中頻感應(yīng)加熱設(shè)備設(shè)計(jì)

1、遼寧工程技術(shù)大學(xué)摘要 感應(yīng)加熱電源具有加熱效率高，速度快，可控性好，易于實(shí)現(xiàn)高溫和局部加熱，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，目前已在金屬熔煉、工件透熱、淬火、焊接、鑄造、彎管、表面熱處理等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。 本設(shè)計(jì)研究了中頻感應(yīng)加熱及其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展、現(xiàn)狀和趨勢(shì)，并在較全面的論述基礎(chǔ)上，對(duì)2.5kHz/250kW可控硅中頻感應(yīng)加熱電源的整流電路以及控制電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)。本文設(shè)計(jì)的電源電路可用于大型機(jī)械熱加工設(shè)備的感應(yīng)加熱電源。整流電路采用三相橋式全控整流電路，其電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使電源易于推廣；控制策略選用雙閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，改善了信號(hào)遲滯的缺點(diǎn)，為以后研制大功率、超音頻的感應(yīng)加熱電源打下了基礎(chǔ)。

2、關(guān)鍵詞：可控硅中頻電源；感應(yīng)加熱；逆變；保護(hù)電路Design of Induction heating power of medium frequency AbstractInduction heating power is equipped with lots of advantages such as high heating efficiency, fast speed ,good controllability, which is prone to make heating of high and partial temperature ，and realize mechanizati

3、on and automation. At present metal melting, work piece heat penetration, quenching, welding, casting, elbow piece, surface heating processing has been widely applied. Induction heating of medium frequency and development, current situation, and tendency related technology has been studied，and have

4、made quite comprehensive and in the profound elaboration foundation, this article has carried on the design to main circuit and the inversion control of the 2.5kHz/250kW silicon-controlled rectifier intermediate frequency induction heating power. This design is used for big facility of mechanical he

5、ating processing. Structure of rectification circuit is easy, which makes power popularized easily. Three-phase bridge rectification circuit is used in Rectification circuit. Rectification circuit uses feedback control of two closed loop, improving the disadvantages. The foundation for inventing ind

6、uction heating power of big power and super audio is made.Key words：Controllable silicon medium power Induction heating Inverter Protect circuit目 錄1.緒論11.1 感應(yīng)加熱電源的特點(diǎn)和應(yīng)用11.2 感應(yīng)加熱電源的發(fā)展階段11.3 感應(yīng)加熱電源發(fā)展的主要因素21.4 感應(yīng)加熱電源的發(fā)展趨勢(shì)22.感應(yīng)加熱電源32.1 基本工作原理32.2 基本結(jié)構(gòu)43.整流電路設(shè)計(jì)53.1 整流電路的分類53.2 整流電路的選擇53.3 三相橋式全控整流電路63.4整

7、流電路的參數(shù)設(shè)計(jì)84.控制電路設(shè)計(jì)94.1 控制電路系統(tǒng)的概述94.2 控制電路的結(jié)構(gòu)與原理94.3 控制電路的作用114.4 控制策略114.5 2.5kHz/250kW感應(yīng)加熱電源控制電路結(jié)構(gòu)144.6 控制觸發(fā)回路頻率跟蹤調(diào)節(jié)154.6.1 觸發(fā)要求154.6.2 頻率跟蹤電路154.7 過流和過壓的保護(hù)電路165驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)245.1 絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求245.1.1門極電壓對(duì)開關(guān)特性的影響及選擇245.1.2門極串聯(lián)電阻對(duì)開關(guān)特性的影響及選擇255.2 IGBT過壓的原因及抑制255.3 IGBT的過流保護(hù)265.3.1設(shè)計(jì)短路保護(hù)電路的幾點(diǎn)要求275.

8、4 集成光電隔離驅(qū)動(dòng)模塊HCPL-316J275.4.1器件特性275.4.2芯片管腳及其功能介紹285.4.3內(nèi)部邏輯電路結(jié)構(gòu)分析285.4.4器件功能分析295.4.5驅(qū)動(dòng)電路的試驗(yàn)和注意問題306 輔助直流穩(wěn)壓電源316.1 三端固定穩(wěn)壓器316.2 本次設(shè)計(jì)用的的電源326.2.1 18伏，15伏穩(wěn)壓電壓電源326.2.2 12伏，5伏雙路穩(wěn)壓電源326.2.3元器件選擇及參數(shù)計(jì)算337 硬件調(diào)試348 結(jié)論35致謝37參考文獻(xiàn)38附錄一 整體電路原理圖39附錄二控制電路PCB40緒論1.1 感應(yīng)加熱電源的特點(diǎn)和應(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)生的熱量對(duì)工件進(jìn)行加熱的。

9、由于感應(yīng)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，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，已在熔煉，鑄造，彎管，熱鍛，焊接和表面熱處理等行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。在國(guó)外，感應(yīng)加熱技術(shù)已日趨成熟。在鑄造方面，正在迅速發(fā)展雙聯(lián)熔煉工藝，即利用中頻爐保溫改性，進(jìn)行球墨鐵或合金鋼的精密澆鑄；在鍛造方面，利用感應(yīng)加熱實(shí)現(xiàn)快速透熱熱鍛，其材料利用率可達(dá)85%，鍛件表面光潔度可小于50m；在焊接，淬火方面，國(guó)外一方面致力于開發(fā)大功率全固態(tài)高頻電源，一方面致力于開發(fā)高度自動(dòng)化的熱處理成套處理系統(tǒng)。我國(guó)鑄件用量大，而鑄造行業(yè)仍以沖天爐熔煉為主，溫度及成分波動(dòng)大，廢品率高。目前，我國(guó)較好的鑄造業(yè)廢品率也在6%15%間

10、，而一般鑄造廠的廢品率高達(dá)30%。隨著我國(guó)電力供應(yīng)的改善，環(huán)保要求的提高，發(fā)展和擴(kuò)大感應(yīng)加熱的規(guī)模，在大型企業(yè)推廣雙聯(lián)熔煉工藝，改造我國(guó)鑄造行業(yè)是符合我國(guó)煤炭資源豐富特點(diǎn)的一條有效途徑。這項(xiàng)改造工程不但涉及到保溫爐的設(shè)計(jì)制造，雙聯(lián)熔煉工藝的最佳化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，還涉及到大功率中頻感應(yīng)加熱電源等。同樣地，在鍛造，焊接，淬火熱處理方面全面推廣國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，改造我國(guó)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)是必然趨勢(shì)。近年來(lái)在某些高新技術(shù)的研究開發(fā)中也使用了感應(yīng)加熱。上述這些先進(jìn)技術(shù)的推廣和發(fā)展均與感應(yīng)加熱電源技術(shù)的研究和發(fā)展密切相關(guān)。1.2 感應(yīng)加熱電源的發(fā)展階段 1）在50年代前，感應(yīng)加熱電源主要有:工頻感應(yīng)熔煉爐，電磁倍頻器，中

