新型高效数字式IGBT逆变感应加热电源

2012-02-01张勇

科技传播 2012年11期

张勇

西部超导材料科技术有限公司制造五厂，陕西西安 710018

0 引言

感应加热电源广泛应用于金属热处理、淬火、透热、熔炼、焊接、热套、电真空器件去气加热、半导体材料炼制、塑料热合、烘烤和提纯等场合，利用在高频磁场作用下产生的感应电流引起导体自身发热而进行加热。感应加热与气体燃烧加热或者通电加热相比，具有显著节能、非接触、速度快、效率高、工序简单、容易实现自动化等显著优点。

感应加热电源主要由逆变器、谐振单元、变压器和感应器组成。其中逆变器是一个交-直-交的变流器，将工频交流电能变换成为几千至几百千赫兹的高频电能。谐振单元和变压器一端连接逆变器，另一端连接感应器，将高压变成隔离的低压并进行阻抗匹配。加热时，感应器中流过强大的高频电流，在导体内产生感应电流，因此导体迅速被加热。

1 目前产品普遍存在的问题及原因

虽然采用IGBT取代晶闸管和电子管已经取得了很大的进步，但目前大多数生产厂商研制生产的感应加热电源设备仍然存在一些普遍问题，这些问题主要表现为：效率较低、电能和冷却水消耗大；功率元件IGBT容易损坏；输出变压器容易损坏；冷却水回路故障较多；功率因数较低、谐波污染大；设备可靠连续运行性能欠佳。

2 新型数字式IGBT逆变感应加热电源的关键技术

一种新型高频感应加热电源主回路如下图所示，该产品为全数字式控制结构，在中央处理器DSP的控制下，功率器件IGBT工作在零电流开关状态；且直流侧也采用IGBT斩波电路，这有效提高了设备功率因数、减少输入谐波；此外，该产品通过多种措施降低系统损耗、提高效率，使得设备可以采用全空冷结构，并消除设备来自水系统的故障；基于这种结构，设备的工作频率为1KHz～100KHz。

2.1 准确可靠的过零软开关IGBT逆变

高频感应加热电源一般均采用谐振软开关控制，可以大为降低IGBT开关损耗，且实现自动跟踪谐振频率。

有的产品直流侧没有IGBT斩波电路，这是一种软开通硬关断电路，或者是带缓冲的硬关断电路。这种电路的关断损耗较大。采用直流侧IGBT斩波电路后，可以实现完全的软开通软关断，并将开通损耗和关断损耗均降至最低。

传统控制电路采用锁相环跟踪系统谐振频率，但谐振频率较高时，影响频率跟踪的离散参数比较突出，频率较高时，锁相环精度不够，容易出现脱离软开关的状态，因此开关损耗增大，严重时导致IGBT损坏。

举例说明：如果在信号传输回路中产生1uS的误差，高频状态下就会产生非常大的开关损耗，如输出频率为40KHz，输出电流180A RMS时，1uS的时间加上0.75uS的死区时间的实际角度为25.2度，此时硬开关电流为108A，查IGBT性能曲线表，在40KHz的开关频率下，IGBT损耗将在1200W左右，与准确的软开关相比，损耗增加1倍以上，因此，在这种情况下，IGBT容易损坏。

因此，提高控制的准确度是保证IGBT安全运行的前提条件。

新型高频感应加热电源采用DSP进行跟踪控制，凭借DSP的快速处理能力，可根据不同工况进行跟踪补偿，使系统准确度大幅度提高，谐振频率和相位的跟踪误差大为降低。此外，系统采用的快速IGBT驱动电路也有助于更准确快速的高频软开关电路的实现。

2.2 DSP运行控制

在新型高频感应加热电源中，DSP的作用举足轻重，不但要保证准确可靠的过零开关IGBT逆变，还有比较多的事务需实时处理：采集各种信号用于控制；显示操作界面处理；提供各种运行控制方式；在各种工况下均保证完善的限制保护措施；用户接口，包括通讯的处理；参数设置、事件和事故的管理。

因此，合理分配资源，制定一定的优先级别，才能保证各项任务有序地执行。

2.3 提高控制电路抗EMI能力

虽然IGBT工作在过零开关状态，但高频工作时，仍需尽量提高IGBT开关速度，降低损耗，因此电路的dv/dt和di/dt均很高，其电磁干扰很大。微处理器电路和快速信号处理电路对电磁干扰也相当敏感，快速准确的频率与相位跟踪也对EMI提出更高要求。因此，在高频感应加热电源中，尤其对于全数字式产品，提高控制电路的抗EMI能力是系统稳定运行的保障。

3 各种类型感应加热电源产品性能比较

项目电子管式晶闸管式 MOSFET式 IGBT式综合可靠性较低一般较高较高装置效率（包括变压器）50%以下 90%左右 90%左右 95%左右功率因数较高较低较高高维护复杂较复杂较简单简单适用场合频率100KHz以上频率5KHz以下,大功率频率500KHz以下,小功率频率1-100KHz，功率0-1000KW各种场合