【摘要】中頻電源已廣泛應(yīng)用于工業(yè)加熱領(lǐng)域。文章結(jié)合實(shí)際討論了一種新型IG-BT感應(yīng)加熱電源主電路結(jié)構(gòu)及工作原理，該電源采用成熟的變頻技術(shù)，由全控型器件構(gòu)成串聯(lián)諧振式逆變電路，解決了工頻加熱效果差和浪費(fèi)電能等問題，具有功率調(diào)節(jié)范圍寬、頻率變化小的優(yōu)點(diǎn)，適用于中小功率系統(tǒng)。

【關(guān)鍵詞】中頻電源 感應(yīng)加熱 逆變 串聯(lián)諧振

1 概述

工頻加熱技術(shù)與其它各種物理加熱技術(shù)相比，確實(shí)具有較高的效率，但存在一些明顯的不足，在現(xiàn)代工業(yè)的金屬熔煉、熱處理、焊接等過程中，感應(yīng)加熱被廣泛應(yīng)用。感應(yīng)加熱是根據(jù)電磁感應(yīng)原理利用工件中渦流產(chǎn)生的熱量進(jìn)行加熱的，它加熱效率高、速度快、可控性好，易于實(shí)現(xiàn)高溫和局部加熱。隨著電力電子技術(shù)的不斷成熟，感應(yīng)加熱技術(shù)得到了迅速發(fā)展。本文設(shè)計(jì)的100kW／2500Hz中頻感應(yīng)加熱電源采用IGBT串聯(lián)諧振式逆變電路，能夠?qū)崿F(xiàn)頻率自動(dòng)控制，電路結(jié)構(gòu)簡單，無有害氣體排放，高效節(jié)能。

2 工作原理

整流電路采用可控的三相半橋整流，逆變器采用單相全控逆變，系統(tǒng)上電后，三相交流電經(jīng)過整流，通過電阻限流給濾波電容充電，經(jīng)延時(shí)后輸出脈沖信號(hào)將IGBT觸發(fā)導(dǎo)通，啟動(dòng)系統(tǒng)工作。系統(tǒng)啟動(dòng)后以固有頻率2500Hz產(chǎn)生移相控制信號(hào)使系統(tǒng)工作，微處理器產(chǎn)生的移相信號(hào)控制IGBT功率器件的導(dǎo)通與關(guān)斷，通過對(duì)輸出電流相位的檢測(cè)，并在輸出側(cè)串無感電容與負(fù)載實(shí)現(xiàn)諧振，使裝置的輸出效率最高，根據(jù)溫度的設(shè)定值和溫度的檢測(cè)值進(jìn)行閉環(huán)控制，調(diào)整移相角，改變逆變器的輸出電壓實(shí)現(xiàn)溫度的準(zhǔn)確控制。

3 主電路的設(shè)計(jì)

中頻電源采用三相半橋式整流電路，它的輸出電壓調(diào)節(jié)范圍大而移相控制角的變化范圍小，有利于系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)，輸出電壓的脈動(dòng)頻率較高可以減輕直流濾波環(huán)節(jié)的負(fù)擔(dān)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，額定輸出功率P=100kW，輸出頻率f=2500Hz，進(jìn)線電壓為380V。

考慮沖擊電流和安全系數(shù)，實(shí)取額定電壓以800V，額定電流200A的整流模塊，在主電路的直流側(cè)串入了一個(gè)電阻并且與之并聯(lián)了一個(gè)IGBT，當(dāng)系統(tǒng)剛啟動(dòng)時(shí)由于電容電壓為零，對(duì)瞬態(tài)的啟動(dòng)電容相當(dāng)于短路，這樣就會(huì)使得啟動(dòng)電流過高對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生危害，在接入電阻后可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的軟啟動(dòng)，系統(tǒng)上電后通過電阻對(duì)電容充電使電容電壓逐漸升高，當(dāng)電容電壓達(dá)到一定值時(shí)觸發(fā)導(dǎo)通IGBT，切除電阻。系統(tǒng)軟啟動(dòng)有效的抑制了啟動(dòng)電流過大對(duì)系統(tǒng)造成的危害，缺點(diǎn)是降低了啟動(dòng)的速度。