11、頻發(fā)電機(jī)組和電子管振蕩器式高頻電源。50年代末可控硅的出現(xiàn)則標(biāo)志著固態(tài)半導(dǎo)體器件為核心的現(xiàn)代電力電子學(xué)的開始。硅晶閘管的出現(xiàn)推動(dòng)了感應(yīng)加熱電源及應(yīng)用的飛速發(fā)展。至今，在中頻（500Hz10kHz）范圍內(nèi)，晶閘管中頻感應(yīng)加熱裝置已完全取代了傳統(tǒng)的中頻發(fā)電機(jī)組和電磁倍頻器。在高頻范圍內(nèi)，由于晶閘管本身開關(guān)特性等參數(shù)的限制，給研制該頻段的電源帶來(lái)了很大的技術(shù)難度，它必須通過改變電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)才有可能實(shí)現(xiàn)。2）70年代末到80年代初，現(xiàn)代半導(dǎo)體微機(jī)集成加工技術(shù)與功率半導(dǎo)體技術(shù)的結(jié)合，為開發(fā)新型功率半導(dǎo)體器件提供了條件，相繼出現(xiàn)了一大批全控型電力電子半導(dǎo)體器件，極大地推動(dòng)了電力電子學(xué)發(fā)展，為固態(tài)超音頻，高

12、頻電源的研制提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。3）1983年IGBT的問世進(jìn)一步推動(dòng)了感應(yīng)加熱電源的發(fā)展。IGBT綜合了MOS和雙極晶體管的優(yōu)點(diǎn)，具有通態(tài)壓降低，開關(guān)速度快，易驅(qū)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，自1988年解決了擎住問題后，大功率高速IGBT己成為眾多加熱電源的首選器件，頻率高達(dá)100kHz,功率高達(dá)MW級(jí)電源已可實(shí)現(xiàn)。4）在超高頻(100kHz以上)頻段，長(zhǎng)期以來(lái)由電子管振蕩式變換器產(chǎn)生。80年代興起由大功率半導(dǎo)體開關(guān)器件為元件的逆變式高頻感應(yīng)加熱電源。1.3 感應(yīng)加熱電源發(fā)展的主要因素（1）感應(yīng)加熱電源的發(fā)展與電力電子器件的發(fā)展密切相關(guān)，而電力電子器件的發(fā)展又是與半導(dǎo)體微機(jī)集成加工技術(shù)與功率半導(dǎo)體技術(shù)分不開的。

13、可控硅出現(xiàn)后，一代又一代的電力半導(dǎo)體器件先后問世，性能不斷改善，高耐壓和高耐流，低損耗、高頻率使得感應(yīng)加熱電源的性能和實(shí)用性得到了體現(xiàn)。（2）單片機(jī)、微型計(jì)算機(jī)技術(shù)和集成芯片技術(shù)的發(fā)展使得對(duì)感應(yīng)加熱電源的復(fù)雜控制成為可能，體積和重量明顯減小，功率因素提高了，功率控制調(diào)節(jié)方便、準(zhǔn)確。（3）感應(yīng)加熱電源的發(fā)展離不開材料學(xué)的進(jìn)步如磁性材料學(xué)。同時(shí)，一些相關(guān)的技術(shù)如磁通集中器，感應(yīng)線圈的材料和設(shè)計(jì)，絕緣技術(shù)，故障診斷技術(shù)和遠(yuǎn)程控制、智能化技術(shù)等等也都影響其發(fā)展?？梢哉f(shuō)，感應(yīng)加熱電源的發(fā)展是諸多學(xué)科和綜合技術(shù)共同決定的。1.4 感應(yīng)加熱電源的發(fā)展趨勢(shì)（1）從電路的角度，感應(yīng)加熱電源的大容量化技術(shù)分兩類:

14、一是器件的串并聯(lián)；二是多臺(tái)電源的串并聯(lián)。在器件的串并聯(lián)方式中，必須處理好串聯(lián)器件的均壓?jiǎn)栴}和并聯(lián)器件均流問題，由于器件制造工藝和參數(shù)的離散性，限制了器件的串并聯(lián)數(shù)目，且裝置的可靠性和串并聯(lián)數(shù)目成反比。多臺(tái)電源的串并聯(lián)技術(shù)是在器件串并聯(lián)技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)一步大容量化的有效手段，借助于可靠的電源串并聯(lián)技術(shù)，在單機(jī)容量適當(dāng)?shù)那闆r下，可簡(jiǎn)單地通過串并聯(lián)運(yùn)行方式得到大容量裝置，每臺(tái)單機(jī)只是裝置的一個(gè)單元(或一個(gè)模塊)。串聯(lián)逆變器輸出可等效為低阻抗的電壓源。當(dāng)兩電壓源并聯(lián)時(shí)，相互間的幅值，相位和頻率不同或波動(dòng)時(shí)將導(dǎo)致很大的環(huán)流，以致逆變器件的電流產(chǎn)生嚴(yán)重不均。因此，串聯(lián)逆變器存在并機(jī)擴(kuò)容困難:而對(duì)并聯(lián)逆變器，逆

15、變器輸入端的直流大，電抗器可充當(dāng)各并聯(lián)器之間的電流緩沖環(huán)節(jié)，使得輸入端的AC/DC或DC/DC環(huán)節(jié)有足夠的時(shí)間來(lái)糾正直流電流的偏差，達(dá)到多機(jī)并聯(lián)擴(kuò)容。（2）目前，感應(yīng)加熱電源在中頻段主要采用晶閘管，超音頻段主要是IGBT，而高頻段，隨著MOSFET和IGBT性能不斷改進(jìn)，SIT將失去存在價(jià)值。感應(yīng)加熱電源諧振逆變器可實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，但由于通常功率較大，對(duì)功率器件，無(wú)源器件，電纜，布線，接地屏蔽等均有很多特殊要求，尤其是高頻電源。因此，實(shí)現(xiàn)感應(yīng)加熱電源高頻化仍有許多應(yīng)用基礎(chǔ)技術(shù)需進(jìn)一步探討。（3）感應(yīng)加熱電源多應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，其運(yùn)行工況比較復(fù)雜，它與鋼鐵，冶金和金屬熱處理行業(yè)具有十分密切的聯(lián)系，它的

16、負(fù)載對(duì)象各式各樣，而電源逆變器與負(fù)載是一有機(jī)的整體，負(fù)載直接影響到電源的運(yùn)行效率和可靠性。對(duì)焊接，表面熱處理等負(fù)載，一般采用匹配變壓器連接電源和負(fù)載感應(yīng)器，對(duì)高頻，超音頻電源用的匹配變壓器要求漏抗很小，如何實(shí)現(xiàn)匹配變壓器的效率，從磁性材料選擇到繞組的設(shè)計(jì)已成為重要課題。另外，從電路拓?fù)渖县?fù)載結(jié)構(gòu)以三個(gè)無(wú)源元件代替原來(lái)的二個(gè)無(wú)源元件，以代替匹配變壓器實(shí)現(xiàn)高效，低成本隔離匹配。（4）隨著感應(yīng)熱處理生產(chǎn)線自動(dòng)化程度及對(duì)電源高可靠性要求提高，感應(yīng)加熱電源正向智能化控制方向發(fā)展。具有計(jì)算機(jī)智能接口、遠(yuǎn)程控制、故障自動(dòng)診斷等控制性能的感應(yīng)加熱電源正成為下一代發(fā)展目標(biāo)。（5）由于感應(yīng)加熱用電源一般功率都很大

