電壓1800V左右設備停止運行，驅動板輸出保護信號。

以上故障現象可大致反映出在逆變回路中既存在過電流又存在過電壓的情況。功率無法提升且到固定電壓值時圖1中的電抗器工作出現異常，可以判斷出在該工作點逆變回路中有元器件放電，經檢查感應圈并無放電痕跡，據此判斷主回路中的諧振電容器損壞造成諧振電容器內部耐壓值下降至1800以下，在續壓過程中每當電壓升高到1600V左右時內部極板間放電產生浪涌電壓沖擊IGBT模塊，IGBT模塊保護電路檢測到過壓信號關斷IGBT模塊。經檢查設備停止運行時中頻電源輸出功率尚不到總功率的50%，用示波器監視發現主回路中頻電流亦未突變，所以排除IGBT模塊過流保護動作可能。

為解決此現象，特將圖2中電容器組中的6枚RFM3．0-1500-1S 型 電 容 器 更 換 為 4 枚 IGCW3．2-4500-0．8型電容器，更換諧振電容器組后以上現象消失。據此說明圖2中電容器組中個別電容器存在內部放電現象的推斷是正確的，此基礎上我們還增大了電容器組的容量，以圖2所示主回路中的感應圈和電容器組能有效的構建起諧振電路。

2.2 故障現象二及解決辦法

個別諧振電容存在內部放電現象解決后設備能工作在中頻電壓2200V以下，但是當中頻電壓達到2300V時，IGBT驅動模塊輸出保護信號，設備停止運行。

如圖3所示IGBT電路，中頻電源正常運行時，IGBT工作在正常或飽和狀態，IGBT模塊工作在正偏電壓狀態，一般對于IGBT的正偏電壓Vge值為+15V正負10%。如果最大值+Vgs過高，可能導致柵極與發射極之間擊穿。當IGBT關斷時，IGBT工作在反偏電壓狀態，Vge值為-15V正負10%，反偏電壓Vge對IGBT的關斷極其重要。Vge越大，關斷時間越短，關斷損耗越小，但會產生更高的浪涌電壓。改變柵極串聯的驅動電阻Rg的數值可以改變IGBT導通關斷特性，所以當Rg數值設計不合理時在IGBT反向續流二極管關斷期間，施加了C-G間的di/dt與dv/dt，可引起柵極電路有電流流過，柵極電阻上產生電壓，或在柵極驅動電路產生震蕩。以上故障現象其中一個重要原因就是IGBT柵極電阻Rg數值設計與其它系統參數不匹配，使得IGBT模塊在工作過程中產生過壓或過流擾動信號，致使IGBT驅動電路板保護信號誤動作。

如圖2，據以上分析我們將逆變模塊中的英飛凌FZ400R12KE3型IGBT更換為富士IGBT612型IGBT，驅動由POWER-SEM的PSHI27型IGBT驅動更換為POWER-SEM的PSPC 620P-S17型驅動及PURE S17-1200驅動付板的組合。更換后該故障消失，設備正常運行。如圖3所示，更換加在-Rg端的驅動保護電路后設備故障消失且運行良好，說明IGBT和驅動保護電路的選型搭配對設備性能的優劣來說至關重要。

3 結語

從整改效果來看，這套中頻電源性能穩定，再未出現過中頻顫音，主回路放電以及驅動頻繁保護的故障。更換IGBT模塊增強主回路通流能力，同時增大電容器組容量也使設備加熱能力大幅提升，使設備能夠大功率加熱，鋼水溫度得以快速提升。

[1]喬恩明．現代中頻電源工程設計與調試技術[M]． 北京:中國電力出版社．

[2]吳耀輝．IGBT高頻開關電源的故障分析及處理[J]．電力電子,2009．

[3]大何秀華．功率IGBT驅動電路的設計[J]．電子工程師,2008,34,9．

[4]王永．一種簡單的IGBT驅動和過流保護電路[J]．電測與儀表，2004,04．

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1671-0711（2017）10（下）-0072-02