关于感应加热电源优化的论文

高敏伟1唐忠2郑文龙3高阳4刘旭5

感应加热电源是实现感应加热工艺要求的关键设备之一。它输出所需频率的交流电能给工件，以完成能量的传递。在感应加热电源的控制中，目前整流控制技术相对比较成熟，所以人们主要集中在对逆变控制技术的研究上。逆变控制技术不仅关系着固态感应加热电源的可靠运行，而且关系到电源效率的提高。另外，感应加热电源在运行时有可能会发生驱动异常、工件碰触感应器、空载或过载，以及其它误操作情况，这样会引起电源的过压或过流。如果不及时采取有效措施来处理这些异常故障，则会造成严重的后果。因此，需要设计一套保护措施来对这些异常加以判断，并快速采取保护动作。本文主要通过增大元器件选型，冗余设计，优化过流、过压保护回路等方面进行论证。

1、增大元器件选型。

选用更大的额定电流及承受更高电压冲击的IGBT和可控硅等元器件。目前中国市场IGBT可做到额定电流6000A，额定电压4500V产品。通过增大核心器件选型，提升IGBT抗电流、电压突变能力。

2、设备的冗余设计。

1）IGBT冗余

每个IGBT并联1个冗余IGBT，即IGBT数量由8个变为16个，使IGBT均流，从而增加逆变器总容量，降低了单个IGBT流过的电流，增强了逆变器输出电流的能力，放大了逆变器过电流的保护范围。

2）逆变器冗余

IGBT电源柜由2个逆变回路增至4个逆变回路（如图2），使逆变器均流，提升逆变器抗负载侧电流、电压突变的能力。一旦单个或双个逆变器故障，自动切除此逆变器，剩余2个逆变器可长时间带病运行，降低逆变器故障，同时提升设备可靠性。

       

图2  增加逆变器输出回路

3）IGBT分区电源柜冗余

每个区增加一个冗余电源柜，即由原来的8个或者10个电源柜增加至10个或者12个电源柜，一旦出现分区电源柜故障，自动旁路此分区电源柜并投用冗余电源柜，降低故障处理时间，提升设备可靠性。

3、优化过流、过压保护回路

1）增加过压保护回路

增加过电压保护回路可以抑制直流过压，保护IGBT等元器件不被过电压击穿。在逆变器输入端并联过压保护电路（图3中R2）。R2电阻采用压敏电阻，当产生过电压时，R2利用自身的非线性特性能够很好的抑制过电压，它对过压的响应速度可达到 ns 数量级。也可以在逆变器输入端并接电容 C ,当过压时电容 C 起锁峰作用可以限制电压上升率。

图3  过压过流保护回路

2)增加过流保护回路

增加过流保护回路可以有效抑制直流过流、交流过流，为保护回路争取时间保护IGBT等元器件不被瞬时的过电流击穿。当负载短路、驱动电路异常时，导致逆变器直通短路，这时可以通过关闭整流侧电源，同时开通图9过压过流保护回路中晶闸管TP（TP的电压降远小于IGBT）,使得IGBT上的电流迅速转移到TP上，减少IGBT上电流从而保护IGBT。

3)增加缓冲电路

增加缓冲电路，抑制IGBT上电压电流的变化（图4），抑制电压电流的变化也可以降低回路中过电压和过电流发生的故障率，同时减少了电压电流的波动。RCVD放电阻止型缓冲电路，可以抑制IGBT在开通和关断的瞬间产生的过电压和过电流。RCVD放电阻止型缓冲

       

图4  全桥放电缓冲电路

电路可以给电感提供泄能回路降低电感上电流的变化率，同时该电路产生的损耗小，能够有效地抑制IGBT关断时的浪涌电压。

4、优化IGBT柜内的驱动控制

优化IGBT柜内的驱动控制，一种方式通过在IBGT两路脉冲信号中增加死区时间，控制信号的占空比小于50％，另一种方式增加保护电路的控制，如图5所示，正常工作时图II内二极管导通，两端相当于短路，保护电路不起作用。当逆变器某个桥臂短路时，逆变器输

       

图5   系统整体结构图

入端的电流增大，使输入电流完全从电感上流过，此时二极管截止限制电流上升率，为封锁驱动信号争取时间，使保护电路起作用从而保护元器件。

5、借签高压变频器成熟电路

1）高压变频器功率模块冗余及旁路切除技术

高压变频器主电路可靠的关键技术就是采用多个低压 SPWM 功率单元串接的新型结构方式，各功率单元的额定功率和输出电压可根据实际需要设计。其结构简图如图6所示和图7所示。这种主电路形式拓扑构成的高压变频器可以实现当一个功率单元出现故障后，通过旁路切除后系统能继续运行，不会出现一个单元损坏而导致其它单元损坏的连环故障。高压变频器每一个功率单元中旁路部分的设计

图6 单元串联多电平 SPWM 电压源型变频器拓扑图

图7    功率单元旁路图

如图14所示，其中 C1、R1 构成 RC 电路，用于减小输出 dv/dt。当需要旁路时通过晶闸管 D1 的控制极 TRGN、TRGP输入高电平，使晶闸管 D1 导通由旁路输出。正常工作时晶闸管 D1 处于关断状态。MIP主电路可以借签高压变频器功率模块冗余及旁路切除技术，故障发生时通过旁路切除将故障功率单元切除，同时不影响整体功率输出。

2）高压变频器缓冲电路技术

高压变频器缓冲电路如图8所示。逆变器V1～V6每次由导通到截止的关断瞬间，集电

图8  高压变频器缓冲电路

极C和发射极E间的电压将迅速地由0V上升为直流电压UD。过高的电压增长率将导致逆变器的损坏，此时C01～C06的作用就是减小逆变器由导通到截止时过高的电压增长率，防止逆变器损坏。逆变器V1～V6由导通到截止的瞬间，C01～C06所充的电压（等于UD）将V1～V6放电。此放电电流的初值很大，并且叠加在负载电流上，导致逆变器的损坏。R01～R06的作用就是限制逆变管在导通瞬间C01～C06的放电电流。MIP可以借签高压变频器缓冲电路，在MIP的逆变回路增加缓冲电路抑制IGBT两端电压和电流的变化，保护IGBT在导通和关断的瞬间不因过大的电压和电流变化率导致元器件击穿损坏。

五、总结

90年代初，电力电子技术及半导体器件迅速发展，高中低频感应加热器应运而生，目前国内外已达到600kHz高频感应加热器的技术水平，近年感应加热器及高压变频器趋向大功率、高频率发展，主流设计及保护控制回路日趋模块化，稳定性及可靠性进一步提高。IGBT电源柜应基于感应加热器及高压变频器主流设计，优化控制保护回路，提高设备设计余量，降低设备故障跳停几率，保证装置平稳长周期运行。