17、，目前對(duì)它的功率因數(shù)，諧波污染指標(biāo)還沒有具體要求。但隨著減少電網(wǎng)無(wú)功及諧波污染要求的提高，具有高功率因數(shù)(采用大功率三相功率因數(shù)校正技術(shù))及低諧波污染電源必將成為今后發(fā)展趨勢(shì)。（6）當(dāng)今高新技術(shù)飛速發(fā)展，新材料、新工藝不斷涌現(xiàn)，感應(yīng)加熱是一個(gè)重要的研發(fā)和加工手段。因此，感應(yīng)加熱電源是某些高新技術(shù)研發(fā)中心不可缺少的裝備?？梢钥隙ǖ恼f(shuō)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，感應(yīng)加熱電源在高新技術(shù)領(lǐng)域會(huì)有更廣泛的應(yīng)用。在這一領(lǐng)域，對(duì)感應(yīng)加熱電源的可靠性和可控性要求更高。如何設(shè)計(jì)制造大功率超高頻、高性能的感應(yīng)加熱電源，是電力電子科技工作者的重要課題。522.感應(yīng)加熱電源2.1 基本工作原理感應(yīng)加熱是利用導(dǎo)體處于交變電磁

18、場(chǎng)中產(chǎn)生感應(yīng)電流（渦流）所形成的熱效應(yīng)使導(dǎo)體本身發(fā)熱。根據(jù)不同的加熱工藝要求，感應(yīng)加熱采用的電源的頻率有工頻（5060Hz）、中頻(6010000Hz)和高頻(高于10000Hz)。感應(yīng)加熱的物體必須是導(dǎo)體，感應(yīng)加熱能在被加熱物體內(nèi)部直接生熱，因而熱效率高，升溫速度快，容易實(shí)現(xiàn)整體均勻加熱或局部加熱（包括表面加熱）。感應(yīng)加熱是利用交流電建立交變磁場(chǎng)產(chǎn)生渦流對(duì)金屬工件進(jìn)行感應(yīng)加熱的?；竟ぷ髟砣鐖D1所示，圖中A為感應(yīng)線圈（也稱負(fù)載線圈），B為被加熱的金屬工件。若線圈A中通以交流電流i1，則在線圈A內(nèi)產(chǎn)生隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)，置于交變磁場(chǎng)中的被加熱工件B要產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e2，形成渦流i2，這些渦流使

19、金屬工件發(fā)熱，消耗電能。由上可知，感應(yīng)加熱是靠感應(yīng)線圈把電能傳遞給要加熱的金屬工件，然后在金屬內(nèi)部轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽袘?yīng)線圈與被加熱金屬不直接電接觸，能量是通過電磁感應(yīng)傳遞的。 B A 圖1 感應(yīng)加熱基本原理由電磁感應(yīng)定律可知，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為： （2-1）設(shè)磁通對(duì)時(shí)間t按正弦規(guī)律變化，即則 （2-2）其中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的幅值為：2為了要使金屬工件加熱到一定的溫度，必須要求金屬工件內(nèi)有足夠大的渦流，亦即要求金屬工件內(nèi)有較大的電動(dòng)勢(shì)，從式（2-2）可知，要增大有如下兩種途徑：（1）增大線圈A中的電流。增大即增大金屬工件中的交變磁通的最大值。（2）增大線圈中電流的頻率。因?yàn)榻饘俟ぜ械母袘?yīng)電動(dòng)勢(shì)正比于磁通變化率

20、，所以的頻率越高，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)就越大。近代感應(yīng)加熱廣泛采用中頻及高頻電源的原因就在于此，也是成為感應(yīng)加熱電源研究的方向和追求的必然。2.2 基本結(jié)構(gòu)隨著電力電子學(xué)及功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展，感應(yīng)加熱電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)經(jīng)過不斷的完善，已形成一種固定的AC/DC/AC變換形式，基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。一般由整流器、濾波器、逆變器及一些控制和保護(hù)電路組成。三相整流器濾波器逆變器負(fù)載整流器控制電路逆變器控制電路圖2 感應(yīng)加熱電源的基本結(jié)構(gòu)3.整流電路設(shè)計(jì)3.1 整流電路的分類整流電路是電力電子電路中最早出現(xiàn)的一種，它將交流電變?yōu)橹绷麟?，?yīng)用十分廣泛，電路形式各種各樣；按組成的器件可分為不可控、半控和全控三種，按電路結(jié)

21、構(gòu)可分為橋式電路和零式電路，按交流輸入相數(shù)分為單相電路和多相電路，按變壓器二次側(cè)電流的方向是單相或雙相，又分為半波電路和全波電路；實(shí)用電路是上述的組合結(jié)構(gòu)。整流電路的實(shí)質(zhì)就是把交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能的電路。3.2 整流電路的選擇半波整流：變壓器的次級(jí)繞組與負(fù)載相接，中間串聯(lián)一個(gè)整流二極管，就是半波整流。利用二極管的單向?qū)щ娦?，只有半個(gè)周期內(nèi)有電流流過負(fù)載，另半個(gè)周期被二管所阻，沒有電流。這種電路，變壓器中有直流分量流過，降低了變壓器的效率；整流電流的脈動(dòng)成分太大，對(duì)濾波電路的要求高。只適用于小電流整流電路。全波整流：一是變壓器與半流整流電路相同，但用四個(gè)二極管組成橋式電路，將次級(jí)線圈的正、負(fù)半

22、周都用起來(lái)；二是變壓器的次級(jí)繞組圈數(shù)加倍，中間抽頭，實(shí)際上由兩個(gè)次級(jí)線圈構(gòu)成。中間抽頭接負(fù)載一端，另兩個(gè)端子各串聯(lián)一個(gè)二極管后接負(fù)載的另一端。經(jīng)常使用的整流電源電路是效率高的全波整流電源電路，僅用電容器作為濾波電路的電路有中心抽頭式和橋式?，F(xiàn)在裝有4個(gè)整流二極管的橋式整流器能夠很便宜買到，而且變壓器的使用效率也高，所以幾乎都為橋式整流電路。橋式整流屬于全波整流，三相整流只有全波整流，沒有半波整流。三相全波整流也只有橋式整流。 所以在此設(shè)計(jì)中選用了三相橋式全控整流電路。3.3 三相橋式全控整流電路整流電路采用三相全控橋式整流電路，其作用為將從三相電網(wǎng)輸入的50Hz電壓整流成脈動(dòng)的直流電壓。三相橋

