IGBT超音频串联移相调功感应加热电源的研究.pdf

摘要论文题目IGBT超音频串联移相调功感应加热电源的研究专 业：材料加工工程_摘要感应加热技术是20世纪初才开始应川于工业部门的，它是通过电磁感应原 理和利用涡流对工件进行加热，是制造业和材料加工中的一种重要手段。随着微 机技术和IGBT器件的发展，新型超音频感应加热电源成为研究的重点。本文以超音频串联谐振式感或加热电源为研究对象，皮用锁相环和PID技 术，采川数字信号处理器(DSP)和复杂可编程逻辑器件(CPLD)联合控制的数字化 技术实现感应加热电源的频率跟踪和0。180。自由移相调功，为感应加热电源 系统的数字化、信息化、柔性化、智能化控制提供了优质、可靠的技术基础。论文首先介绍了感应加热的基本原理及感应加热技术的发展动态。然后通过 对感应加热电源中的主电路拓扑进行分析，比较舟联谐振逆变电路与并联谐振逆 变电路的优缺点，选择了更适合超音频感应加热电源的串联谐振主电路。在确定了设计方案后，详细分析了电源的主电路结构并进行了系统各组成部 分器件的参数计算和选取。通过对锁相环原理进行了分析，提出一种基于DSP的数字锁相环(DPLL)的 实现方法。论文在分析和对比了感应加热电源的各种调功方式后，选择了移相调功对感 成加热电源进行恒流调节。通过两种硬件方案的对比，确定了一种最隹方案，实 现了基准臂与移相臂之间移相角的数字控制信号的产生。论文搭建了以TMS320LF2407A为控制核心的硬件控制平台。包括了采样电 路、保护电路、驱动电路、显示电路等外围电路。在此基础上编制了系统的程 序，完成了样机，并对其进行了整机联调，给出了电源的实测波形。实验结果证 明基于DSP的DPLL完全可以胜任超音频的频率跟踪，系统硬件电路可靠，程 序运行良好。关 键词：感应加热，串联谐振，移相调功，数字锁相环，DSP,CPLD论文类型：应用研究I河南科技大学硕士学位论文Subject:The Study of IGBT Super Audio-frequency Phase-shift Induction Heading Power SupplySpecialty:Materials Process Engineering_ _ABSTRACTThe induction heating technology was used in industrial area from the beginning of 20th Century.The work piece was heated by electromagnetic induction effect and eddy current.Induction heating method plays a very important role in manufacturing and material processing.With the developing of microcomputer and IGBT device,new super audio-frequency has became an emphasis in induction heating power.This paper regards induction heating power supply of super audio-frequency series resonance as the researching object.By the introduction of phase-lock loop and PID technology,the induction heating power supply realized frequency tracing and phase-shifting for 0180 to modify power of the induction heating power supply,which using digital technology control combination with DSP and CPLD,and this provide high quality,credibility technology foundation for numeralization,information,flexibility and intelligentized controlling of the induction heating power supply system.At the beginning,the basic theory of induction heating and the development of induction heating technique are introduced.By analyzing the main circuit of the induction heating power and comparing the advantages and