1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(wú)需預(yù)熱等優(yōu)點(diǎn),。

傳統(tǒng)的感應(yīng)加熱設(shè)備應(yīng)用的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(qiáng)，效率低,，已經(jīng)到了淘汰的邊緣,，但它頻率高,，功率大，所以在市場(chǎng)上仍有一席之地,?？焖倬чl管是目前應(yīng)用的主力軍，它耐壓高,，電流大,，抗過(guò)流、過(guò)壓能力較強(qiáng),。但它只能工作在10000Hz以下,，這使其使用范圍受到了限制。

IGBT是一種復(fù)合功率器件,，它集雙極型功率晶體管和功率MOSFET的優(yōu)點(diǎn)于一體,，具有電壓型控制，輸入阻抗大,、驅(qū)動(dòng)功率小,，控制電路簡(jiǎn)單，開關(guān)損耗小,，通斷速度快,，工作頻率較高，元件容量大,。它不僅達(dá)到了晶閘管不能達(dá)到的頻率（60kHz以上）,，而且正在逐步取代快速晶閘管。國(guó)外1kHz～80kHz的感應(yīng)加熱已廣泛應(yīng)用IGBT,，這是感應(yīng)加熱電源的發(fā)展方向,。圖1為國(guó)外各種功率器件的應(yīng)用。2IGBT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,。

圖1各種功率器件的應(yīng)用

圖2主電路原理圖

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

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,。由于采用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(lái)的1/3,。

該裝置的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的超音頻電容器,，功率輸出變壓器為自行設(shè)計(jì)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(dāng)電壓過(guò)低時(shí),，輸出級(jí)截止,。具有5.1V，溫度系數(shù)±1％的基準(zhǔn)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）的鋸齒波振蕩器,，軟起動(dòng)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(hù)電路。SG3525原理框圖如圖3所示,。23逆變控制

圖3SG3525原理框圖

圖4逆變控制框圖

圖5841原理框圖

IGBT為自關(guān)斷器件，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將引起電壓或電流的毛刺,，因此采用鎖零電路，使電源基本上工作在諧振狀況,。在這種情況下,，電壓的正弦波和電流的方波（諧振回路上）都比較好，這不僅對(duì)減少開關(guān)損耗,，增加器件壽命有重要意義,，而且也減輕了阻容吸收的負(fù)擔(dān)。

常見的他激轉(zhuǎn)自激線路這里也沒(méi)有選用,，他激轉(zhuǎn)自激,，是指在低電壓使用他激信號(hào)，隨著電壓的升高自動(dòng)變?yōu)樽约ば盘?hào)，這也就使它有一個(gè)缺點(diǎn),，當(dāng)感應(yīng)器換掉,，他激和自激頻率有差異時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電壓上升過(guò)程中過(guò)流的現(xiàn)象,。在我們的設(shè)備是將他激的固定頻率發(fā)生器改進(jìn)為變頻的頻率發(fā)生器,，既從100kHz逐步變?yōu)?0kHz，同時(shí)檢測(cè)諧振電壓,，在諧振點(diǎn)時(shí)變自激并且過(guò)零觸發(fā),，保證設(shè)備工作在零度。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(guò)程中的逆變失敗,，又防止了小信號(hào)下線路找不到自激頻率情況。

24IGBT驅(qū)動(dòng)

IGBT可采用有源或無(wú)源兩種驅(qū)動(dòng)方式,，無(wú)源驅(qū)動(dòng)相對(duì)線路簡(jiǎn)單,，但波形調(diào)整不是很方便，為此采用富士公司841這種線路,，如圖5所示,，對(duì)于841很多文章有介紹，這里只提兩個(gè)問(wèn)題：

（1）在841保護(hù)時(shí)并未完全封鎖脈沖,，這給器件安全構(gòu)成威脅,，因此在過(guò)流輸出和驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入之間加了一個(gè)RS觸發(fā)器，在有過(guò)流輸出時(shí)完全封鎖驅(qū)動(dòng)脈沖,。

（2）841過(guò)流是檢測(cè)IGBT在門極導(dǎo)通時(shí)CE間的電壓,，當(dāng)超過(guò)6V延遲10μs則判斷為過(guò)流。但實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)很多IGBT在CE間電壓6V時(shí)已經(jīng)損壞,，因此我們?cè)贗GBT的C極和841的第6腳串一個(gè)3V穩(wěn)壓管,，使841檢測(cè)值由此6V降低為3V實(shí)踐證明這樣改進(jìn)明顯增加了841對(duì)過(guò)流判斷的靈敏性，使線路不僅能正常的驅(qū)動(dòng)元件而且在過(guò)流時(shí)能更有效的保護(hù)器件,。