23、式整流電路圖如圖3所示。圖3 三相橋式全控整流電路晶閘管AB、BC、CA接成共陰極，晶閘管AC、BA、CB接成共陽(yáng)極，并與變壓器和負(fù)荷分別構(gòu)成兩個(gè)三相半波可控整流電路，兩個(gè)三相半波可控整流電路串聯(lián)就構(gòu)成三相橋式全控整流電路，如圖4所示。圖4 三相橋式全控整流電路三相橋式全控整流電路的輸出電壓為三相半波可控電路的兩倍三相橋式全控整流電路的輸出電壓為： （3-1）式中：輸出直流電壓平均值； 電網(wǎng)相電壓； 觸發(fā)移相角。當(dāng)=0時(shí)，對(duì)于共陰極組的晶閘管依次觸發(fā)陰極電位最高的晶閘管，對(duì)于陰極組的晶閘管組依次觸發(fā)陰極電位最低的晶閘管，使晶閘管導(dǎo)通。把一個(gè)周期平均分為6段，如圖5所示。 圖5 不同的輸出波形在

24、AB段內(nèi)，a相電壓最高，電流從變壓器a相繞組流出，經(jīng)過AB負(fù)荷和BA（在此段內(nèi)，b相電壓最低，共陽(yáng)極組的晶閘管BA正處于導(dǎo)通狀態(tài)），回到變壓器b相繞組。a相繞組內(nèi)的電流為正，b相繞組內(nèi)的電流為負(fù)。負(fù)荷電壓Ud=Uab。在AC段內(nèi)，a相電壓仍然最高，晶閘管AB繼續(xù)導(dǎo)通，電流從a相繞組流出，經(jīng)過AB負(fù)荷和CB。晶閘管BA承受反向電壓而關(guān)斷，所以電流回到c相繞組。b相繞組內(nèi)的電流為正，c相繞組內(nèi)的電流為負(fù)。負(fù)荷電壓Ud=Uac。在AB和AC段內(nèi)，由于負(fù)荷的電感量較大，流過AB的電流也保持不變。在BC段內(nèi)，b相電壓最高，晶閘管BC因得到觸發(fā)脈沖而導(dǎo)通，由于b點(diǎn)電位高于a點(diǎn)電位，所以晶閘管AB因承受反向

25、電壓而關(guān)斷。電流從b相繞組流出。在這一段內(nèi)，c相電壓仍然最低，晶閘管CB繼續(xù)導(dǎo)通。負(fù)荷電壓Ud=Ubc。在BA段內(nèi)，BC和AC導(dǎo)通，Ud=Uba。在CA段內(nèi)，AC和CA導(dǎo)通，Ud=Uca。在CB段內(nèi)，CA和BA導(dǎo)通，Ud=Ucb。 上面圖5是不同時(shí)的輸出電壓波形給出了在感性負(fù)載電流非斷續(xù)的狀態(tài)下，不同角下的輸出電壓的波形，其中的狀態(tài)稱為整流橋的逆變工作狀態(tài)，其實(shí)質(zhì)是負(fù)載向電網(wǎng)反饋能量。3.4整流電路的參數(shù)設(shè)計(jì)(1)二極管電壓額定值；二極管的耐壓可按式(3-2)確定，根據(jù)電網(wǎng)電壓，考慮到其峰值、電壓波動(dòng)等因素。取波動(dòng)系數(shù)為1.3，安全系數(shù)=1.5。 （3-2）由于交流側(cè)電壓為380V，代入上式，

26、可得： （3-3）(2)確定電流額定值I：整流二極管的電流額定值是根據(jù)其結(jié)溫而確定的，可按式(3-4)來(lái)確定： （3-4）式中：沖擊電流值；安全系數(shù)，取=2；將上式變形為：A （3-5）需要說(shuō)明的是，由于有的存在，在開始啟動(dòng)時(shí)，可以使其占空比很小，這樣幾乎沒有沖擊電流，所以實(shí)際上二極管的耐流可以更小。（3）的選取；的耐壓和耐流與整流二極管是相同等級(jí)的。由于頻率較高，所以要選擇GTR、MOSFET、IGBT等工作頻率較高的自關(guān)斷器件。（4）電力電容的計(jì)算；因?yàn)槭?個(gè)脈動(dòng)整流波動(dòng)，50Hz電網(wǎng)輸入。周期為20ms，所以每個(gè)波動(dòng)的時(shí)間為20/64ms，根據(jù)公式(3-6)可以得到： （3-6）式中，取

27、I=115.83A，t=4ms，=600V ,得到：C=772.2F可以選取3000F/400V的電容4個(gè)串聯(lián)，這樣實(shí)際的容量為750F，耐壓為1600V。4.控制電路設(shè)計(jì)4.1 控制電路系統(tǒng)的概述敢應(yīng)加熱對(duì)其電源提出了一定的技術(shù)要求，感應(yīng)加熱電源的控制系統(tǒng)就是根據(jù)這些要求來(lái)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的。在生產(chǎn)過程中，根據(jù)不同的工藝，中頻電源不僅要輸出各種不同的功率，而且還需要在各種擾動(dòng)下維持和調(diào)整各種指標(biāo)。例如鍛坯加熱時(shí)，為保證工件的出口溫度，電源必須具有電壓自動(dòng)調(diào)節(jié)的能力，以適應(yīng)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)的影響。另外，在感應(yīng)加熱系統(tǒng)出現(xiàn)故障情況下，電路中會(huì)出現(xiàn)過電流和過電壓，控制系統(tǒng)中保護(hù)部分應(yīng)該負(fù)責(zé)故障的處理。因此

28、，與其他自動(dòng)裝置一樣，中頻電源必須具備相應(yīng)的控制功能，才能有可靠的工作和產(chǎn)品質(zhì)量的保證。隨著加熱工業(yè)的發(fā)展和新產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝的變化，對(duì)感應(yīng)加熱電源的控制系統(tǒng)功能的要求也更加的多樣化和智能化。4.2 控制電路的結(jié)構(gòu)與原理控制電路包括整流控制電路、逆變控制電路，保護(hù)電路等，如圖6所示。 逆變觸發(fā)電路調(diào)頻電路電壓檢測(cè)電路給定電壓比較放大電路啟動(dòng)控制同步信號(hào)電源變壓器整流觸發(fā)電路電流檢測(cè)電路移制電路濾波逆變負(fù) 載三相全控整流三組工電 源整流濾波給定電壓整流濾波比 較 電路圖6 感應(yīng)加熱電源控制電路整流控制電路的任務(wù)是根據(jù)各種輸入信號(hào)(給定，反饋，故障等)綜合情況發(fā)出寬度合適的脈沖，以便輸出合適的直流電

29、壓。感應(yīng)加熱電源主要用于工業(yè)快速，均勻加熱，特點(diǎn)是隨著加熱過程的進(jìn)行，負(fù)載不斷變化，負(fù)載的固有諧振頻率變化，功率因數(shù)變化。這些變化取決于負(fù)載的電氣特性如導(dǎo)電性、滲透性、耦合系數(shù)和幾何性質(zhì)如形狀等等；同時(shí)，不同的負(fù)載需要的功率大小也不同，這樣必須對(duì)逆變器的輸出功率和頻率都做相應(yīng)的調(diào)整。也就是說(shuō)，整流側(cè)和逆變側(cè)是協(xié)調(diào)工作的。在本設(shè)計(jì)中采用的是由整流側(cè)調(diào)節(jié)功率，逆變側(cè)進(jìn)行頻率跟蹤方案。整流橋的控制一般用典型的全可控整流(在不要求移相調(diào)節(jié)直流側(cè)電壓時(shí))或可控整流(需要調(diào)節(jié)直流側(cè)電壓時(shí))，具體用哪一種取決于控制策略。逆變控制電路包括開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)電路，死區(qū)形成電路，鎖相環(huán)電路。其中，驅(qū)動(dòng)電路所產(chǎn)生的脈沖

