IGBT高频感应加热逆变电源原理

IGBT高频感应加热逆变电源原理（一）
摘要
本文以IGBT高频感应加热电源为研究对象，首先介绍了课题的背景，国内外高频感应加热电源的发展现状及选题意义，同时对电力电子器件的发展也做了简要的介绍，并简述了本课题所做工作的主要内容。

本文从感应加热的基本原理出发，对感应加热电源中的电流型逆变器和电压型逆变器作了比较分析，对感应加热电源常用的两种拓扑结构进行了分析，重点介绍了关于串联型感应加热的特点，由于其具有结构简单、加热效率高、设备体积小等优点，得出串联型逆变器拓扑更适合高频感应加热电源的结论，因此成为本课题的选定方案，也是整机制做的理论基础。

并分析了感应加热电源的各种调功方式，对谐振槽路基本理论进行了详细的分析。

整机制做首先要选择合适的器件，在本文对主要器件的参数、结构特性、驱动要求等进行了详细的说明。

在选择合适器件的基础上，设计出了整机的结构，其中包括整流环节、逆变环节、驱动技术、保护措施等。

在现场进行了大量的试验，选定电源的控制与保护等重要环节的实现方案，并对试验波形进行了测试和分析，通过现场的应用来验证了以上理论的正确性。

论文最后，对本课题所做的工作作了一个简单的总结。

第1章绪论
§1.1 选题意义
由于电磁感应加热具有加热效率高、升温快、可控性好，且易于实现机械化、自动化等优点，感应加热变频电源装置已越来越广泛的应用于熔炼、透热、淬火、弯管、焊接、加热等工业领域，已取得了明显的经济效益和社会效益。

感应加热变频电源装置的发展方向是沿着大容量、高频率、高效率、智能化，并以提高可靠性、拓宽用途为目标。

80年代出现的绝缘栅双极晶体管（IGBT）因具有开关频率高、驱动功率小、通态压降小、电流密度大等优点而得到越来越广泛的应用[1]。

在此之前，晶闸管中频电源和电子管式高频电源装置是应用于感应加热的主要产品，但它们都有体积庞大，价格昂贵，能耗大，效率偏低的共同缺点。

国外市场早在九十年代初就已出现IGBT感应加热变频电源。

随着IGBT制造和应用技术的不断发展，现在国外市场上已出现功率达五六百千瓦和频率高达80KHz的感应加热变频电源，能耗降低，使用效率高。

但因其价格昂贵，技术复杂，应用范围受到很大的限制。

目前我国国内的IGBT感应加热变频电源有中频（500Hz-10KHz）和高频（10K-50KHz）系列，而高频系列的感应加热变频电源仍以小功率为主导产品；80KW以上的大功率装置仍处于实验室研发阶段，市场主导产品仍然是电子管式高频电源装置。

目前国内市场的小功率IGBT感应加热变频电源在性能、价格以及可靠性和控制水平上都存在着许多方面的问题，与国外先进水平仍有相当距离的差别，有待我们去进一步研究与提高。

因此，我们有必要去开发具有实用价值的IGBT感应加热高频电源装置。

为了满足广大用户的实际需要，同时为达到国内先进水平，我们准备采用简单的电路控制技术、低廉的成本，制造和开发出具有广泛的应用范围、能耗低、使用效率高的IGBT感应加热高频电源装置。

当然，更大功率和更高频率IGBT感应加热高频电源装置的制造和开发仍有非常大的发展空间，有待我们进一步去研究和开发。

高频感应加热技术是二十世纪初发展起来的一项加热技术。

由于它具有加热速度快、材料内部发热和热效率高、加热均匀且有选择性、产品质量好、几乎无环境污染、易于实现生产自动化等一系列优点而得到迅速推广。

目前，这种加热技术在机床制造、汽车、拖拉机制造、轴承制造、量具刃具制造及一般机械零件制造中都得到了广泛应用，并且其应用范围日益扩大。

IGBT高频感应加热电源设备可比同类真空电子管式电源大幅度提高电能效率，明显降低冷却用水量，节水节能效果显著；装置体积小、无噪音、无污染，大大改善工作环境；同时可以替代国外进口电源设备，
为国家节约外汇资金。