disadvantages between series resonance circuit and parallel resonance circuit,the series resonance inverter is selected because it is more suited to super audio-frequency power supply.The main circuit is detailed analyzed after confirmation of design scheme.The calculation and selection of parameters are detailed explanation fbr every system component.The realized method of implementing PLL based Digital Signal Processor(DSP)is introduced through analyzing the principle of Phased-Locked Loop(PLL).By means of the comparison of several power adjust mode,phase-shifting adjusting in order to ensure constant current is selected.Through comparator of the two hardware scheme,the more suitable one is confirmed,which attained the creating numerical control signal between orient arm and shift arm.摘要The hardware control system based TMS320LF2407A is designed,which includes sampling circuit,protective circuit,phase-compensated circuit,display circuit and so on.System program is compiled and a model machine is made and debugged.The real waveform of power supply is offered at the end of this paper.The experimental result indicated that the circuit is credible and the program runs well,and the DPLL based DSP is competent for super audio-frequency-tracking.KEY WORDS:Induction heating,serial resonant,phase-shift power modulation,DPLL,DSP,CPLDDissertation Type：Application Researchiii第1章绪论第1章绪论1.1选题意义感应加热技术是20世纪初才开始应川于工业部门的，它是通过电磁感应原 理和利用涡流对工件进行加热，是制造业和材料加工中的一种重要手段山。目前半导体固态感应加热电源的频率划分如下：200Hz以下为低频，0.2 10kHz为中频，10100kHz为超音频，100kHz以上称为高频，它们具有不同的 应用范围。本文所设计的超音频感应加热特别适合表面淬火和感应钎焊等。上世纪八十年代以前，超音频感应加热电源十分缺乏，电子管振荡器电源和 晶闸管感应加热电源性能不好。电子管振荡器加热电源设备体积大、耗材多、电 压高、电磁污染和效率太低。晶闸管感应加热电源由于晶闸管本身开关特性等参 数的限制，频率很难提高。上世纪八十年代以后，随着新型大功率半导体开关器件的相继出现，促进了 以GTR、IGBT、SIT、SITH、MCT构成的感应加热电源的发展，各国竞相研 制。目前主要以IGBT为主并逐渐占据主导地位。其主要优点为：(1)体积小、重量轻、安装便捷；(2)IGBT导通损耗小，通态压降为几伏，效率高，能耗小，冷却水流量小；(3)通过合理设计，工作频率自动跟踪负载特性的变化；(4)优良的控制性能，便于实现自动化操作。国外串联超音频感应加热电源技术比较成熟。从市场上看，国内小功率审 联感应加热电源开始大量出现，主要问题是产品缺乏应有的频率自动跟踪功能。此外国内正在研究和生产超音频串联感应加热电源企业还没形成生产规模。因此为了改变上述局面，缩小与国外感应加热电源技术水平的差距，研制新 型IGBT超音频感应加热电源就显得十分必要。1.2感应加热的基本理论1.2.1 感应加热的原理初级线圈中电流的变化，可以在邻近的闭合次级线圈中产生感应电流，这就 是感应加热的理论基础。