30、的次序和占空比由控制策略決定，硬件主要是由集成驅(qū)動(dòng)模塊及其一些外圍電路組成，也有用純模擬電路搭成的，還可以是數(shù)字與模擬電路共同合成。死區(qū)形成電路在串聯(lián)諧振型中是必不可少的，有的集成驅(qū)動(dòng)模塊中含有該單元，在設(shè)計(jì)時(shí)就可以省略；有的雖然含有一定的延遲環(huán)節(jié)，但時(shí)間太短，需要另加延遲。鎖相環(huán)電路的目的是跟蹤負(fù)載的諧振頻率，從而控制逆變電路的工作頻率，這就是所謂的鎖相控制。一般采樣電壓取自負(fù)載電容兩端，這是由于電容對(duì)高次諧波的阻抗小，其端電壓的高次諧波分量最小，基波分量最大。以此信號(hào)作為反饋，可有效降低高次諧波的干擾，使系統(tǒng)能穩(wěn)定地跟蹤諧振頻率，再加上適當(dāng)?shù)钠秒娐?，可以使得工作頻率略高于諧振頻率。保護(hù)電

31、路主要是防止過電流，短路保護(hù)。功率調(diào)節(jié)方式有三種：（1）改變功率因數(shù)z通過改變工作頻率來(lái)改變功率因數(shù)。通常，為減小器件開關(guān)損耗，工作頻率應(yīng)大于諧振頻率。若逆變器的工作電壓不變，則在諧振點(diǎn)附近負(fù)載等效阻抗最低，如圖7所示，電流最大，因而輸出功率也最大。 f0 f1 fQ1Q3Q1Q4Q2Q4tt圖7等效阻抗的頻率特性 圖8 移相控制開關(guān)動(dòng)作當(dāng)提高工作頻率時(shí)阻抗也隨之增大，電流減小，功率因數(shù)也減小，因此輸出功率隨之減小。由此可見，逆變器的輸出功率可由工作頻率來(lái)調(diào)節(jié)，特別當(dāng)負(fù)載回路Q值較高時(shí)調(diào)節(jié)更靈敏。因此，直流端可為三相全控整流電源。逆變電路的工作頻率f的大小由所需的功率要求決定。這種調(diào)功方法速度

32、快,整流電路簡(jiǎn)單。但是當(dāng)所需功率很小時(shí)，會(huì)讓系統(tǒng)工作在嚴(yán)重失諧的狀態(tài)，無(wú)功損耗大。（2）改變直流電壓移相調(diào)功是通過移相控制，即每個(gè)橋臂的兩個(gè)開關(guān)管互補(bǔ)導(dǎo)通，兩個(gè)橋臂的導(dǎo)通角相差一個(gè)相位，即移相角，通過調(diào)節(jié)移相角的大小調(diào)節(jié)負(fù)載電壓的寬度，從而調(diào)節(jié)輸出功率，如圖8所示。根據(jù)脈沖的作用先后可把橋臂分為超前臂(Q1, Q3)和滯后臂(Q2、Q4)。移相調(diào)功時(shí)電路仍工作在諧振狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)負(fù)載電壓基波分量與負(fù)載電流同相。在兩橋臂開關(guān)器件都關(guān)斷時(shí)，由反并聯(lián)二極管續(xù)流。（3）調(diào)頻來(lái)調(diào)節(jié)輸出功率目前，高頻感應(yīng)熱處理電源采用橋式逆變電路，通過調(diào)頻的方式來(lái)調(diào)節(jié)輸出功率。為了減小逆變管的開關(guān)損耗，逆變器的工作頻率大于其

33、諧振頻率。若逆變器的工作電壓不變，則在諧振點(diǎn)附近的輸出功率最大，當(dāng)提高逆變器工作頻率時(shí)，負(fù)載等效阻抗增高，輸出功率減小，輸出功率因數(shù)很低，而且逆變器主開關(guān)管工作在硬開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)損耗大，效率低。高頻感應(yīng)熱處理逆變電源采用并聯(lián)諧振式全橋DC/AC逆變電路，以晶閘管為主開關(guān)器件，由電流調(diào)節(jié)和功率調(diào)節(jié)組成雙閉環(huán)進(jìn)行功率調(diào)節(jié)，用頻率跟蹤電路控制逆變器的工作頻率，使逆變器始終工作于諧振狀態(tài)，逆變器輸出功率因數(shù)接近于1，而且能始終工作在準(zhǔn)零電流開關(guān)狀態(tài)、整機(jī)工作效率較高。4.3 控制電路的作用感應(yīng)加熱電源的控制電路必須至少起著以下作用:（1）調(diào)節(jié)控制電路必須對(duì)整流電路、逆變電路等系統(tǒng)主電路部分進(jìn)行功能控制

34、。對(duì)于整流電路、逆變電路必須在各種擾動(dòng)下維持系統(tǒng)各參量(如電流、輸出電壓等)不偏離其設(shè)定值。（2）上述各參量因各種故障而超出其設(shè)定的極限值時(shí)，控制電路應(yīng)將調(diào)節(jié)器封鎖，使整流電路轉(zhuǎn)入逆變工作狀態(tài)。（3）是為了達(dá)到調(diào)節(jié)和保護(hù)等目的，系統(tǒng)必須具有對(duì)各種參量進(jìn)行測(cè)量和監(jiān)視的能力。例如對(duì)冷卻水的壓力、水流量、水溫，控制柜中的氣溫，中頻電壓和電流等參量的測(cè)量和監(jiān)視。（4）中頻加熱電源的負(fù)載頻率必須要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤功能。（5）控制為了協(xié)調(diào)各部分工作，保證整個(gè)電源能按照預(yù)定的程序正常運(yùn)行，系統(tǒng)必須具有嚴(yán)密的控制操作。但是，與其他自動(dòng)裝置相比較，中頻電源對(duì)各項(xiàng)調(diào)節(jié)品質(zhì)指標(biāo)的要求(動(dòng)態(tài)的和靜態(tài)的)相對(duì)要低一些。而動(dòng)

35、態(tài)指標(biāo)與靜態(tài)指標(biāo)相比，后者是主要的。前者僅限于電源在擾動(dòng)下不至于失去控制。4.4 控制策略直到目前為止，工業(yè)中常用的中頻電源仍以并聯(lián)諧振逆變電路為主，功率調(diào)節(jié)方式都是采用單獨(dú)調(diào)節(jié)可控整流器輸出電壓的方法。中頻電源的開環(huán)控制如圖9所示。d2給定電壓整流控制角調(diào)節(jié)器UsaUdUdUNTCf U0d1負(fù)載電路可控整流逆變電路濾波電路圖9 中頻電源開環(huán)原理控制過程如下：整流觸發(fā)控制角調(diào)節(jié)器把輸入控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成控制角?？煽卣麟娐吩陔娋W(wǎng)電壓為的條件下把轉(zhuǎn)換成直流輸出電壓；經(jīng)過濾波電感后，逆變器將輸入直流電壓轉(zhuǎn)換為頻率為f的中頻電壓向負(fù)載輸出電能；負(fù)載電路將中頻電壓轉(zhuǎn)換成工件溫度，改變控制信號(hào)即可改變工件