随着科学技术的发展，传统的工频加热由于耗能高、重量大、体积笨重、加热性能差等缺点已不能满足各行各业的需要，因而急待研究开发性能更好的替代产品。

逆变电源体积小、重量轻、高效节能，具有优越的技术经济指标，因此成为感应加热行业最有前途的发展方向。

现代电力电子技术的不断发展为研制高频逆变加热电源奠定了基础。

基于以上讨论，本课题选择研制全固态高频感应加热电源，目的旨在进一步提高金属的加热处理和加工工艺。

§1.2 高频感应加热电源的发展和趋势
§1.2.1 电力电子器件的发展
1957年，美国研制出世界上第一只普通的(400Hz以下)反向阻断型可控硅，后称晶闸管(SCR)。

经过60年代的工艺完善和应用开发，到了70年代，晶闸管己形成从低压小电流到高压大电流的系列产品。

在这期间，世界各国还研制出一系列的派生器件，如不对称晶闸管(ASCR )、逆导晶闸管(RCT)、双向晶闸管(R-TlAC)、门极辅助关断晶闸管(GA TT)、光控晶闸管(LASCR)以及80年代迅速发展起来的可关断晶闸管(GTO)。

由晶闸管及其派生器件所构成的各种电力电子装置在工业应用中主要解决了传统的电能变换装置中所存在的能耗大和体积笨重的问题，因此电能的利用率大大地提高了，同时也使工业噪声得到一定程度的控制。

目前在internet上可以查到的高压大电流晶闸管有POWEREX推出的用于高压交流开关和静止无功发生器用的12000V/1500A的晶闸管（http：///）。

1948年美国贝尔实验室发明了第一只晶体管以来，经过20多年的努力，到了70年代，用于电力变化的晶体管(GTR)已进入工业应用领域，由于GTR具有自关断能力且开关速度可达20KHz，在PWM技术中一度得到了广泛的应用，并促使装置性能进一步提高和传统直流电源装置的革新，出现了所谓的“20千周革命”，但因功率晶体管存在二次击穿、不易并联以及开关频率仍然偏低等问题，它的应用受到了限制。

70年代后期，电力半导体器件在高频化进程中一个标志性器件，功率场效应晶体管(power MOSFET)开始进入实用阶段。

进入80年代，人们又在降低器件的导通电阻、消除寄生效应、扩大电压和电流容量以及驱动电路集成化等方面进行了大量的研究，取得了很大的进展。

功率场效应管中应用最广的是电流垂直流动结构的器件(VDMOS)。

它具有工作频率高(几十千赫至数百千赫，低压管可达兆赫)、开关损耗小、安全工作区宽（几乎不存在二次击穿问题）、漏极电流为负温度特性（易并联）、输入阻抗高等优点，是一种场控型自关断器件，是目前电力电子技术赖以发展的主要器件之一。

100A/1000V的VDMOS己商品化，研制水平达250A/1000V，其电流的容量还有继续增大的趋势。

尽管VDMOS器件的开关速度非常快，但其导通电阻与U2.5成正比，这就限制了它在高频中、大功率领域的应用。

80年代电力电子器件较为引人注目的成就之一就是开发出双极型复合器件。

研制复合器件的主要目的是实现器件的高压、大电流参数同动态参数之间的最合理的折中，使其兼有MOS器件和双极型器件的突出优点，从而产生出较为理想的高频、高压和大电流器件。

目前被认为最有发展前途的复合器件是绝缘栅双极型晶体管IGBT和MOS栅控晶闸管MCT(MOS controlled thyristor)。

IGBT于1982年在美国率先研制出样品，1985年开始投产。

目前最高电压己达4500V，最大电流可为1800A。

MCT是80年代后期出现的另一种比较理想的器件，目前研制水平为300A/2000V，1000A/1000V，最高电压达3000V。

80年代期间发展起来的静电感应晶体管SIT（static induction transistor)和静电感应晶闸管SITH(static induction thyristor)是利用门极电场强度改变空间电荷区宽度来开闭电流通道的原理研制成的器件。

