IGBT高频加热电源论文Word格式文档下载.docx
《IGBT高频加热电源论文Word格式文档下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《IGBT高频加热电源论文Word格式文档下载.docx（24页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
4.1.2两种逆变器高频化的难点
4.2串联逆变器常用的调功方法
4.2.1逆变调功的方法
4.2.2直流调功的方法
4.3常用的软开关技术
5、高频逆变电源的技术研究状况研究方法
5.1高频逆变电源技术研究状况
5.2高频逆变电源的研制方法
6、参考文献
IGBT高频感应电源加热逆变电源研制
本文以IGBT高频感应加热电源为研究对象，首先介绍了课题的背景，国内外高频感应加热电源的发展现发展也做了就爱你要的介绍，并简述本课题所做工作的主要内容。
本文从感应加热的基本原理出发，对感应加热电源中的电流型逆变器和电压型逆变器作了比较分析，对感应加热电源常用的两种拓扑结构进行了分析，重点介绍了关于串联型感应加热的特点，由于其具有结构就爱你但、加热效率高、设备体积小等优点，得到串联型你变器拓扑更加合适高频感应电源的结论，因此成为本课题的选定的方案，也时整机制的理论基础。
并分析了感应加热电源的各种调用方式，对谐振槽基本理论进行了详细的分析。
整机制首先要选择合适的器件，在本文对主演的器件的参数、结构特性、驱动要求等进行了详细的说明。
在选择合适的器件的基础上，设计出的整机的结构；
其中包括整流环节、逆变环节、驱动技术、保护措施等。
在现场进行大量的应用实验，选定电源的控制与保护等环节的实现方案。
并对实验波形进行了测试和分析，通过现场的应用来验证了以上理论的正确性。
论文最后对本课题所做的工作做了一个简单的总结。
关键词：
高频，感应加热，串联逆变，全桥主电路
IGBTFREQUENCYINDUCTIONHEATINGPOWERMANUFATURE
LEADER
Thispaperhasresearchedhighfrequencysolidinductionheatingpowersupply.Inthefirst,ithasintroducedthedevelopmentandhistoryofhighfrequencyinductionheatingpowerintheworldandinourcountry;
ithasintroducedthedevelopmentandhistoryofpowerelectronicdevicesandthehistoryknowledgeofinductionheatingalso.
Inthenext,ithasintroducedthebasicknowledgeofinductionheating.Ithasanalyzedthetwomaintopologiesthatareoftenusedininductionheatingpowersupply,andanalyzedpowerregulatingmethodsofinductionheatingsupply.Thebasicprincipalsoftheresonanttankarealsoanalyzedinthispaperbecausethis,wedrawnaconclusionthatifpowerisregulatedintherectifier,thenitwillbeeasytoenhancepowercapacityandenablethepowersupplytoworkonhighfrequency.Themoldsofpassiveelementareanalyzedandaftertheanalyzedithasgottheguideduringtheselectionofpassiveelements.
Theelectricaldesignofwholepowersupplyisgiven.Thecontroldiagramofrectifier,inverterandinverterdriverandprotectioncircuitareallgivenhere.simulationwaveformsarealsogiveninthischapter.Inhasabriefsummationforthewholedissertation.
KEYWORDS:
highfrequency,Inductingheating,Seriesresonantinverter,Full—bridge.
