引言

　　感應(yīng)加熱是將工件直接加熱，它具有效率高，作業(yè)條件好，溫度容易控制，金屬燒損小，無需預(yù)熱等優(yōu)點。

　　傳統(tǒng)感應(yīng)加熱設(shè)備應(yīng)用電力電子器件是電子管和快速晶閘管。電子管電壓高，穩(wěn)定性差，幅射強，效率低，已經(jīng)到了淘汰邊緣，但它頻率高，功率大，市場上仍有一席之?？焖倬чl管是目前應(yīng)用主力軍，它耐壓高，電流大，抗過流、過壓能力較強。但它只能工作10000Hz以下，這使其使用范圍受到了限制。

　　IGBT是一種復合功率器件，它集雙極型功率晶體管和功率MOSFET優(yōu)點于一體，具有電壓型控制，輸入阻抗大、驅(qū)動功率小，控制電路簡單，開關(guān)損耗小，通斷速度快，工作頻率較高，元件容量大。它達到了晶閘管不能達到頻率(60kHz以上)，正逐步取代快速晶閘管。國外1kHz～80kHz感應(yīng)加熱已廣泛應(yīng)用IGBT，這是感應(yīng)加熱電源發(fā)展方向。圖1為國外各種功率器件應(yīng)用。

　　2 IGBT電源結(jié)構(gòu)及工作原理

　　2.1 主電路采用并聯(lián)諧振式逆變器，主電路如圖2所示。

　　電流源并聯(lián)諧振逆變器具有負載適應(yīng)性強，抗負載短路能力強等優(yōu)點，該設(shè)備波形較好，有利于提高裝置效率和可靠性。

　　主電路為三相全波不控整流加濾波，再經(jīng)斬波后輸入給逆變器。采用IGBT斬波頻率較高(約為20kHz)，輸出波形較好，電抗器尺寸將可縮小為原來1/3。

　　該裝置整流橋采用普通整流二極管，濾波電容為電解電容450V/1500μF，斬波IGBT及二極管為富士公司產(chǎn)品，平波電抗器為自制，逆變IGBT也是富士公司產(chǎn)品，諧振回路電容為特制超音頻電容器，功率輸出變壓器為自行設(shè)計生產(chǎn)。

　　2.2 斬波控制

　　斬波控制采用SG3525脈寬調(diào)制型控制器，SG3525是集成PWM控制器件，控制功能比較完備用于斬波十分合適，全推挽輸出形式，其輸出峰值為±500mA，電源電壓為(8～35)V，內(nèi)部設(shè)有欠壓停止電路，當電壓過低時，輸出級截止。具有5.1V，溫度系數(shù)±1%基準穩(wěn)壓電源，誤差放大器、振蕩器頻率為100Hz～400kHz(其值由外接電阻Rt，電容Ct決定)鋸齒波振蕩器，軟起動電路，同步電路，關(guān)閉電路，脈寬調(diào)制比較器，RS寄存器及保護電路。SG3525原理框圖如圖3所示。

　　2.3 逆變控制

　　IGBT為自關(guān)斷器件，既可工作容性又可工作感性。工作容性或感性都將引起電壓或電流毛刺，采用鎖零電路，使電源基本上工作諧振狀況。這種情況下，電壓正弦波和電流方波(諧振回路上)都比較好，這對減少開關(guān)損耗，增加器件壽命有重要意義，也減輕了阻容吸收負擔。

　　常見他激轉(zhuǎn)自激線路這里也沒有選用，他激轉(zhuǎn)自激，是指低電壓使用他激信號，電壓升高自動變?yōu)樽约ば盘?，這也就使它有一個缺點，當感應(yīng)器換掉，他激和自激頻率有差異時，就會產(chǎn)生電壓上升過程中過流現(xiàn)象。我們設(shè)備是將他激固定頻率發(fā)生器改進為變頻頻率發(fā)生器，既從100kHz逐步變?yōu)?0kHz，同時檢測諧振電壓，諧振點時變自激過零觸發(fā)，保證設(shè)備工作零度。逆變線路控制框圖如圖4所示。

　　這種逆變控制方式既防止了他激轉(zhuǎn)自激過程中逆變失敗，又防止了小信號下線路找不到自激頻率情況。

　　2.4IGBT驅(qū)動

　　IGBT可采用有源或無源兩種驅(qū)動方式，無源驅(qū)動相對線路簡單，但波形調(diào)整很方便，為此采用富士公司841這種線路，如圖5所示，841很多文章有介紹，這里只提兩個問題：