36、溫度。開環(huán)系統(tǒng)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是對(duì)擾動(dòng)沒有調(diào)節(jié)能力。逆變觸發(fā)電路脈沖形成電路UsaUdUnfd1UdU0UtU1 可控整流給定電壓d2電壓調(diào)節(jié) 器Tc負(fù)載電路電壓反饋電路整流控制角調(diào)節(jié)器濾波電路逆變變路圖10 中頻電源控制原理閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的原理圖如10所示。電壓反饋電路把輸出中頻電壓，轉(zhuǎn)換成反饋電壓（直流），后者與給定電壓Us相比較，并產(chǎn)生差值電壓；電壓調(diào)節(jié)器將此差值電壓放大。這樣系統(tǒng)在外界干擾和的作用下也能維持輸出電壓為恒值。擾動(dòng)模擬三相電網(wǎng)電壓的波動(dòng)；擾動(dòng)模擬由于負(fù)載性質(zhì)變時(shí)所引起的阻抗變化，當(dāng)直流電壓為定值時(shí)，負(fù)載阻抗變化將引起輸出電壓的變化。圖中另一內(nèi)環(huán)描述逆變電路具有頻率自動(dòng)跟蹤

37、的能力。脈沖形成電路將連續(xù)變化的負(fù)載電壓換成同步脈沖，作為逆變觸發(fā)電路的控制信號(hào)。經(jīng)過感應(yīng)加熱的產(chǎn)品最重要的技術(shù)指標(biāo)就是溫度。還可以通過測(cè)量溫度然后作為反饋信號(hào)進(jìn)行控制。中頻輸出功率與工件溫度之間存在如下關(guān)系： （4-1）式中： 電源總效率； C鍛件的比熱容； 鍛件加熱時(shí)間； G鍛件質(zhì)量；環(huán)境溫度。 （4-2）式中：中頻電壓 等效電阻故有： （4-3）生產(chǎn)過程中若要保持工件的溫度在控制的范圍內(nèi)，工件的溫度是控制的關(guān)鍵因素。由上面的分析可知，調(diào)節(jié)中頻電壓的值就可達(dá)到調(diào)節(jié)鍛件溫度的目的。而中頻電壓在生產(chǎn)過程中會(huì)發(fā)生波動(dòng)，且溫度控制具有一定的滯后性，所以，在控制鍛件溫度的控制系統(tǒng)中，一般采用溫度和電

38、壓雙閉環(huán)的方法。溫度和中頻電壓串級(jí)控制，溫度閉環(huán)為外環(huán)，電壓閉環(huán)為內(nèi)環(huán)。系統(tǒng)控制框圖如圖11所示。整流控制角調(diào)節(jié)器電壓反饋溫度反饋UsUrUdUUHfTrP I調(diào)節(jié)P I調(diào)節(jié)可控 整流濾波電路逆變電路負(fù)載電路Tg控制系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中的控制系統(tǒng)外環(huán)根據(jù)用戶給定的設(shè)定溫度和反饋的工件溫度進(jìn)行PI調(diào)節(jié)后設(shè)定給定電壓值，內(nèi)環(huán)根據(jù)和中頻電壓反饋經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后通過整流控制角調(diào)節(jié)器設(shè)定整流的角，控制中頻電源的輸出功率。在電壓閉環(huán)和溫度閉環(huán)中都采用了PI調(diào)節(jié)器。比例調(diào)節(jié)P反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用以減少偏差，較大的比例系數(shù)可以使系統(tǒng)很快到達(dá)設(shè)定位，但是也增加了系統(tǒng)的不穩(wěn)定性；積

39、分調(diào)節(jié)I用于消除靜態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度；在感應(yīng)加熱中，熱慣性比電慣性大得多，所以一般忽略微分調(diào)節(jié)D，在實(shí)際設(shè)備中采用PI調(diào)節(jié)雙閉環(huán)控制。本裝置是采用電流電壓雙閉壞控制電路。4.5 2.5kHz/250kW感應(yīng)加熱電源控制電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的2.5kHz/250kW感應(yīng)加熱電源的控制電路是電流電壓雙閉環(huán)控制，其中采用電流為內(nèi)環(huán)，電壓為外環(huán)的控制方式，如圖12所示。三相全控整流器 橋?yàn)V波電抗逆變電路負(fù)載電路電流反饋電壓反饋UgaUfIfIgP I調(diào)節(jié)P I調(diào)節(jié)圖12 2.5kHz/250kW感應(yīng)加熱器的控制系統(tǒng)圖中Ug為給定電壓，Uf為負(fù)載反饋電壓，If為負(fù)載反饋電流，Ig為負(fù)載電流給定，為三相全控

40、整流橋的導(dǎo)通角。通過對(duì)主回路的三相全控整流橋的控制，即對(duì)三相全控橋的六個(gè)晶閘管導(dǎo)通角的控制，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載功率的控制。并聯(lián)逆變式負(fù)載采用頻率自動(dòng)跟蹤，需要對(duì)單相逆變器通斷的控制，來(lái)保證負(fù)載電路為諧振回路，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)載的功率輸出最大。4.6 控制觸發(fā)回路頻率跟蹤調(diào)節(jié)4.6.1 觸發(fā)要求為使逆變器可靠換向，必須按一定引前功率因數(shù)運(yùn)行。逆變器在加熱過程中，爐子的電感是個(gè)變量，其震蕩頻率在加熱過程中是不斷地變化的，為使逆變器安全地工作，觸發(fā)頻率必須緊跟爐子電感的變化。同時(shí)逆變器電流超前于電壓的角度不能太小，否則晶閘管承受反向電壓的時(shí)間太短，就不能可靠地關(guān)斷晶閘管，待負(fù)載電壓過零后，管子又將得到正向電壓，

41、造成換向失敗，但引前觸發(fā)角不能太大，它會(huì)造成功率因數(shù)下降，輸出電壓值升高?？傊|發(fā)應(yīng)是在一定的引前角下進(jìn)行，逆變器的換向必須在負(fù)載電壓過零前結(jié)束，逆變器觸發(fā)頻率必須跟蹤于負(fù)載頻率。4.6.2 頻率跟蹤電路頻率自動(dòng)跟蹤可由逆變器或負(fù)載端的電流或電壓量，經(jīng)過處理，產(chǎn)生脈沖，使逆變器隨爐子參數(shù)的變化不斷改變觸發(fā)脈沖頻率。它分為兩種恒時(shí)間原則及恒功率因數(shù)原則。（1）恒時(shí)間t原則，即加熱過程中始終保持引前觸發(fā)時(shí)間為恒值。其缺點(diǎn)是當(dāng)換向重疊時(shí)間增加時(shí)，安全余量勢(shì)必減小，對(duì)換向不利。啟動(dòng)時(shí)為使逆變器可靠換向，需人為增大t值。本原則功率因數(shù)隨爐子負(fù)載變化而變化。（2）恒功率因數(shù)原則，其目的是爐子在加熱運(yùn)行過程