对金属工件的感应加热，其工作原理是在被加热金属工 1河南科技大学硕士学位论文件外绕上一组感应线圈。当线圈中流过某一频率的交流电流时，就会产生相同频 率的交变磁通，交变磁通又在金属工件中产生感应电势，从而产生感应电流，实 现对工件加热。感应加热所遵循的主要依据是：电磁感应、集肤效应和透入深度 三项基本原理。1.2.1.1 电磁感应与感应加热 感应加热的原理图如图1-1所示：图1-1感应加热电源原理图Fig.1-1 The schematic diagram of induction heating power supply如上图，当感应线圈上通以交变的电流i时，线圈内部会产生相同频率的交 变磁通,交变磁通。又会在金属工件中产生感取电势eo根据MAXWELL电 磁方程式，感应电动势的大小为：e=-N(1-1)dt式中N是线圈匝数，假如。是按正弦规律变化的，则有：(p=(/)msmcot(1-2)那么可得到感应电动势为：e=-N(/)m3 cos 3t(1-3)2第1章绪论因此感应电动势的有效值为:E=4.44Nf0m72(1-4)感应电势在工件中产生感应电流(涡流)1,使工件加热。其焦耳热为：Q=0.24I2Rt(1-5)由式(1-4)和(1-5)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，其产生的磁通也就越大，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；同样提高工作频率也会使工件中的感应电 流加大，从而增加加热效果，使工件升温更快。另外，涡流的大小还与金属的截 面大小、截面形状、导电率、导磁率以及透入深度有关。由此可见，感应加热是靠感应线圈把电能传递给要加热的金属，然后电能在 金属内部转变为热能。感成线圈与被加热金属并不直接接触，能量是通过电磁感 成传递的。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涡流以及 涡流引起发热的原理是相同的，不同的是在一般电气设备中涡流是有害的，而感 成加热却是利川涡流进行加热的山。1.2.1.2 透入深度与集股效应 如图1-2所示，当导线中流过的电流是直流或低频 电流I,在导线内和导线周围将产生磁场B,磁场从导线中心向径向方向扩展开 来。如图1-3所示，当导体通过高频电流时，变化的电流就要在导体内和导体外 产生变化的磁场(图中1-2-3和4-5-6)垂直于电流方向。根据电磁感应定律，高 频磁场在导体内沿长度方向的两个平面L和N产生感应电势。此感应电势在导 体内整个长度方向产生的涡流(a-b-c-a和d-e-f-d)阻止磁通的变化。可以看到涡流 的a-b和e-f边与主电流0-A方向一致，而b-c和d-e边与0-A相反。这样主电 流和涡流在导线表面加强，越向导线中心越弱，电流趋向于导体表面。这就是集 肤效应。导体中的电流集聚在离导体表面深度为5-25范围内，在深度超过2b 的地方电流就很小了。电流在导体中产生的焦耳热与电流的平方成正比，因此，单位体积中的焦耳热，即功率密度由表向里的衰减较电流密度的变化更为显著。3河南科技大学硕士学位论文高频淬火就是利用这一特性对工件表面进行加热O3图1-2低频时单根导体图1-3高频电流引起集肤效应Fig.1-2 A single conductor at low frequency Fig.1-3 The kelvin effect caused by high frequency图1-4中是一长度和直径都足够大的导体，当其中通以高频电流i时，电流 截面的电流分布呈指数分布规律下降。-X(1-6)式中：/为导体横截面上离表面x处的电流密度;J。为导体表面的电流密度；A为透入深度。图1-4高频电流的集肤效应Fig.1-4 The kelvin effect caused by high frequency4第1章绪论当X达到A时，J门0=037；当X达到2A时，J/J0=0.14,由此可见在深 度超过2A的地方电流密度就很小了，电流主要集中在导体表面A-2A的地方附 近。电流在导体中所产生的焦耳热与电流平方成正比，因此跟电流在导体的横截 面分布图相似，单位面积的焦耳热，即功率密度随着距离导体表面越远其衰减将 越剧烈即功率密度的分布：-2P=PQe A(1-7)式中：p为离导体表面的垂直距离等于x处的功率密度；Po为导体表面的功率密度。从上式中可看出功率密度的衰减倍数，在x=A处，功率p/po为0.14,因此 在功率密度在离导体表面A处以经很小了，在2A的地方，功率密度己经下降到 0.018,因此可以忽略不计，所以可以认为，交流电流在导体中产生的焦耳热聚 集在导体的电流透入深度层里面。透入深度A与电流频率导体材料的相对导磁率和电阻率.有关，透入 深度A由下式决定：(1-8)式中：P为电阻率；。为真空导磁率；人为相对导磁率；f为频率；A为透入深度。将常数值代入上式可得出常用公式:A=503P(1-9)5河南科技大学硕士学位论文可见导体的透入深度与导体的电阻率，相对导磁率，以及导体电流的工作频 率有关，导体电阻率越小导磁率越大频率越高，透入深度越小，集肤效应越显 著。