由于电磁感应加热具有计算热效率、升温快、可控性好，且易于实现机械化、自动化等优点，感应加热变频装置已越来越广泛的应用于熔炼、透热、淬火、弯管、焊接、加热等工业领域，已取得了明显的经济效益和社会效益。
感应加热变频电源装置的发展方向时沿着大容量、高频率、高效率、智能化、并以提高可靠性、拓宽用途为目标。
80年代出现的绝缘栅双极晶体管（IGBT）因具有开关频率高、驱动功率小通态压降小、电流密度大等优点而得到越来越广泛的应用[1]。
在此之前，晶闸管中频电源和电子管式高频电源装置是应用于感应加热的主要产品，但他们都有体积庞大，价格昂贵，能耗大，效率偏低的共同缺点。
国外市场早在九十年代初就已出现IGBT感应加热变频电源。
随着IGBT制造和应用技术的不断的发展，现在国内外市场上已出现功率达五六百千瓦和频率高达80KHZ的感应加热频率电源，能耗降低，使用效率高。
但是电子管式高频电源装置。
目前我国国内的IGBT感应加热电源有中频（500HZ—10KHZ）和高频（10KHZ—50KHZ）系列，而高频系列的感应加热电源仍以小功率为主导产品；
80KHZ以上的大功率装置仍处于实验室研发阶段，市场主导产品仍然是电子管式高频电源装置。
为了满足广大用户的实际需要同时为达到国内先进水平我们准备采用简单的电路控制技术、低价的成本，制造和还发出具有广泛的应用范围、能耗低、使用效率高的IGBT感应加热电源装置当热更大功率和更高的IGBT感应加热电源装置的制造和开发仍然有非常大的发展空间，有待我们进一步去研究和开发。
高频感应加热技术是二十世纪初发展起来的一项加工技术，由于它具有加热速度快材料内部发热和热效率加热均匀且有选择性，产品质量好几乎无环境污染易于实现生产自动化等一系列优点而得到迅速推广目前这种加热技术在机床制造、起床、拖拉机制造、轴承制造、量具、刃具制造及一般机械零件制造中都得到广泛应用并且其应用范围日益扩大。
IGBT高频感应加热电源设备可比同类电子管式电源大幅度提高电能效率，明显降低冷却用水量，节水节能效果显著；
装置体积小、无噪音、无污染、大大改善工作环境；
同时可以替代国外进口电源设备。
为国家节约外汇资金。
随着科学技术的发展。
传统的工频加热由于耗能高、重量体积笨重、加热性能差等缺点已不满足各行各业的需要，因而急待研究性能更好的代替产品。
逆变电源体积小、重量轻高效、节能具有优越的经济指标，因此成为各加热行业最具有前途的发展方向，现代电力电子技术的不断发展为研究高频你边加热电源奠定了基础。
基于以上讨论，本课题选择研究全固态高频感应加热电源，目的旨在进一步提高金属的加热处理和加工工艺。
选课题希望通过对IGBT应用技术和3525脉宽调制器应用技术的研究，串联谐振逆变器感应加热的原理分析，做成50KHZ、40KW的高频感应加热电源装置，达到国内先进水平。
研究内容分三部分：
1、用3525脉宽调制器作为主控制器件做成具有方波跟踪的主控线路板；
2、优化布线，减少分布电感对开关器件正常工作的干扰；
3、用IGBT作为开关器件爱你，二极管三相不可控整流桥以及及电容、电感组成的谐振器件做成50KHZ，40KW的高频感应加热电源装置。
1957年，美国研制出世界上第一之普通的（400HZ）反向阻断型可控硅，后来成为晶闸管（SCR）。
经过60年代的工艺完善和应用开发，到了70年代，晶闸管已形成从低压小电流到高压大电流的系列产品。
在这期间，世界各国还研制出一系列的派生器件，如不对称晶闸管（ASCR）、逆导晶闸管（RCT）、双向晶闸管门极辅助关断晶闸管（GATT）、光控晶闸管9LASCR）以及80年代迅速发展起来的可管段晶闸管（GTO）。
由于晶闸管及其派生器件所构成大额各种电力电子装置在工业应用中主要解决了传统的电能变换装置中所在存在的能耗大和体积笨重的问题，因此电能的利用率大大地提高了，同时也是工业噪音得到一定的控制。
目前在internet上可以查到的高压大电流晶闸管有POWEREX推出的用于高压交流开关和静止无功发生器用的1200V/1500V的晶闸管（
1948年美国贝尔实验室发明了第一只晶体管以来，经过20多年的努力，到了70年代，用于电变化的晶体管（GTR）已进入工业应用领域，由于GTR自关断能力且开关速度可达20KHZ，在PWM技术中一度得到广泛的应用，并且促使装置性能进一步的提高和传统直流电源装置的革新，出现了所谓的“20前周革命”，但因功率晶体管的存在二次击穿、不易并联以及开关皮绿仍然低等问题，他的应用受到了限制。