42、中，始終保持引前觸發(fā)角平為恒定值。本原則在運(yùn)行中當(dāng)頻率降低時(shí)，tf將自動(dòng)增大，使引前觸發(fā)角保持不變，啟動(dòng)時(shí)雖然換向重疊時(shí)間增大，但因頻率較低也能保證tk有足夠的值，爐料溫度升高的過程中tf值將自動(dòng)減小，由于負(fù)載電流下降，tk值幾乎不受影響，本裝置隨頻率自動(dòng)變化。4.7 過流和過壓的保護(hù)電路電力電子半導(dǎo)體器件特點(diǎn)之一是承受過電壓、過電流的能力較差，一旦遇到故障，幾乎瞬間就壞。為了提高電力電子裝置的可靠性，除了在選擇器件時(shí)，需有一定的電壓和電流裕量外，還需要采用一定的保護(hù)措施。一般過電壓是用阻容元件吸收和消耗產(chǎn)生過電壓的能量，或是選用非線性元件限制過電壓的幅度和用電子電路來(lái)實(shí)施保護(hù)等方法來(lái)抑制過電

43、壓。過電流一般是采用快速熔斷器，快速直流開關(guān)和電子電路來(lái)實(shí)施過電流保護(hù)的?？煽毓杵骷目惯^流能力較弱，熱容量較小，過載電流流過器件時(shí)會(huì)使器件溫度迅速上升，如來(lái)不及切斷或限制過電流，很快就會(huì)使器件因溫度過高而損壞；過載電流越大器件能承受過電流時(shí)間越短，因此線路設(shè)計(jì)須考慮保護(hù)。本設(shè)計(jì)是采用快速熔斷器的保護(hù)措施，這是一種最簡(jiǎn)單有效的過電流保護(hù)器件。它的分?jǐn)鄷r(shí)間短（ 10ms），允許能量小，分?jǐn)嗄芰?qiáng)（1000A）以上）。使用時(shí)，與被保護(hù)晶閘管直接串聯(lián)，如圖14整流電路中的快速熔斷器所示。圖14 感應(yīng)加熱電源電路換流過程中的電壓毛刺會(huì)引起電路產(chǎn)生過電壓，這種現(xiàn)象主要靠增加阻容吸收來(lái)克服，須注意：逆變回

44、路二極管上也需要加阻容吸收。阻容吸收電路俗稱緩沖電路，電路是由電容和電阻串聯(lián)而成，利用電容來(lái)吸收尖峰狀態(tài)的過電壓能量，利用與電容串聯(lián)的電阻來(lái)消耗產(chǎn)生過電壓的能量。電阻還能阻止電容與線路分布電感形成的振蕩以及限制當(dāng)開關(guān)器件導(dǎo)通時(shí)，由電容放電引起的di /dt和浪涌電流。整流器和逆變器等同一個(gè)諧波源，在運(yùn)行時(shí)都會(huì)向電網(wǎng)注入諧波電流電壓，這些諧波分量都將產(chǎn)生不良影響。這是本設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)，也是今后研究的一個(gè)重要趨勢(shì)，目前只能靠LC濾波器來(lái)盡量減少諧波分量的影響。5 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 驅(qū)動(dòng)電路的作用是將控制電路輸出的PWM脈沖放大到足以驅(qū)動(dòng)IGBT，所以單從原理上講，驅(qū)動(dòng)電路主要起開關(guān)功率放大作用，即脈沖放

45、大作用器。其重要性在于IGBT的開關(guān)特性與驅(qū)動(dòng)電路的性能密切相關(guān)。5.1 絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求5.1.1 門極電壓對(duì)開關(guān)特性的影響及選擇驅(qū)動(dòng)電路的要求與IGBT的特性密切相關(guān)，見表5.1。設(shè)計(jì)門極驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，應(yīng)特別注意其開通特性、負(fù)載短路能力和引起的誤觸發(fā)等問題。正偏置電壓UGE增加，通態(tài)電壓UCE下降，開通能耗EON也下降，只有當(dāng)UGE大到一定值時(shí)，UCE才能達(dá)到較低的飽和值。若+UGE固定不變時(shí)，導(dǎo)通電壓將隨集電極電流增大而增高，開通損耗將隨結(jié)溫而升高。由此可知當(dāng)門極電壓在15V左右時(shí)，通態(tài)壓降接近飽和，但是門極電壓不能超過20V，否則可能擊穿門極與發(fā)射極之間的氧

46、化膜，這里選擇18V。 表5.1 IGBT的門極驅(qū)動(dòng)與特性的關(guān)系特 性、負(fù)載短路能力條件 UCE大UCE 大RG 大 減小減小 增大微增大 增大減小增大減小減小負(fù)偏電壓-UGE直接影響IGBT的可靠運(yùn)行，負(fù)偏電壓增高時(shí)漏極浪涌電流明顯下降，對(duì)關(guān)斷能耗無(wú)顯著影響，-UGE與集電極浪涌電流和關(guān)斷能耗EOFF的關(guān)系十分密切。因?yàn)楫?dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)，會(huì)在集電極和射極間產(chǎn)生很高的電壓上升率，引發(fā)較大的位移電流，使得門極與發(fā)射極間的電壓升高，可能超過門極閥值，導(dǎo)致脈沖浪涌電流過大，發(fā)生擎住效應(yīng)。為了避免這種誤觸發(fā)，在IGBT關(guān)斷時(shí)，應(yīng)在門極上加負(fù)電壓，-5V-10V。因此，驅(qū)動(dòng)電路輸出選擇+18V和-5V為

47、開通和關(guān)斷電壓。5.1.2門極串聯(lián)電阻對(duì)開關(guān)特性的影響及選擇門極電阻增加，將使IGBT的開通與關(guān)斷時(shí)間增加；因而使開通與關(guān)斷能耗均增加。而門極電阻減小，則又使增大，可能引發(fā)IGBT誤導(dǎo)通，同時(shí)RG上的損耗也有所增加。因?yàn)镽G的具體數(shù)值還與柵控電路的具體形式及IGBT的電壓、電流大小有關(guān)，所以門極電阻選擇要適當(dāng)。本設(shè)計(jì)中的門極電阻可選取30。綜上所述對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求可歸納如下：IGBT與MOSFET都是電壓驅(qū)動(dòng)，都具有一個(gè)2.55.0V的閾值電壓，有一個(gè)容性輸入阻抗，因?yàn)镮GBT對(duì)柵極電荷集聚較敏感，故驅(qū)動(dòng)電路必須很可靠，要保證有一條低阻抗的放電回路，即驅(qū)動(dòng)電路與IGBT的連線要盡量短。用內(nèi)阻小

