IGBT中频电源原理.doc

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。1 主电路结构主电路由整流电路、逆变电路、保护电路组成，其结构如图1。2 主要器件的设计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UIN=380V，取逆变器的变换效率=0.9。1） 确定电压额定值URRM考虑到其峰值、波动、雷击等因图1 主电路结构图 Fig.1 main circuit structure素，取波动系数为1.1，安全系数=2，选取电压为：URRMUIN1.1=1179V根据实际二极管电压等级，取URRM=1600V。2） 确定电流额定值IT(AV)IT(AV)=0.368Id=0.368=0.368=56A考虑冲击电流和安全系数，实取额定电压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V1、V4和V2、V3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UCEPIGBT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=1.1平波后的直流电压：Ed=380V=590V关断时的峰值电压：UCESP=(5901.15+150)=912V式中1.15为电压保护系数， 150为L引起的尖峰电压。令UCEPUCESP,并向上靠拢IGBT等级，取UCEP=1200V。2） 确定电流额定值IcIc=(1.5)Id=374A式中，为Id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Cd的计算Cd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。Cd可用下式计算：Cd=(4050)Id(4050)150A60007500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/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Cd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。CS选取35F/1200V的电解电容，RS选用62/150W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，虽然还存在着其他作用引起的额外电感和电容，但它们的等效电感量和电容量很小，所以，在频率不太高的情况下，负载可以等效为感抗和阻抗串联。如图2。图2 负载等效电路Fig.2 equivalent circuit of load由实验可得负载的等效电阻为10，等效电感为100mH。负载的品质因数：Q=