70年代后期电力半导器件在高频话进程中一个标志器件，功率场效应晶体管（powerMOSFET）开动进入使用阶段，进入80年代，人们有在降低器件的导通电阻，消除寄生效应、扩大电压和电流容易以及驱动电路集成化等方面进行大量的研究，取得了很大的进展。
功率场效应管应用最广的是电流垂直流动结构的器件（VDMOS）。
它具有工作频率高（即使千赫兹、抵压管可达兆赫）、开关损耗小、安全工作区宽（不存在二次击穿的现象）、漏极电流为负极温度特性（易于并联）、输入阻抗高等优点，是一种场控型自关断器件，是目前电力电子技术发张的主要器件之一。
100A/1000V的VDMOS已商业化，研制水平达250A/1000V，其电流的容量还有继续增大的趋势，尽管VDMOS器件的开关速度非常快，但其导通电阻与U2.5成正比，这就限制了他在高频中、大功率领域的应用。
80年代电力电子器件较为引人瞩目孙湾成就之一九十开发出双击型符合器件，研制符合器件的主要目的是实现器件的高压、大电流参数同动态参数之间的最合理的折中，时使其谦有MOS器件和双极性器件的突出特点，从而产生初较为理想的高频、高压和大电流的器件，目前被认为最具有发展前途的符合器件是绝缘栅双极性晶体管IGBT和MOS栅控晶闸管MCT（MOScontrolledthirstier）。
IGBT于1982年在美国率先研制出样品，1985年开始投产使用，目前最高电压已经达到4500V，最大电流可为1800V，MCT是80年代后期出现的另一种比较理想的器件，目前研制的水平为300A/2000V,1000A/1000V最高电压可达3000V。
80年代期间发展起来的静电感应器件SIT（staticinductiontransistor）和静电感应晶闸管SITH（staticinductionthirstier）是利用门极电场改变空间电荷区宽度来开闭电流通道的原理研制成的器件。
和传统的电源相比不同，高频逆变电源在电网侧直接整流为直流，然后经逆变桥变换为高频输出。
逆变电源具有优越的性能指标，主要优点包括：
一、重量轻、体积小、没有工频变压器，节约了铜铁等制造材料、提高了灵活机动性。
二、高效节能，具有较低的损耗和较高的功率因数。
三、性能优良，晌应周期为微妙级，可以实现对无名行为的控制，改善加热质量。
四、一机多用，可以再不改变主电路的条件下，采用电子控制电路，实现多功能化。
高频逆变电源的发展与电力电子技术和器件的发展密切相关，高频逆变式电源正是随着现代电力电子技术的发展而发展起来的。
感应加热技术的从诞生至今，经过近百年的发展，取得了令人瞩目大成果，尤其是六十年代以后，固态电力电子器件的出现与发展，使感应加热技术和现代化生产方面密切相关，发挥了很大的作用，因此世界各国都十分的关注感应加热电源技术的发展，并投入了相当的经济支持和技术力量。
目前传统的感应加热电源与固态感应加热电源取长补短，互补共存。
目前逆变式电源鸡蛋户争朝以下方向发展:
一、沿20KHZ的技术路线开发研制50KHZ、100KHZ级的逆变式电源。
二、探索旨在降低电力电子器件开关功耗，提高开关频率的零电压，零电流开关（软开关）技术，其中包括电路拓扑结构和工程实现。
高频（1~10MHZ，实验室已达数百瓦水平；
在100KHZ级达几千瓦水平。
高频谐振软开关技术只有在数百KHZ以上才能充分显示其巨大的优越型，由于器件、材料和技术上的原因，在今后较长德尔一段时间内，高频逆变式电源依然以硬开关技术为主，但软开关技术愈来愈多得到开发成果和样机【1】。
三、研制和生产大容量的逆变式电源。
为适应市场生物需求，大功率、高频率逆变式电源已经引起越来越多人的关注，大量研发工作正在进行，而且容量还在不断的增加。
四、研制和生产大容量的逆变式电源。
为适应高质量、高性能和加热工作的市场需要，愈来愈多的研究开发和生产智能控制的逆变式电源，其中包括了波形控制和模糊控制技术，人工神经网络技术、自动跟踪技术等等。
采用波形控制和模糊控制技术的逆变式电源，在日本、美国、法国等国已有批量产品，我国已有研究开发成果和样机。
五、研究功率因数校正和减少电网谐振干扰。
