節(jié)能型大功率IGBT串聯(lián)諧振中頻感應(yīng)加熱電源電路
本實(shí)用新型公開了一種節(jié)能型大功率ＩＧＢＴ串聯(lián)諧振中頻感應(yīng)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(jīng)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(jīng)ＩＧＢＴ模塊Ｊ４后與直流電源ＤＣ的另一端相連；電容Ｃ１和Ｃ２并聯(lián)后接于直流電源ＤＣ的兩端；電容Ｃ３與電感Ｌ串聯(lián)后，其一端接于ＩＧＢＴ模塊Ｊ１與Ｊ２的連接點(diǎn)，另一端則接于ＩＧＢＴ模塊Ｊ３與Ｊ４的連接點(diǎn)。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，每加熱一噸料只需要消耗３５０度電左右。
中頻感應(yīng)加熱電源采用IGBT作為開關(guān)器件，可工作在10HZ～10KHZ，具有功率調(diào)節(jié)范圍寬、頻率變化小的優(yōu)點(diǎn)，適用于中小功率系統(tǒng)。 
關(guān)鍵詞：中頻電源；感應(yīng)加熱；逆變；串聯(lián)諧振
在現(xiàn)代工業(yè)的金屬熔煉、熱處理、焊接等過程中，感應(yīng)加熱被廣泛應(yīng)用。感應(yīng)加熱是根據(jù)電磁感應(yīng)原理，利用工件中渦流產(chǎn)生的熱量進(jìn)行加熱的，它加熱效率高、速度快、可控性好，易于實(shí)現(xiàn)高溫和局部加熱[1]。隨著電力電子技術(shù)的不斷
成熟，感應(yīng)加熱技術(shù)得到了迅速發(fā)展。本公司設(shè)計(jì)的70KW/500HZ中頻感應(yīng)加熱電源采用IGBT串聯(lián)諧振式逆變電路，能夠?qū)崿F(xiàn)頻率自動(dòng)，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，高效節(jié)能。
1   主電路結(jié)構(gòu)
主電路由整流電路、逆變電路、保護(hù)電路組成，其結(jié)構(gòu)如圖1。
2   主要器件的設(shè)計(jì)
2.1  整流電路的設(shè)計(jì)
中頻電源采用三相全控橋式整流電路，它的輸出電壓調(diào)節(jié)范圍大而移相控制角的變化范圍小，有利于系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)，輸出電壓的脈動(dòng)頻率較高可以減輕直流濾波環(huán)節(jié)的負(fù)擔(dān)[2]。根據(jù)設(shè)計(jì)要求：額定輸出功率P=70KW，輸出頻率f=500HZ，進(jìn)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(dòng)、雷擊等因素，取波動(dòng)系數(shù)為1.1，安全系數(shù)=2，選取電壓為：URRM≥UIN× ×1.1 =1179V
根據(jù)實(shí)際二極管電壓等級(jí)，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(shù)，實(shí)取額定電壓1600V，額定電流200A的整流模塊。
2.2  逆變電路的設(shè)計(jì)
逆變電路是由全控器件IGBT構(gòu)
成的串聯(lián)諧振式逆變器，兩組全控器件V1、V4和V2、V3交替導(dǎo)通，輸出所需要的交流電壓。IGBT的主要參數(shù)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(lián)，起到了緩沖波動(dòng)和干擾的作用，因此安全系數(shù)不必取得很大，一般取安全系數(shù) =1.1平波后的直流電壓：
Ed=380V× × =590V
關(guān)斷時(shí)的峰值電壓：
UCESP=(590×1.15+150)× =912V
式中1.15為電壓保護(hù)系數(shù)， 150為L(zhǎng) 引起的尖峰電壓。令UCEP≥UCESP,并向上靠攏IGBT等級(jí)，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(jié)構(gòu)，4只IGBT輪流導(dǎo)通，根據(jù)IGBT等級(jí)，選用西門子BSM200GB120兩單元并聯(lián)。
3） 電解電容Cd的計(jì)算
Cd主要起濾波、穩(wěn)定電壓和改善功率因數(shù)的作用，在串聯(lián)諧振電路中相當(dāng)于電壓源。Cd可用下式計(jì)算：
Cd=(40～50)×Id
≈(40～50)×150A
≈6000～7500 
選用6800/400VDC電解電容，三只并聯(lián)后再串聯(lián)，在每只電解電容兩端并聯(lián)上放電電阻100K /2W,兩只并聯(lián)。由于串聯(lián)諧振式逆變器的直流電源回路還必須流過無(wú)功電流，該無(wú)功電流隨逆變器的輸出功率因數(shù)減小而增大，而電解電容Cd中不能流通高頻無(wú)功電流，否則會(huì)發(fā)熱損壞[4]。高頻電 
容的選擇一般根據(jù)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(cè)。
2.3 逆變電路的保護(hù)
IGBT采用緩沖保護(hù)電路，它以上下橋臂為單元進(jìn)行設(shè)置，這種電路緩沖元件的功耗小，降低了IGBT的關(guān)斷損耗。通常采用計(jì)算和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，確定緩沖元件的參數(shù)。CS選取3～5 F/1200V的電解電容，RS選用62 /150W的無(wú)感電阻。
在開關(guān)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(xù)流作用，二極管在正向偏置時(shí)，呈低阻狀態(tài)，近似短路，在反向偏置時(shí)，呈高阻狀態(tài)，近似開路。二極管從低阻轉(zhuǎn)變成高阻或從高阻轉(zhuǎn)變成低阻并不是瞬間完成的，普通二極管的反向恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，不適應(yīng)高頻開關(guān)電路的要求，需要使用快速恢復(fù)二極管[5]。系統(tǒng)阻容吸收電路中采用IXYS公司的DSE12X快速恢復(fù)二極管模塊，其恢復(fù)時(shí)間在60ns左右。
由電路產(chǎn)生的PWM脈沖，不能直接驅(qū)動(dòng)大功率器件，為確保功率管的開關(guān)準(zhǔn)確可靠，IGBT驅(qū)動(dòng)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(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能