25過(guò)流和過(guò)壓的保護(hù)

（1）過(guò)流IGBT相對(duì)SCR來(lái)說(shuō)抗過(guò)流能力比較弱,，因此線路設(shè)計(jì)一定要保證IGBT的安全。主要靠?jī)蓚€(gè)辦法：一個(gè)是841過(guò)流保護(hù),，但這種方式風(fēng)險(xiǎn)性較大,，二是在電抗器和逆變橋輸入之間串了一個(gè)電流傳感器，當(dāng)它的輸出值超過(guò)預(yù)定值時(shí),，一方面封鎖斬波脈沖,，另一方面封鎖逆變脈沖，這一措施使IGBT通過(guò)了負(fù)載短路實(shí)驗(yàn)的考驗(yàn),。

（2）過(guò)壓在這種的諧振電路里主要有兩種過(guò)壓產(chǎn)生：1,、隨著負(fù)載電流和電壓角度的增加，負(fù)載電壓會(huì)越來(lái)越高，這會(huì)對(duì)器件構(gòu)成威脅,，解決的辦法是逆變控制鎖0度,，另外在負(fù)載上加電壓傳感器檢測(cè)電壓的大小，當(dāng)過(guò)大時(shí)加以控制,。2,、換流過(guò)程中的電壓毛刺，這種現(xiàn)象主要靠加阻容吸收,，值得注意的是逆變電路中的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(jī)貯液灌部件,，如圖7所示,。

圖6橋路阻容吸收形式

圖7儲(chǔ)液罐外形

①③銅件，②鋼件,，要求焊接①～②及②～③連接處,，焊接表面光亮而且要求基本不變型。

我們采用IGBT超音頻20kW,、40kHz電源,，配合氮?dú)獗Ｗo(hù)成功地解決了這一問(wèn)題。為了提高效率,，采用一臺(tái)電源同時(shí)匹配兩臺(tái)變壓器的技術(shù),，依次完成每個(gè)部件兩處焊接任務(wù)，每個(gè)焊接過(guò)程約定4～5秒時(shí)間,，焊接表面光潔,，無(wú)變型。

（2）熔煉白金

白金熔點(diǎn)為1800,，相對(duì)比較難熔化,，過(guò)去采用電子管電源，但它體積大,，耗電高,，難控制，在很多場(chǎng)合,、尤其在實(shí)驗(yàn)室十分不合適，國(guó)外多采用固態(tài)電源,，價(jià)格十分昂貴（約為國(guó)內(nèi)產(chǎn)品的5～10倍）,，我們采用30kW/30kHzIGBT超音頻電源成功地解決了這一問(wèn)題，它具有體積小,，熔化迅速,，控制精度高，可靠耐用的優(yōu)點(diǎn)。

（3）電冰箱壓縮機(jī)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)的IGBT20kW20kHz型IGBT超音頻電源,，其主要優(yōu)點(diǎn)：一是加熱效率高，可達(dá)85％,，發(fā)振均勻,，加熱迅速，達(dá)到了日本生產(chǎn)的HFB303H1A高周波釬焊設(shè)備T10型超音頻電源的水平,，為國(guó)家節(jié)省了大量外匯,。

（4）滾柱軸承局部淬火（退火）

某廠的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)的感應(yīng)加熱電源設(shè)備,，經(jīng)工藝試驗(yàn)，均取得圓滿成功,。特別值得一提的是：電子管高頻電源周圍有強(qiáng)大的電磁場(chǎng)輻射,，如長(zhǎng)期在這種環(huán)境工作，對(duì)操作員身體健康是有害的,，而我廠研制的個(gè)IGBT超音頻電源,，由于輸出電壓、頻率都比電子管高頻電源低得多,，經(jīng)測(cè)定,，周圍輻射電磁場(chǎng)強(qiáng)度，均未超過(guò)國(guó)家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn),，測(cè)定結(jié)果如表1所示,。

圖8 滾動(dòng)軸承熱處理標(biāo)視圖

表1電子管和IGBT電源的電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度比較

4結(jié)語(yǔ)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)現(xiàn)有100kW級(jí)高頻電源一萬(wàn)余臺(tái),，在各個(gè)生產(chǎn)領(lǐng)域運(yùn)行,，而且每年還新增近1000臺(tái)電子管或晶閘管高頻電源設(shè)備，浪費(fèi)電能的情況十分嚴(yán)重,。如果采用IGBT超音頻電源不僅節(jié)能效果顯著,、效率高，而且保護(hù)環(huán)境,。它的推廣應(yīng)用勢(shì)必將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益,。