感应加热用IGBT超音频电源

2006-05-07 15:49:48来源: 电源技术应用

1 引言

感应加热是将工件直接加热,它具有效率高,作业条件好,温度容易控制,金属烧损小,无需预热等优点。

传统的感应加热设备应用的电力电子器件是电子管和快速晶闸管。电子管电压高,稳定性差,幅射强,效率低,已经到了淘汰的边缘,但它频率高,功率大,所以在市场上仍有一席之地。快速晶闸管是目前应用的主力军,它耐压高,电流大,抗过流、过压能力较强。但它只能工作在10000Hz以下,这使其使用范围受到了限制。

IGBT是一种复合功率器件,它集双极型功率晶体管和功率MOSFET的优点于一体,具有电压型控制,输入阻抗大、驱动功率小,控制电路简单,开关损耗小,通断速度快,工作频率较高,元件容量大。它不仅达到了晶闸管不能达到的频率(60kHz以上),而且正在逐步取代快速晶闸管。国外1kHz~80kHz的感应加热已广泛应用IGBT,这是感应加热电源的发展方向。图1为国外各种功率器件的应用。

2 IGBT电源结构及工作原理

2.1 主电路采用并联谐振式逆变器,主电路如图2所示

电流源并联谐振逆变器具有负载适应性强,抗负载短路能力强等优点,该设备的波形较好,有利于提高装置的效率和可靠性。

主电路为三相全波不控整流加滤波,再经斩波后输入给逆变器。由于采用IGBT斩波频率较高(约为20kHz),输出波形较好,电抗器尺寸将可缩小为原来的1/3。

该装置的整流桥采用普通整流二极管,滤波电容为电解电容450V/1500μF,斩波IGBT及二极管为富士公司产品,平波电抗器为自制,逆变IGBT也是富士公司产品,谐振回路电容为特制的超音频电容器,功率输出变压器为自行设计生产。

2.2 斩波控制

斩波控制采用SG3525脉宽调制型控制器,SG3525是集成PWM控制器件,控制功能比较完备用于斩波十分合适,全推挽输出形式,其输出峰值为±500mA,电源电压为(8~35)V,内部设有欠压停止电路,当电压过低时,输出级截止。具有5.1V,温度系数±1%的基准稳压电源,误差放大器、振荡器频率为100Hz~400kHz(其值由外接电阻Rt,电容Ct决定)的锯齿波振荡器,软起动电路,同步电路,关闭电路,脉宽调制比较器,RS寄存器及保护电路。SG3525原理框图如图3所示。

2.3 逆变控制

IGBT为自关断器件,既可工作在容性又可工作在感性。然而工作在容性或感性都将引起电压或电流的毛刺,因此采用锁零电路,使电源基本上工作在谐振状况。在这种情况下,电压的正弦波和电流的方波(谐振回路上)都比较好,这不仅对减少开关损耗,增加器件寿命有重要意义,而且也减轻了阻容吸收的负担。

常见的他激转自激线路这里也没有选用,他激转自激,是指在低电压使用他激信号,随着电压的升高自动变为自激信号,这也就使它有一个缺点,当感应器换掉,他激和自激频率有差异时,就会产生电压上升过程中过流的现象。在我们的设备是将他激的固定频率发生器改进为变频的频率发生器,既从100kHz逐步变为10kHz,同时检测谐振电压,在谐振点时变自激并且过零触发,保证设备工作在零度。逆变线路控制框图如图4所示。

这种逆变控制方式既防止了他激转自激过程中的逆变失败,又防止了小信号下线路找不到自激频率情况。

2.4 IGBT驱动

IGBT可采用有源或无源两种驱动方式,无源驱动相对线路简单,但波形调整不是很方便,为此采用富士公司841这种线路,如图5所示,对于841很多文章有介绍,这里只提两个问题:

(1)在841保护时并未完全封锁脉冲,这给器件安全构成威胁,因此在过流输出和驱动信号输入之间加了一个RS触发器,在有过流输出时完全封锁驱动脉冲。

(2)841过流是检测IGBT在门极导通时CE间的电压,当超过6V延迟10μs则判断为过流。但实践中发现很多IGBT在CE间电压6V时已经损坏,因此我们在IGBT的C极和841的第6脚串一个3V稳压管,使841检测值由此6V降低为3V实践证明这样改进明显增加了841对过流判断的灵敏性,使线路不仅能正常的驱动元件而且在过流时能更有效的保护器件。