没有钱串联逆变式电源的输入整流滤波单元均采用不可控二极管整流和大容量滤波电容，他会产生交变的严重非正弦化和窄脉冲电流，导致有的逆变器功率因数很低。
输入电流波形和提高功率因数已成为重要的课题，特别是对三项相和中大功率的逆变式电源需要进一步开展功率因数校正干扰和减少电玩那个谐振波的研究。
在高频逆变式电源的发展过程中，国外是以企业为主体的商业化开发，因此产品导航市场而且技术报道少，在国内主要是高等院校等研究机构推动了逆变式电源的发展，如浙江大学等研究单位我做了很多的工作，已企业为主体的技术创新上有差距。
从长远看，高频逆变式电源是发展的放向，但是由于高频逆变式电源发展时间不长，所以技术还带与完善，由于逆变频率高，高频逆变式电源的调节范围大，工作在空载、负载和短路等不同状态下，环境条件恶劣；
对设计提出来很高的要求，当前高频逆变式电源面临生物主要问题是提高向能和改善可靠性。
事实证明，产品可靠性是占领市场的关键。
可靠性问题是系统工程问题，涉及许多技术因素，特别瑟吉是在大功率高频逆变式电源中，开关器件承受的电流大，电压高，需要优良的开关器件及其相应的驱动保护电路和控制电路。
低频感应加热的特点是透热深度深、工件景象温差小，因此热应力小，比较适合大型工件的整体透热、大容量炉的容来呢和保温。
目前，在低频感应加热场合普遍使用创痛的工频感应加热炉。
国外的工频感应加热装置可达数百兆瓦，用于数十吨生物大型工件的透热或百顿的刚睡保温，预计短期内，一股太器件构成的低频感应加热电源在功率容来那个、价格和可靠性方面海难以于简单的工频感应炉竞争，虽然其效率、体积和性能均优于工频炉。
在中频（150~10KHZ）范围内，晶闸管感应加热装置已完全取代了传统的中频发电机组和电磁倍频器，国外的装置容量已达数十兆瓦。
在超音频（10~100KHZ）范围内，早起基本是空白，晶闸管出现以后一度曾采用晶闸管已时间分割电路和倍频电路构成的超音频电源。
八十年代开始，随着一系列新型功率器件的相继出现，已这些新型期间爱你（主要有GTO\GTR\MCT\IGBT\BSIT和SITH）构成的结构简单的全桥型超音频固态感应加热电源逐渐占据了主导地位，其中以IGBT应用最为普遍，爱河时因IGBT使用起来发行便可靠，很受电路设计者的欢迎。
1994年日本采用IGBT研制出了1200KW/50KHZ的电流型感应加热电源，你逆变器工作于零电压开关状态，市现率微机控制。
西班牙在1993年也已经报道了3—600KW/100KHZ的IGBT电流型感应加热电源，欧、美地区的其他一些国家，如英国、法国、瑞士等的系列化超音频感应加热电源也达数百千瓦。
在高频（100KHZ以上）领域，国外目前正处于向固态电源的过渡阶段【2】。
以日本为例其系列的电子管振荡器高频感应加热电源的水平可达5-1200KW/100-500KHZ，而其采用SIT的固态高频感应加热电源的水平可达400KW/400KHZ，并且在1987年已经开始研制1200KW/200KHZ的SIT电源。
欧美各国采用MOSFET的高频感应加热电源的容量正在突飞猛进，例如西班牙采用MOSFET的电流型感应加热电源的制造水平可达600KW/200KHZ，德国的电子管高频电源水平约为10KW，而其在1989年研制生物电流型MOSFET感应加热电源的容量已达480KW/50-200KHZ。
我国感应加热技术从50年代开始被广泛的应用于生产当中。
60年代，末开始研制晶闸管中频电源，到目前已经形成了一定范围的系列化产品，并开拓了较为广泛的应用市场。
在中频领域中，晶闸管中频电源装置基本上取代了旋转发电机，以激昂形成了500~8000赫兹、100~3000KW的系列化产品。
但国产中频电源大多采用并联谐振逆变器结构，因此在研发更加大容量生物并联逆变中频电源的同时，尽快研制出结构简单、易于频繁启动的串联谐振逆变中频电源，也是中频领域有待解决得问题。
在高频领域的研究工作八十年代已经开始。
浙江大学采用晶闸管倍频50KW/50KHZ的高频电源，采用时间分割电路研制了30KHZ晶闸管高频电源。
从九十年代开始，国内采用IGBT研制高频电源。
浙江大学研制开发的50KW/50KHZ高频电源以及那个通过浙江省技术部的鉴定，总的来说，国内目前的高频电源研制水平大致在500KW/50KHZ，与国外饿水平相比还有很大的差距。