　　(1)841保護時并未完全封鎖脈沖，這給器件安全構(gòu)成威脅，過流輸出和驅(qū)動信號輸入之間加了一個RS觸發(fā)器，有過流輸出時完全封鎖驅(qū)動脈沖。

　　(2)841過流是檢測IGBT門極導通時CE間電壓，當超過6V延遲10μs則判斷為過流。但實踐中發(fā)現(xiàn)很多IGBTCE間電壓6V時已經(jīng)損壞，我們IGBTC極和841第6腳串一個3V穩(wěn)壓管，使841檢測值由此6V降低為3V實踐證明這樣改進明顯增加了841對過流判斷靈敏性，使線路能正常驅(qū)動元件過流時能更有效保護器件。

　　2.5過流和過壓保護

　　(1)過流IGBT相對SCR來說抗過流能力比較弱，線路設(shè)計一定要保證IGBT安全。主要靠兩個辦法：一個是841過流保護，但這種方式風險性較大，二是電抗器和逆變橋輸入之間串了一個電流傳感器，當它輸出值超過預(yù)定值時，封鎖斬波脈沖，另封鎖逆變脈沖，這一措施使IGBT了負載短路實驗考驗。

　　(2)過壓這種諧振電路里主要有兩種過壓產(chǎn)生：1、負載電流和電壓角度增加，負載電壓會越來越高，這會對器件構(gòu)成威脅，解決辦法是逆變控制鎖0度，另外負載上加電壓傳感器檢測電壓大小，當過大時加以控制。2、換流過程中電壓毛刺，這種現(xiàn)象主要靠加阻容吸收，值注意是逆變電路中二極管也需要加阻容吸收，如圖6所示。

3 應(yīng)用舉例

（1）某單位要求焊接空調(diào)壓縮機貯液灌部件，如圖7所示。

　?、佗坫~件，②鋼件，要求焊接①～②及②～③連接處，焊接表面光亮要求基本不變型。

　　我們采用IGBT超音頻20kW、40kHz電源，配合氮氣保護成功解決了這一問題。提高效率，采用一臺電源同時匹配兩臺變壓器技術(shù)，依次完成每個部件兩處焊接任務(wù)，每個焊接過程約定4～5秒時間，焊接表面光潔，無變型。

　　(2)熔煉白金

　　白金熔點為1800，相對比較難熔化，過去采用電子管電源，但它體積大，耗電高，難控制，很多場合、尤其實驗室十分不合適，國外多采用固態(tài)電源，價格十分昂貴(約為國內(nèi)產(chǎn)品5～10倍)，我們采用30kW/30kHzIGBT超音頻電源成功解決了這一問題，它具有體積小，熔化迅速，控制精度高，可靠耐用優(yōu)點。

　　(3)電冰箱壓縮機外殼紫銅管釬焊

　　通常采用高頻焊，某廠家現(xiàn)采用我廠生產(chǎn)IGBT20kW20kHz型IGBT超音頻電源，其主要優(yōu)點：一是加熱效率高，可達85%，發(fā)振均勻，加熱迅速，達到了日本生產(chǎn)HFB303H1A高周波釬焊設(shè)備T10型超音頻電源水平，為國家節(jié)省了大量外匯。

　　(4)滾柱軸承局部淬火(退火)

　　某廠滾柱軸承要求表面局部淬火和局部退火，如圖8所示。采用我廠生產(chǎn)感應(yīng)加熱電源設(shè)備，經(jīng)工藝試驗，均取圓滿成功。特別值一提是：電子管高頻電源周圍有強大電磁場輻射，如長期這種環(huán)境工作，對操作員身體健康是有害，而我廠研制個IGBT超音頻電源，輸出電壓、頻率都比電子管高頻電源低多，經(jīng)測定，周圍輻射電磁場強度，均未超過國家規(guī)定標準，測定結(jié)果如表1所示。

　　滾道區(qū)為淬火區(qū)，T=850℃。K為局部退火區(qū)，溫度T=800℃。

　　4 結(jié)語

　　據(jù)統(tǒng)計，我國現(xiàn)有100kW級高頻電源一萬余臺，各個生產(chǎn)領(lǐng)域運行，每年還新增近1000臺電子管或晶閘管高頻電源設(shè)備，浪費電能情況十分嚴重。采用IGBT超音頻電源節(jié)能效果顯著、效率高，保護環(huán)境。它推廣應(yīng)用勢必將產(chǎn)生巨大經(jīng)濟效益和社會效益。