2.5 过流和过压的保护

(1)过流IGBT相对SCR来说抗过流能力比较弱,因此线路设计一定要保证IGBT的安全。主要靠两个办法:一个是841过流保护,但这种方式风险性较大,二是在电抗器和逆变桥输入之间串了一个电流传感器,当它的输出值超过预定值时,一方面封锁斩波脉冲,另一方面封锁逆变脉冲,这一措施使IGBT通过了负载短路实验的考验。

(2)过压在这种的谐振电路里主要有两种过压产生:1、随着负载电流和电压角度的增加,负载电压会越来越高,这会对器件构成威胁,解决的办法是逆变控制锁0度,另外在负载上加电压传感器检测电压的大小,当过大时加以控制。2、换流过程中的电压毛刺,这种现象主要靠加阻容吸收,值得注意的是逆变电路中的二极管也需要加阻容吸收,如图6所示。

3 应用举例

(1)某单位要求焊接空调压缩机贮液灌部件,如图7所示。

①③铜件,②钢件,要求焊接①~②及②~③连接处,焊接表面光亮而且要求基本不变型。

我们采用IGBT超音频20kW、40kHz电源,配合氮气保护成功地解决了这一问题。为了提高效率,采用一台电源同时匹配两台变压器的技术,依次完成每个部件两处焊接任务,每个焊接过程约定4~5秒时间,焊接表面光洁,无变型。

(2)熔炼白金

白金熔点为1800,相对比较难熔化,过去采用电子管电源,但它体积大,耗电高,难控制,在很多场合、尤其在实验室十分不合适,国外多采用固态电源,价格十分昂贵(约为国内产品的5~10倍),我们采用30kW/30kHzIGBT超音频电源成功地解决了这一问题,它具有体积小,熔化迅速,控制精度高,可靠耐用的优点。

(3)电冰箱压缩机外壳紫铜管钎焊

通常采用高频焊,某厂家现采用我厂生产的IGBT-20kW-20kHz型IGBT超音频电源,其主要优点:一是加热效率高,可达85%,发振均匀,加热迅速,达到了日本生产的HFB-303H-1A高周波钎焊设备T10型超音频电源的水平,为国家节省了大量外汇。

(4)滚柱轴承局部淬火(退火)

某厂的滚柱轴承要求表面局部淬火和局部退火,如图8所示。采用我厂生产的感应加热电源设备,经工艺试验,均取得圆满成功。特别值得一提的是:电子管高频电源周围有强大的电磁场辐射,如长期在这种环境工作,对操作员身体健康是有害的,而我厂研制的个IGBT超音频电源,由于输出电压、频率都比电子管高频电源低得多,经测定,周围辐射电磁场强度,均未超过国家规定标准,测定结果如表1所示。

表1电子管和IGBT电源的电场强度和磁场强度比较

  电场强度(V/m) 磁场强度(A/m) 运行参数
国家标准 20 5  
IGBT电源 5 4 f=25kHz Id=40A Ud=350V
电子管电源 75 80 f=193kHz Id=3A Ud=11500V

4 结语

据统计,我国现有100kW级高频电源一万余台,在各个生产领域运行,而且每年还新增近1000台电子管或晶闸管高频电源设备,浪费电能的情况十分严重。如果采用IGBT超音频电源不仅节能效果显著、效率高,而且保护环境。它的推广应用势必将产生巨大的经济效益和社会效益。

编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/power/200605/2126.html
本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。
论坛活动 E手掌握
微信扫一扫加关注
论坛活动 E手掌握
芯片资讯 锐利解读
微信扫一扫加关注
芯片资讯 锐利解读
推荐阅读
全部

小广播

About Us 关于我们 客户服务 联系方式 器件索引 网站地图 最新更新 手机版

站点相关: 安防电子 医疗电子 工业控制

北京市海淀区知春路23号集成电路设计园量子银座1305 电话:(010)82350740 邮编:100191

电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2016 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved