IGBT中频电源原理

IGBT 中频电源的原理

工频加热技术与其它各种物理加热技术相比，确实具有较高的效率，但存在一些明显的不足。在现代工业的金属熔炼、热处理、焊接等过程中，感应加热被广泛应用。感应加热是根据电磁感应原理，利用工件中涡流产生的热量进行加热的，它加热效率高、速度快、可控性好，易于实现高温和局部加热[1]。随着电力电子技术的不断 成熟，感应加热技术得到了迅速发展。本文设计的70KW /500HZ 中频感应加热电源采用IGBT 串联谐振式逆变电路，能够实现频率自动，电路结构简单，高效节能。

2.1 整流电路的设计

中频电源采用三相全控桥式整流电路，它的输出电压调节范围大而移相控制角的变化范围小，有利于系统的自动调节，输出电压的脉动频率较高可以减轻直流滤波环节的负担[2]。根据设计要求：额定输出功率P =70KW ，输出频率f =500HZ ，进线电压U IN =380V ，取逆变器的变换效率

η=0.9。

1） 确定电压额定值U RRM

考虑到其峰值、波动、雷击等因

I T(AV)=0.368×I d

额定电压1600V ，额定电流200A 的整流模块。

2.2 逆变电路的设计

逆变电路是由全控器件IGBT 构 成的串联谐振式逆变器，两组全控器件V 1、V 4和V 2、V 3交替导通，输出所需要的交流电压。IGBT 的主要参数有最高集射极电压（额定电压）、集射极电流等[3]。

1） 确定电压额定值U CEP

IGBT 的输入端与电容相并联，起到了缓冲波动和干扰的作用，因此安全系数不必取得很大，一般取安全系数α=1.1平波后的直流电压：

E d =380V ×2×α=590V

关断时的峰值电压：

U CESP =(590×1.15+150)×α=912V

式中1.15为电压保护系数， 150为L t i d d 引起的尖峰电压。令U CEP ≥U CESP ,并向上靠拢IGBT 等级，取U CEP =1200V 。

2） 确定电流额定值I c

Ic =(2×1.5)I d

=

IN

U P

⨯⨯⨯9.05.12≈374A

式中，2为I d 的峰值，1.5为允许1min 过载容量，0.9为变换效率。由于电路采用桥式结构，4只IGBT 轮流导通，根据IGBT 等级，选用西门子BSM200GB120两单元并联。 3） 电解电容C d 的计算

C d 主要起滤波、稳定电压和改善功率因数的作用，在串联谐振电路中相当于电压源。C d 可用下式计算：

C d =(40～50)×Id

≈(40～50)×150A ≈6000～7500F μ

选用6800/400VDC 电解电容，三只并联后再串联，在每只电解电容两端并联上放电电阻100K Ω/2W ,两只并联。由于串联谐振式逆变器的直流电源回路还必须流过无功电流，该无功电流随逆变器的输出功率因数减小而增大，而电解电容C d 中不能流通高频无功电流，否则会发热损坏[4]。高频电容的选择一般根据逆变器的工作频率和容量大小来确定，电路中选用两只2F /1200V 的薄膜电容直接并在IGBT 的两侧。

2.3 逆变电路的保护

IGBT 采用缓冲保护电路，它以上下桥臂为单元进行设置，这种电路缓冲元件的功耗小，降低了IGBT 的关断损耗。通常采用计算和实验相结合的方法，确定缓冲元件的参数。C S 选取3～5μF /1200V 的电解电容，R S 选用62Ω/150W 的无感电阻。

在开关电源中，逆变电路中二极管除整流作用外，还起电压嵌位和续流作用，二极管在正向偏置时，呈低阻状态，近似短路，在反向偏置时，呈高阻状态，近似开路。二极管从低阻转变成高阻或从高阻转变成低阻并

不是瞬间完成的，普通二极管的反向恢复时间较长，不适应高频开关电路的要求，需要使用快速恢复二极管[5]。系统阻容吸收电路中采用IXYS 公司的DSE12X 快速恢复二极管模块，其恢复时间在60ns 左右。

由电路产生的PWM 脉冲，不能直接驱动大功率器件，为确保功率管的开关准确可靠，IGBT 驱动放大电路采用三菱公司的M57962L ，它采用+15V \-15V 双电源供电，外围元件少，具有较强的驱动能力，又能有效的限制短路电流值和由此产生的应力，实现软关断。

3 负载电路的计算

中频电源用于加热时，负载主要是由集肤效应、涡流效应、滞后效应产生的阻抗和感抗，虽然还存在着其

则串联补偿谐振电容C0=31.25μF。