48、的驅(qū)動(dòng)源對(duì)柵極電容充放電，以保證柵極控制電壓UGE有足夠陡的前后沿，使IGBT的開關(guān)損耗盡量小。另外,IGBT開通后，柵極驅(qū)動(dòng)源應(yīng)能提供足夠的門極電壓，使IGBT不致退出飽和而損壞。驅(qū)動(dòng)電路要能傳遞幾百Hz的脈沖信號(hào)。驅(qū)動(dòng)電平+UGE也必須綜合考慮。+UGE增大時(shí)，IGBT通態(tài)壓降和開通損耗均下降，但負(fù)載短路時(shí)的IC增大，IGBT能承受短路電流的時(shí)間減少，對(duì)其安全不利，因此在有短路過程的設(shè)備中UGE應(yīng)選得小些，一般選1215V。在關(guān)斷過程中，為盡快抽取PNP管中的存儲(chǔ)電荷，需施加一負(fù)偏壓UGE，但它受IGBT的G、E間最大反向耐壓限制，一般取-2-10V。驅(qū)動(dòng)電路與控制電路應(yīng)嚴(yán)格隔離。IGBT

49、的柵極驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單實(shí)用，最好自身帶有對(duì)IGBT的保護(hù)功能，并有較強(qiáng)的抗干擾能力。5.2 IGBT過壓的原因及抑制 IGBT關(guān)斷時(shí)，由于主回路電流的急劇變化，主回路的雜散電感引起高壓，產(chǎn)生開關(guān)浪涌電壓，由于此開關(guān)浪涌電壓，關(guān)斷時(shí)的電壓軌跡超過了RBSOA（反向偏置電壓安全動(dòng)作區(qū)域）就會(huì)損壞元件。為了對(duì)這種過電壓進(jìn)行抑制，采用適當(dāng)?shù)牟季€使主電路中的所有寄生電感減至最小時(shí)有利的，然后采用抑制網(wǎng)絡(luò)，并以最短的距離將其連接起來(lái)，在本系統(tǒng)中，采用的緩沖回路如下圖5.2所示：（1）工作原理 在IGBT導(dǎo)通時(shí)，通過R1使Cs1充電到直流電源U d。當(dāng)T1由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)，由于主回路的雜散電感，電流Io

50、將通過Cs1、D1流向變壓器原邊，管子兩端的電壓為電容電壓與二極管電壓之和，由于電容器Cs1上的電壓不能突變，所以T1管子兩端電壓將得到抑制。（2）緩沖器回路的設(shè)計(jì)1、緩沖器電容的計(jì)算：當(dāng)T1由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)，為維持負(fù)載電流的連續(xù)，電流Io將流過電容Cs1、D1、變壓器原邊、T4，雜散電感L中儲(chǔ)存的能量絕大部分將轉(zhuǎn)移到Cs1儲(chǔ)存，即： 圖5.2 緩沖器回路圖這里：- 主回路的雜散電感 - IGBT關(guān)斷時(shí)的集電極電流 - IGBT關(guān)斷時(shí)的集電極發(fā)射極電壓-直流電源電壓按經(jīng)驗(yàn)選取2、緩沖器阻抗R的計(jì)算:對(duì)緩沖器阻抗的要求使IGBT在關(guān)斷信號(hào)到來(lái)之前，將緩沖器電容上的電壓放至直流電壓。若阻抗很小，會(huì)

51、使電流波動(dòng)，IGBT開通時(shí)的集電極電流初始值將增大，在滿足的前提下，希望選取盡可能大的阻值，選取R=10。在緩沖電路中，電容要選為無(wú)感電容。電阻要選為無(wú)感電阻。 3、緩沖器二極管的選擇：要選擇快恢復(fù)二極管，若二極管選擇不當(dāng)，會(huì)產(chǎn)生很高的尖峰電壓，同時(shí)在二極管反向恢復(fù)時(shí)期電壓波動(dòng)。這里選擇二極管型號(hào)為MUR8100。由圖5-2可知緩沖器二極管D1和緩沖器電容Cs1的公共點(diǎn)是二極管的陽(yáng)極，所以圖5.3中二極管電壓為實(shí)際電壓的相反值，可以看出，在T1由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)，D1導(dǎo)通，Cs1充電，所充電壓為，其中L為主回路的雜散電感。在T3由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)， D1不通并承受反壓，Cs1通過R1充電，所充電壓

52、為，其中L1為變壓器的漏感。5.3 IGBT的過流保護(hù)在選擇IGBT的型號(hào)時(shí)，考慮了器件的工作電流及允許的過電流，然而在故障條件下，器件承受較大的故障浪涌電流，這是不允許的，所以要用某些方法保護(hù)器件免受破壞。對(duì)于負(fù)載變化引起的過載，通過閉環(huán)控制，是可以調(diào)節(jié)的。但是當(dāng)出現(xiàn)更為嚴(yán)重的過載，例如逆變電路橋臂短接等問題時(shí)，故障電流在IGBT管中急劇上升，這時(shí)就要給IGBT提供一個(gè)快速保護(hù)電路。 在主電路所示IGBT的逆變電路中，T1 和T3, T2和T4分別組成一個(gè)橋臂，如果由于故障或誤操作使得同一橋臂上的IGBT同時(shí)導(dǎo)通，即會(huì)產(chǎn)生橋臂短路現(xiàn)象，比如，T1和T3同時(shí)導(dǎo)通即會(huì)由短路電流流過兩個(gè)IGBT，

53、其電流通路如圖所示。由于T1和T3支路的電感很小，短路電流的上升率和浪涌沖擊電流均很大，又可能導(dǎo)致IGBT燒毀。5.3.1設(shè)計(jì)短路保護(hù)電路的幾點(diǎn)要求 （1）在器件實(shí)效之前完成IGBT的關(guān)斷，對(duì)于IGBT所經(jīng)歷的所有工作狀況，它應(yīng)該是成立的。 （2）應(yīng)有一定的抗干擾能力。 （3）由于快開關(guān)的和雜散電感相互作用，開關(guān)電路產(chǎn)生噪聲，以及電路中其它的電磁干擾，故障檢測(cè)應(yīng)有一定的抗干擾能力。 （4）應(yīng)足以適用于電路中的各種短路情況。（5）不應(yīng)影響IGBT的開關(guān)特性。5.4 集成光電隔離驅(qū)動(dòng)模塊HCPL-316J設(shè)計(jì)IGBT 的驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路是對(duì)它應(yīng)用的關(guān)鍵。如何保證系統(tǒng)穩(wěn)定且可靠工作,又使系統(tǒng)的開發(fā)周期短,性價(jià)比高,是一個(gè)需要綜合考慮的問題。目前實(shí)際產(chǎn)品應(yīng)用中有各種典型的驅(qū)動(dòng)電路,但都存在一定的不足。鑒于對(duì)電源和驅(qū)動(dòng)的要求,結(jié)合本次畢業(yè)設(shè)計(jì)選擇了AGILENT公司的光電耦合驅(qū)動(dòng)器件HCPL-316J 設(shè)計(jì)電路及與控制器的接口。其內(nèi)部集成集電極-發(fā)射極電壓（UGE）欠飽和檢測(cè)電路及故障狀態(tài)反饋電路。下面給出具體設(shè)計(jì)過程及其應(yīng)用。圖5.3 HCPL316J芯片管腳該芯片為SO16 封裝的表貼器件,其輸入