§1.2.2 高频逆变电源的特点
和传统电源不同，高频逆变电源在电网侧直接整流为直流，然后经逆变桥变换为高频输出。

逆变电源具有优越的性能指标，主要优点包括：
一、重量轻、体积小，没有工频变压器，节约了铜铁等制造材料，提高了灵活机动性。

二、高效节能，具有较低的损耗和较高的功率因数。

三、性能优良，响应周期为微秒级，可以实现对无明火行为的控制，改善加热质量。

四、一机多用，可以在不改变主电路的条件下，采用电子控制电路，实现多功能化。

§1.2.3 高频逆变电源的发展和趋势
高频逆变电源的发展与电力电子技术和器件的发展密切相关，高频逆变式电源正是随着现代电力电子技术的发展而发展起来的。

感应加热技术从诞生至今，经过近百年的发展，取得了令人瞩目的成果，尤其是六十年代以后，固态电力电子器件的出现与发展，使感应加热技术和现代化生产的许多方面密切相关，发挥了很大的的作用，因此世界各国都十分关注感应加热技术的发展，并投入了相当的经济支持和技术力量。

目前传统的感应加热电源与固态感应加热电源取长补短，互补共存。

目前逆变式电源技术正朝以下方向发展：
一、沿20kHz的技术路线开发研制50kHz、100kHz级的逆变式电源。

二、探讨旨在降低电力电子器件开关功耗，提高开关频率的零电压、零电流开关(软开关)技术，其中包括电路拓扑结构和工程实现。

高频(1～10MHz)谐振开关技术，包括准谐振式和多谐振式零电压、零电流技术，是近10年来国际电力电子领域研究的热点。

目前在1～10MHz，实验室已达数百瓦水平；在100kHz 级达几千瓦水平。

高频谐振软开关技术只有在数百kHz以上才能充分显示其巨大的优越性，由于器件、材料和技术上的原因，在今后较长的一段时间内，高频逆变式电源依然以硬开关技术为主，但软开关技术也将愈来愈多地得到开发和应用[1]。

三、研制和生产大容量的逆变式电源。

为适应市场的需求，大功率、高频率逆变式电源已经引起越来越多人的关注，大量研发工作正在进行，而且容量还在不断增大。

四、研制和生产智能控制的逆变式电源。

为适应高质量、高性能和加热工作的市场需求，愈来愈多地研究开发和生产智能控制的逆变式电源，其中包括了波形控制和模糊控制技术，人工神经网络技术、自动跟踪技术等等。

采用波形控制和模糊控制技术的逆变式电源，在日本、美国、法国等国已有批量产品，我国已有研究开发成果和样机。

五、研究功率因数校正和减少电网谐振干扰。

目前串联逆变式电源的输入整流滤波单元均采用不可控二极管整流和大容量滤波电容，它会产生交变的严重非正弦化和窄脉冲电流，导致有的逆变器功率因数很低，如半桥式逆变器只有0.65左右。

随着逆变式电源的日益推广应用，电网谐振问题变得愈来愈严重，因而改善输入电流波形和提高功率因数已成为重要的课题，特别是对三相和中大功率的逆变式电源需要进一步开展功率因数校正和减少电网谐振波干扰的研究。

§1.2.4 我国逆变式电源发展所存在的问题
在高频逆变式电源的发展过程中，国外是以企业为主体的商品化开发，因此产品上市快而且技术报道少。

在国内主要是高等院校等研究机构推动了逆变式电源的发展，如浙江大学等单位做了很多工作。

以企业为主体的技术创新尚有差距。

从长远看，高频逆变式电源是发展方向，但是由于高频逆变式电源发展时间不长，所以技术还有待于完善。

由于逆变频率高，高频逆变式电源的调节范围大，工作在空载、负载和短路等不同状态下，环境条件恶劣，对设计提出了很高的要求，当前高频逆变式电源面临的主要问题是提高性能和改善可靠性。

事实证明，产品可靠性是占领市场的关键。

可靠性问题是系统工程问题，涉及许多技术因素，特别是在大功率高频逆变式电源中，开关器件承受的电流大、电压高，需要优良的开关器件及其相应的驱动保护电路和控制电路。

§1.2.5 国外感应加热技术现状
低频感应加热的特点是透热深度深、工件径向温差小，因此热应力小，工件变形小，比较适合大型工件的整体透热、大容量炉的熔炼和保温。

目前，在低频感应加热场合普遍采用传统的工频感应炉。

国外的工频感应加热装置可达数百兆瓦，用于数十吨的大型工件的透热或数百吨的钢水保温。

预计短期内，以固态器件构成的低频感应加热电源在功率容量、价格和可靠性方面还难以与简单的工频感应炉竞争，虽然其效率、体积和性能均优于工频炉。

在中频(150－10KHz)范围内，晶闸管感应加热装置已完全取代了传统的中频发电机组和电磁倍频器，国外的装置容量已达数十兆瓦。

在超音频(10－100KHz)范围内，早期基本是空白，晶闸管出现以后一度曾采用晶闸管以时间分割电路和倍频电路构成的超音频电源。

八十年代开始，随着一系列新型功率器件的相继出现，以这些新型器件（主要有GTO、GTR、MCT、IGBT、BSIT和SITH）构成的结构简单的全桥型超音频固态感应加热电源逐渐占据了主导地位，其中以IGBT应用最为普遍，这是因IGBT使用起来方便可靠，很受电路设计者的欢迎。

1994年日本采用IGBT研制出了1200KW/50KHz的电流型感应加热电源，逆变器工作于零电压开关状态，实现了微机控制。

西班牙在1993年也已经报道了3-600KW/100KHz的IGBT电流型感应加热电源，欧、美地区的其它一些国家，如英国、法国、瑞士等的系列化超音频感应加热电源也达数百千瓦[2]。

在高频(100KHz以上)领域，国外目前正处于从传统的电子管振荡器向固态电源的过渡阶段[3]。

以日本为例其系列化的电子管振荡器的水平为5－1200KW/100-500KHz，而其采用SIT的固态高频感应加热电源的水平可达400KW/400KHz，并且在1987年就己开始研制1200KW/200KHz的SIT电源。

欧美各国采用MOSFET的高频感应加热电源的容量正在突飞猛进，例如西班牙采用MOSFET的电流型感应加热电源的制造水平可达600KW/200KHz，德国的电子管高频电源水平约为110KW，而其在1989年研制的电流型MOSFET感应加热电源的容量已达480KW/50-200KHz。

§1.2.6 国内感应加热技术现状
我国感应加热技术从50年代开始就被广泛应用于工业生产当中。

60年代末开始研制晶闸管中频电源，到目前已经形成了一定范围的系列化产品，并开拓了较为广阔的应用市场。

在中频领域，晶闸管中频电源装置基本上取代了旋转发电机，已经形成了500－8000Hz/100－3000 KW的系列化产品。

但国产中频电源大多采用并联谐振逆变器结构，因此在开发更大容量的并联逆变中频感应加热电源的同时，尽快研制出结构简单、易于频繁启动的串联谐振逆变中频电源，也是中频领域有待解决的问题。

在高频领域的研究工作八十年代己经开始。

浙江大学采用晶闸管倍频50KW/50KHz的高频电源，采用时间分隔电路研制了30KHz晶闸管高频电源。

从九十年代开始，国内采用IGBT研制高频电源。

浙江大学研制开发的50KW/50KHz高频电源已经通过浙江省技术鉴定。

总的来说，国内目前的高频电源研制水平大致为500KW/50KHz，与国外的水平相比还有一定的差距。

§1.3 高频逆变电源的技术研究状况及研究方法
§1.3.1 高频逆变电源的技术研究状况
高频逆变电源主要包括功率器件、驱动电路、PWM控制电路、主电路等主要部分，随着高频逆变电源的发展，这些组成部分也不断发展：
一．主要功率器件
高频逆变电源的产生和发展与功率开关器件有密切关系，晶闸管逆变电源开关频率低，而且是半控器件，所以性能受到限制。

采用晶体管、场效应管、IGBT等全控型自关断器件，是高频逆变电源的发展方向。

其中晶体管需要较大的驱动电流，并且存在二次击穿，安全工作区窄。

场效应管是电压型控制器件且开关速度快、安全工作区宽，但器件载流容量小，适合于高频小功率场合。

IGBT器件则具有两者的优点，成为目前最适合高频逆变电源的应用器件。

二．功率变换电路
高频逆变电源主电路的主要电路形式有单端、半桥、全桥三种。

主电路设计的合理性是高频逆变电源设计的先决条件。

一般认为单端，半桥，全桥三种主电路形式分别适合于小、中、大功率输出。

对于桥式电路，总存在上下桥臂直通和变压器动态偏磁的问题，通过控制电路设置死区可以有效防止直通，半桥式电路本身结构具有抗偏磁的能力[3]，全桥结构则要通过其他手段来克服本身易发生偏磁的缺点。

三．控制方式和控制电路
本世纪50年代，脉宽调制硬开关技术的出现，揭开了逆变技术发展的序幕。

由于逆变技术具有以上所述的突出优点，使得这种技术一问世，许多国家就争先致力于功率电子器件、磁性材料、控制集成芯片和电路拓扑等方面的研究。

脉宽调制硬开关技术经过60年代的成长期、70年代的发展期和80年代的成熟期，迄今为止，已经获得了最广泛的应用。

但是，它的开关频率不能太高，存在着换流慢、开关损耗相对较大、承受较高的du/dt和di/dt等问题[4]。

四．频率调制谐振技术
70年代中期，针对硬开关换流过程中存在的问题，频率调制谐振技术应运而生。

它从根本上克服了传统脉宽调制硬开关变换器的缺点，因而迅速成为功率电子学新的发展方向和研究热点。

频率调制谐振技术的核心内容，是抛弃将功率电路各元器件简单理想化的观念，在充分研究功率开关变换电路的分布参数和寄生
元件作用机理的基础上，应用电感电容网络的谐振原理，迫使功率开关器件的电流或电压按正弦规律变化，当电流或电压过零时，使器件开通和关断，因而解决了开关动态损耗、电流冲击、电压应力和电磁干扰等问题。

但是，频率调制谐振变换技术也带来以下新的问题：①输出电压与频率有关，为保持输出电压在各种运行条件下基本不变，必须采用变频控制，对负载变化的适应性差，所以常用于负载基本不变或变化不大的场合；②功率器件的容量需要更大；③开关频率大范围变化导致滤波器、变压器等磁性器件的设计难以优化[5]。

§1.3.2 高频逆变电源的研制方法
目前，对高频逆变电源的研制方法主要采用试验手段。

通常首先初步确定功率器件、电路和控制系统，然后制成样机反复调试，试验耗费很大的人力物力。

同时在设计参数时，往往过于依赖设计者的经验，不可避免带有片面性，很难保证产品的性能。

计算机仿真技术的发展，为高频逆变电源的研究提供了支持手段。

在电路和系统层次上建立器件、电路和系统的模型，借助于计算机仿真手段进行辅助分析和优化设计，进行全面定量的深入研究。

这样可以节省大量的试验损耗，对实际研制起到指导作用。

§1.4 课题主要内容
选题希望通过对IGBT应用技术和3525脉宽调制器应用技术的研究，串联谐振逆变器感应加热的原理分析，做成50KHz、40KW的高频感应加热电源装置，达到国内先进水平。

研究内容分三个部分：
1.用3525脉宽调制器作为主控器件做成具有方波输出和频率跟踪的主控线路板。

2.优化布线,减少分布电感对开关器件正常工作的干扰。

3.用IGBT作为开关器件，二极管三相不可控整流桥以及电容、电感组成的谐振器做成50KHz，40KW的高频感应加热电源装置。

IGBT高频感应加热逆变电源原理（二）
第2章感应加热的基本原理
§2.1 感应加热的发展简史和用途
早在19世纪初人们就发现了电磁感应现象，知道处于交变磁场中的导体内会产生感应电流而引起导体发热。

但是，长期以来人们视这种发热为损耗，并为保护电气设备和提高效率而千方百计的减少这种发热。

直到19世纪末才开始开发和利用这种热源进行有目的的加热、熔炼、淬火、焊接、热处理等，随之出现了各种形式的感应加热设备。

1890年瑞典人发明了第1台感应熔炼炉—开槽式有芯炉，1916年美国人制造出闭槽式有芯炉，用于有色金属的冶炼，1921年无芯炉在美国出现，采用火花式中频电源，后来出现了中频机组电源和现在的晶闸管变频电源。

工频炉产生于20世纪30年代。

高频电源、倍频电源等也由于不同的工艺要求而相继出现。

感应加热装置最早使用于表面热处理，以后普及焊接领域和各种透热。

现在感应加热技术已广泛应用于国民经济的各个领域，如表I。

自工业上开始应用感应加热能源以来，已过去10 多年，在这期间感应加热的理论和感应加热装置都有很大的发展，感应加热的应用领域亦随之扩大，其应用范围越来越广。

究其原因，主要是感应加热具有如下一些特点：
1．加热温度高，而且是非接触式加热；
2．加热效率高，可以节能；
3．加热速度快，被加热物的表面氧化少；
4．温度容易控制，可以局部加热且加热均匀，产品质量稳定；
5．容易实现自动控制，使用方便；
6．作业环境好，几乎没有热、噪声和灰尘；
7．作业占地少，生产效率高。

在应用领域方面，感应加热已广泛应用于金属熔炼、透热、热处理和焊接等过程，服务于冶金、国防、机械加工等部门及铸、锻和船舶、飞机、汽车制造等行业中。

此外，感应加热也已进入到人们的家庭生活中，例如微波炉、电磁炉、热水器等。

§2.2 感应加热的原理
§2.2.1 电磁感应与感应加热
Mihel Farady于1831年建立的电磁感应定律说明，在一个电路围绕的区域内存在交变磁场时，电路两端就会产生感应电动势，当电路闭合时则产生电流。

这个定律同时也就是今天感应加热的理论基础。

感应加热的原理图如图2-1所示：
如下图，当感应线圈上通以交变的电流i时，线圈内部会产生相同频率的交变磁通Φ，交变磁通Φ又会在金属工件中产生感应电势e。

根据MAXWELL电磁方程式，感应电动势的大小为：
由此可见，感应加热是靠感应线圈把电能传递给要加热的金属，然后电能在金属内部转变为热能。

感应线圈与被加热金属并不直接接触，能量是通过电磁感应传递的。

另外需要指出的是，感应加热的原理与一般电气设备中产生涡流以及涡流引起发热的原理是相同的，不同的是在一般电气设备中涡流是有害的，而感应加热却是利用涡流进行加热的。

这样，感应电势在工件中产生感应电流(涡流)i，使工件加热。

其焦耳热为：
(2-5)
式中，Q：电流通过电阻产生的热量(J)；
I：电流有效值(A)；
R：工件的等效电阻(W)；
t：工件通电的时间(S)。

由式(2-4)可以看出，感应电势和发热功率与频率高低和磁场强弱有关。

感应线圈中流过的电流越大，其产生的磁通也就越大，因此提高感应线圈中的电流可以使工件中产生的涡流加大；同样提高工作频率也会使工件中的感应电流加大，从而增加发热效果，使工件升温更快。

另外，涡流的大小与金属的截面大小、截面形状、导电率、导磁率以及透入深度有关[6]。

因此，逆变高频感应加热电源的研制具有很大的实用价值。

§2.2.2 电流透入深度与集肤效益
透入深度的规定是由电磁场的集肤效应而来的。

电流密度在工件中的分布是从表面向里面衰减，其衰减大致呈指数规律变化。

工程上通常是这样规定的，当导体电流密度由表面向里面衰减到数值等于表面电流密度的0.368倍时，该处到表面的距离δ称为电流透入深度。

因此可以认为交流电流在导体中产生的热量大部分集中在电流透入深度δ内。

透入深度δ可用下式来表示：
(2-6)。