早在19世纪初人们就发现了电磁感应现象，知道处于交变磁场中的导体内会产生感应电流而引起导体发热，但是，长期以来人们视这种发热为损耗，并未保护电气设备和提高效率而千方百计的减少这种发热的现象，直到19世纪末才开始研发和利用这种热进行有目的的加热、熔炼、焊接、热处理等，随之出现了各种形式的感应加热设备。
应用部门
主要用途
冶金
黑色、有色金属的冶炼和保温；
金属材料的热处理；
冷钳锅的熔炼；
区域熔炼、悬浮熔炼等制取超纯材料；
锻压、挤压压制等型材的生产生物透热；
机械制造
黑色金属和有色金属零件的制造；
机器零件的制造；
特别是便面生物淬火以及淬火年后的回火、退火和正火等热处理的加热；
化学热处理的感应加热；
金属涂层及其他场合的加热烘干等。
轻工
罐头封口加热、合成纤维生产中间接加热等
石油、化工
化学反应等容器加热、输出油管焊接缝现场退或火、输出管路的保温等
电子
电子管生产中的真空除气时加热等
表2.1：
感应加热电源的应用领域
Tab2.1:
Theusedstateofinductionheating
1890年瑞典人发明的第一台感应熔炼炉——开槽式有芯炉，1916年美国热制造除闭槽式有芯炉，由于有色金属的冶炼，1921年无芯炉在美国出现，采用火花式中频电源，后来出现了中频机组带电源和现在的晶闸管变频电源。
工频路产生于20世纪30年代。
高频电源等也由于不同的工艺要求而相继出现。
感应加热装置最早使用与表面热处理，以后普及焊接领域和各种透热。
现在感应加热技术已广泛应用于国民经济的加热装置都有很大的发展，感应加热的应用领域已随之扩大，其应用范围越来越广。
究其原因，主要是感应加热具有如下一些特点：
1、加热温度高，而且是非接触式加热；
2、加热效率高，可以节能；
3、加热速度快，倍加热的物体表面被氧化少；
4、温度容易控制，可以局部加热且加热均匀；
5、容易实现自动控制，实现方便；
6、作业环境好，几乎没有热、噪音和灰尘；
7、作业占地少，生产效率高；
在应用领域方面，感应加热已经广泛应用于金属熔炼、透热、热处理和焊接等过程，服务于冶金、国防、机械加工等部门及铸、段和船舶、飞机汽车等制造行业中。
此外，感应加热也已经进入到人们的家庭生活中，例如微波炉、电磁炉、热水炉等。
MihelFarady于1831建立的电磁感应定律说明，在一个电路围绕的区域内存在交变磁场时，电路两端就会产生感应电动势，当电路闭合时则产生电流。
这个定律同时也就适合了今天的理论基础。
感应加热的原理图如图2—1所示：
当感应线圈上通上交变的电流i时，线圈内部会产生相同频率的交变磁通Φ，交变磁通Φ又回在金属工件中产生感应e。
根据MAXWELL电磁方程式，感应电动势的大小为：
（2-1）
式中N是线圈匝数，加入磁通Φ是按正弦规律变化的，则有：
Φ=Φmsinωt（2-2）
那么可得到感应电动势为：
e=NΦmωconωt（2-3）
因此感应电动势的有效值是：
（2-4）
式中，Φm为磁通Φ的幅值，f为频率。
Φ
i
图2-1感应加热的原理
Fig2-1Thediagramofinductionheating
由此可见，感应加热是依靠感应线圈传递给加热的金属，然后电能在金属转变为热能，感应线圈预备加热金属之间并没有直接的接触，能量是通过电磁感应传递的。
另外需要指出的是，感应加热的原理与一般电气设备中产生的涡流以及涡流引起发热的原理是相同的，不同的是在一般的设备涡流是有害的，而感应加热设备产生的涡流是用其进行加热的。
这样，感应电势在工件中产生感应电流（涡流）i，使工件加热，其焦耳热为：
Q=0.24I2Rt（2-5）
式中，Q：
电流通电电阻产生的热量（J）；
I：
电流有效值（A）;
R:
工件的等效电阻（Ω）；
t:
工件供电的时间（S）。
有式（2-4）可以看出，感应电势和发热功率与频率高低和磁场强弱有关。
感应线圈中流过的电流越大，其产生的磁通量也越大，因此提高感应线圈中的电流可以使工件中产生的涡流加大；
同样提高工作的频率，也会使工件的感应电流增加发热效。
使工件升温更快。
另外，涡流的大小与金属的截面大小、截面形状、导电率、导磁率以及透入深度有关【6】。
因此，逆变高频感应加热电源的研制具有很大的实用价值。
透入深度的规定是由于电磁效应的肌肤效应而来的。
电流密度在工件中的分布是从表面向里衰减的，其衰减大致
升级会员 