河南沈丘永达高频设备有限公司

节能型大功率IGBT串联谐振中频感应加热电源电路
本实用新型公开了一种节能型大功率ＩＧＢＴ串联谐振中频感应加热电源电路，主要由直流电源ＤＣ组成，其特征在于，还包括电容Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３，电感Ｌ，以及ＩＧＢＴ模块Ｊ１、Ｊ２、Ｊ３、Ｊ４。所述直流电源ＤＣ的一端分别与ＩＧＢＴ模块Ｊ１和Ｊ３的一端相连，ＩＧＢＴ模块Ｊ１的另一端经ＩＧＢＴ模块Ｊ２后与直流电源ＤＣ的另一端相连，ＩＧＢＴ模块Ｊ３的另一端则经ＩＧＢＴ模块Ｊ４后与直流电源ＤＣ的另一端相连；电容Ｃ１和Ｃ２并联后接于直流电源ＤＣ的两端；电容Ｃ３与电感Ｌ串联后，其一端接于ＩＧＢＴ模块Ｊ１与Ｊ２的连接点，另一端则接于ＩＧＢＴ模块Ｊ３与Ｊ４的连接点。本实用新型结构简单，每加热一吨料只需要消耗３５０度电左右。
中频感应加热电源采用IGBT作为开关器件，可工作在10HZ～10KHZ，具有功率调节范围宽、频率变化小的优点，适用于中小功率系统。 
关键词：中频电源；感应加热；逆变；串联谐振
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。本公司设计的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、雷击等因素，取波动系数为1.1，安全系数=2，选取电压为：URRM≥UIN× ×1.1 =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)=0.368×Id
=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UCEP
IGBT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=(590×1.15+150)× =912V
式中1.15为电压保护系数， 150为L 引起的尖峰电压。令UCEP≥UCESP,并向上靠拢IGBT等级，取UCEP=1200V。
2） 确定电流额定值Ic
Ic=( ×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=(40～50)×Id
≈(40～50)×150A
≈6000～7500 
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3～5 F/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