逆變電路是由全控器件IGBT構(gòu)成的串聯(lián)諧振式逆變器，兩組全控器件TR1、TR3、TR5和TR2、TR4、TR6交替導(dǎo)通，輸出所需要的交流電壓。在電路的直流側(cè)，電解電容C1主要起濾波、穩(wěn)定電壓和改善功率因數(shù)的作用，在串聯(lián)諧振電路中相當(dāng)于電壓源，在每只電解電容兩端并聯(lián)上均壓、放電電阻，另外，由于串聯(lián)諧振式逆變器的直流電源回路必須流過無功電流，該無功電流隨逆變器的輸出功率因數(shù)減小而增大，而電解電容C1中不能流通高頻無功電流，否則會(huì)發(fā)熱損壞，高頻電容的選擇一般根據(jù)逆變器的工作頻率和容量大小來確定，電路中選用2.5 uF／850V的金屬化聚丙烯膜電容直接并在IGBT的兩側(cè)，對(duì)于該逆變器比較典型的控制方式是采用移相控制，移相控制方式兩個(gè)半橋電路各自按照180度方波控制(上下兩個(gè)橋臂互補(bǔ)通斷)，但兩半橋的控制方波在相位上相差一定角度t(0

4 IGBT的保護(hù)

主電路中由功率器件開關(guān)而引起的浪涌電壓不能忽視，主電路的正確設(shè)計(jì)，盡可能的減少由分布電感產(chǎn)生的浪涌電壓是逆變器成功與否的關(guān)鍵，對(duì)大功率電路而言，所用的器件體積較大，因此主電路如果采用平面結(jié)構(gòu)，則往往難以使分布電感減小到安全的程度，本電源采用立體電路結(jié)構(gòu)，這樣分布電感可以減小到最低程度，由于IGBT模塊的過載能力很弱，在逆變器中必須加IGBT模塊的保護(hù)電路，一般有過電壓保護(hù)電路與過電流保護(hù)電路兩部分。

過電壓保護(hù)電路又稱為電壓吸收電路，直接并接在IGBT模塊的CE極，其目的是吸收在IGBT模塊關(guān)斷時(shí)出現(xiàn)CE在兩極的浪涌電壓。

(1)、(2)適合小功率電路，(3)適合于中等功率電路，(4)適合于大功率應(yīng)用，吸收效果比較好。

過電流保護(hù)電路的作用是防止負(fù)載短路或過載以及同臂的功率管直通時(shí)功率管的過流損壞，系統(tǒng)采用霍爾器件設(shè)置在直流輸入電路的電容器與IGBT模塊的C極之間。既可檢測(cè)出負(fù)載的過流或短路，又可檢測(cè)出同臂功率器件的直通，其檢測(cè)出的信號(hào)通過控制電路關(guān)斷IGBT模塊的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，從而達(dá)到保護(hù)IGBT模塊的目的。

5 IGBT的控制

控制電路包括功率輸出控制和逆變驅(qū)動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生等部分。輸出控制采用脈寬調(diào)制控制技術(shù)(PWM)，通過調(diào)節(jié)逆變器驅(qū)動(dòng)脈寬來調(diào)節(jié)輸出的準(zhǔn)方波脈寬，改變電流基波幅值，達(dá)到調(diào)功目的。由數(shù)字電路產(chǎn)生的四路移相PWM脈沖，不能直接驅(qū)動(dòng)大功率器件，為確保功率管的開關(guān)準(zhǔn)確可靠，驅(qū)動(dòng)放大電路采用驅(qū)動(dòng)專用集成電路M57962或KA962，它采用+15V、-15V雙電源供電，外圍元件少，具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力。

在逆變電路工作時(shí)，對(duì)控制電路的電源線、地線及信號(hào)線都將產(chǎn)生強(qiáng)烈的干擾，這主要是在功率器件關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的浪涌電壓脈沖耦合而造成的驅(qū)動(dòng)電路布線，對(duì)防止?jié)撛诘恼袷?、減慢柵極電壓的上升、減小噪聲、降低驅(qū)動(dòng)電源功耗有很大影響，因此，設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路布線時(shí)，要正確放置驅(qū)動(dòng)板或屏蔽柵極驅(qū)動(dòng)電路，防止功率電路和控制電路之間的電感耦合，并在源極之間并聯(lián)電阻來提高柵極抗干擾能力。

6 結(jié)束語

上述方法設(shè)計(jì)的中頻電源采用絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)，其單管容量超過電子晶體管(GTR)，中頻特性優(yōu)于可控硅(SCR)，電路結(jié)構(gòu)簡單。作為感應(yīng)加熱電源有利于改進(jìn)加熱質(zhì)量，提高裝置的加熱效率，而且可以減少熔煉過程中有害氣體的排放。