河南沈丘永達高頻設備有限公司

節能型大功率IGBT串聯諧振中頻感應加熱電源電路
本實用新型公開了一種節能型大功率ＩＧＢＴ串聯諧振中頻感應加熱電源電路，主要由直流電源ＤＣ組成，其特征在于，還包括電容Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３，電感Ｌ，以及ＩＧＢＴ模塊Ｊ１、Ｊ２、Ｊ３、Ｊ４。所述直流電源ＤＣ的一端分別與ＩＧＢＴ模塊Ｊ１和Ｊ３的一端相連，ＩＧＢＴ模塊Ｊ１的另一端經ＩＧＢＴ模塊Ｊ２后與直流電源ＤＣ的另一端相連，ＩＧＢＴ模塊Ｊ３的另一端則經ＩＧＢＴ模塊Ｊ４后與直流電源ＤＣ的另一端相連；電容Ｃ１和Ｃ２并聯后接于直流電源ＤＣ的兩端；電容Ｃ３與電感Ｌ串聯后，其一端接于ＩＧＢＴ模塊Ｊ１與Ｊ２的連接點，另一端則接于ＩＧＢＴ模塊Ｊ３與Ｊ４的連接點。本實用新型結構簡單，每加熱一噸料只需要消耗３５０度電左右。
中頻感應加熱電源采用IGBT作為開關器件，可工作在10HZ～10KHZ，具有功率調節范圍寬、頻率變化小的優點，適用于中小功率系統。 
關鍵詞：中頻電源；感應加熱；逆變；串聯諧振
在現代工業的金屬熔煉、熱處理、焊接等過程中，感應加熱被廣泛應用。感應加熱是根據電磁感應原理，利用工件中渦流產生的熱量進行加熱的，它加熱效率高、速度快、可控性好，易于實現高溫和局部加熱[1]。隨著電力電子技術的不斷
成熟，感應加熱技術得到了迅速發展。本公司設計的70KW/500HZ中頻感應加熱電源采用IGBT串聯諧振式逆變電路，能夠實現頻率自動，電路結構簡單，高效節能。
1   主電路結構
主電路由整流電路、逆變電路、保護電路組成，其結構如圖1。
2   主要器件的設計
2.1  整流電路的設計
中頻電源采用三相全控橋式整流電路，它的輸出電壓調節范圍大而移相控制角的變化范圍小，有利于系統的自動調節，輸出電壓的脈動頻率較高可以減輕直流濾波環節的負擔[2]。根據設計要求：額定輸出功率P=70KW，輸出頻率f=500HZ，進線電壓UIN=380V，取逆變器的變換效率 =0.9。
1）  確定電壓額定值URRM
考慮到其峰值、波動、雷擊等因素，取波動系數為1.1，安全系數=2，選取電壓為：URRM≥UIN× ×1.1 =1179V
根據實際二極管電壓等級，取URRM=1600V。
2）  確定電流額定值IT(AV)
IT(AV)=0.368×Id
=0.368× 
=0.368× =56A
考慮沖擊電流和安全系數，實取額定電壓1600V，額定電流200A的整流模塊。
2.2  逆變電路的設計
逆變電路是由全控器件IGBT構
成的串聯諧振式逆變器，兩組全控器件V1、V4和V2、V3交替導通，輸出所需要的交流電壓。IGBT的主要參數有最高集射極電壓（額定電壓）、集射極電流等[3]。
1）  確定電壓額定值UCEP
IGBT的輸入端與電容相并聯，起到了緩沖波動和干擾的作用，因此安全系數不必取得很大，一般取安全系數 =1.1平波后的直流電壓：
Ed=380V× × =590V
關斷時的峰值電壓：
UCESP=(590×1.15+150)× =912V
式中1.15為電壓保護系數， 150為L 引起的尖峰電壓。令UCEP≥UCESP,并向上靠攏IGBT等級，取UCEP=1200V。
2） 確定電流額定值Ic
Ic=( ×1.5)Id
= ≈374A
式中， 為Id的峰值，1.5為允許1min過載容量，0.9為變換效率。由于電路采用橋式結構，4只IGBT輪流導通，根據IGBT等級，選用西門子BSM200GB120兩單元并聯。
3） 電解電容Cd的計算
Cd主要起濾波、穩定電壓和改善功率因數的作用，在串聯諧振電路中相當于電壓源。Cd可用下式計算：
Cd=(40～50)×Id
≈(40～50)×150A
≈6000～7500 
選用6800/400VDC電解電容，三只并聯后再串聯，在每只電解電容兩端并聯上放電電阻100K /2W,兩只并聯。由于串聯諧振式逆變器的直流電源回路還必須流過無功電流，該無功電流隨逆變器的輸出功率因數減小而增大，而電解電容Cd中不能流通高頻無功電流，否則會發熱損壞[4]。高頻電 
容的選擇一般根據逆變器的工作頻率和容量大小來確定，電路中選用兩只2F/1200V的薄膜電容直接并在IGBT的兩側。
2.3 逆變電路的保護
IGBT采用緩沖保護電路，它以上下橋臂為單元進行設置，這種電路緩沖元件的功耗小，降低了IGBT的關斷損耗。通常采用計算和實驗相結合的方法，確定緩沖元件的參數。CS選取3～5 F/1200V的電解電容，RS選用62 /150W的無感電阻。
在開關電源中，逆變電路中二極管除整流作用外，還起電壓嵌位和續流作用，二極管在正向偏置時，呈低阻狀態，近似短路，在反向偏置時，呈高阻狀態，近似開路。二極管從低阻轉變成高阻或從高阻轉變成低阻并不是瞬間完成的，普通二極管的反向恢復時間較長，不適應高頻開關電路的要求，需要使用快速恢復二極管[5]。系統阻容吸收電路中采用IXYS公司的DSE12X快速恢復二極管模塊，其恢復時間在60ns左右。
由電路產生的PWM脈沖，不能直接驅動大功率器件，為確保功率管的開關準確可靠，IGBT驅動放大電路采用三菱公司的M57962L，它采用+15V\-15V雙電源供電，外圍元件少，具有較強的驅動能