1.2.1.3 邻近效应和圆环效应 在感应加热炉中，当感应线圈中通以高频交流电4 时候，炉中的被加热工件会产生交变的感应电流此时两电流的方向相反，这 相当于两个平行的不同方向的电流流过导体，会表现出邻近效应如图1-5,即电 流会集中在两根导线内侧表面，其解释为两根电流方向相反的相邻的导体内侧的 总磁场增强，而外侧磁场减弱，位于导体外侧的电流线交链的磁通比内侧的电流 线交链磁通要多，因而所感生的反电动势较内侧大，合成电动势较内侧小，因而 呈现内侧表面电流集聚的现象，导体间的间隙越小，邻近效应越显著，同理在感 成炉中，磁力线在环内集中，在环外分散，一部分磁力线穿过内侧的导体本身，因此外侧的电流线较内侧的电流线交链更多的磁通，所感生的反电势也越大，合 成电势小，电流集聚在内表面的圆环现象如图1-6川。因此感应线圈中的电流4 集聚在线圈的内侧表面，2集聚在工件的外表面。图1-5邻近效应Fig.1-5 The approach effectii图1-6圆环效应Fig.1-6 The annulus effect无论是集肤效应、邻近效应或圆环效应，都是由于导体中流过交变电流时，在导体周围形成交变磁场，从而在导体中产生自感电动势迫使电流发生重新分配 的结果1.2.2 工件电阻率和导磁率随温度的变化大多数情况下，被加热的工件为铁磁物质。如钢、铁等，它们的电阻率和 导磁率与温度变化有着紧密的关系如图1-7O加热过程中温度变化所引起的电 参数变化非常复杂，在磁性变态点之前，电阻系数P和导磁率均在变化，当工 6第1章绪论件温度达到磁性变态点以上时，P和均趋于稳定，冷态加热开始时，几乎不 变，此时电阻随P的上升而增大，当温度接近磁性变态点时，导磁率有明显下 降，使固有谐振频率升高。对于非铁磁性工件来讲，在加热过程中导磁率(=1)不变，则电阻则随温度升高而增大卬叫图1-7工件电阻率和导磁率随温度的变化曲线Fig.1-7 The resistivity and magnetic inductivity change curve by tempereture of workpiece1.2.3 感应加热的特点和用途自工业上开始应川感应加热电源以来，已过去将近80年了。在这期间，无 论是感应加热的理论还是感应加热的装置都得到了很大的发展。感应加热的应川 领域亦随之扩大，其应用范围也越来越广。究其原因，主要是感应加热具有如下 一些特点叫(1)加热温度高，而且是非接触式加热；(2)加热速度快，效率高，从金属内部即从到金属的电流透入深度层开始加 热的，这样就很大程度的节省了热传导时间，因此集热速度快，被加热物的表面 氧化少，生产效率可达60%以上；(3)温度容易控制，可以局部加热，产品质量稳定；(4)容易实现自动控制，感应加热装置可频繁的启停，控制温度的精度高，温差可达到一0.01+0.01；(5)环保，不工作时，可将感应电源关闭，使川时对大气及周围环境无污 染，无噪声，适合现代环保的要求；(6)能加热形状复杂的工件。在成川领域方面，感成加热可用于金属熔炼、透热、热处理和焊接等过程，己成为冶金、国防、机械加工等部门及铸、锻和船舶、飞机汽车制造业等不可缺 少的能源。此外，感应加热己经或不断地进入到人们的家庭生活中，例如电磁 炉、热水器等都可以采用感应加热方式来实现。7河南科技大学硕士学位论文1.3 感应加热电源的发展背景1.3.1 感应加热技术的发展现状感应加热技术经过近百年的发展取得了很多重大的成果，尤其是二十世纪五 十年代以后，随着固态电力电子器件的出现与发展，使感或加热技术和现代化的 工业生产发生更紧密的联系，在现代工业生产中发挥了重大的作川，世界各国普 遍重视感应加热技术的研究开发。低频感应加热的特点是透热深度深，工件的径向温差小，因此热应力小，工 件变形小，比较适合于大型工件的整体透热、大容量炉的熔炼和保温。目前在低 频感应加热场合普遍采川传统的工频感应炉。在中频(200Hz10kHz)范围内，品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。国外装置的最大容量己达数十兆瓦，国内也已形成 200Hz8000Hz,功率为100kW3000kW系列产品，可以配备5t熔炼炉及更大 容量的保温炉，也适川于各种金属透热，表面淬火等热处理工艺。但国产中频电 源目前大都采川并联谐振型逆变器结构。因此，在研究和开发更大容量的并联逆 变中频电源的同时，研制结构简单，易于频繁起动的审联逆变中频电源是国内中 频感应加热装置领域有待解决的问题，尤其是在熔炼、铸造应用中，审联逆变电 源易于实现全工况恒功率输出(有利于降低电能吨耗)及一机多负载功率分配控 制，更值得推广应用。但中频电源仍然存在着加热效率低、工作频率范围窄、可靠性差等缺点，难 以满足不同工艺、不同负载的要求。在超音频(10kHz100kHz)范围内，在感应加热设备出现早期基本上是空 白，晶闸管出现后，曾经出现过由晶闸管构成的采川时间分割电路和倍频电路实 现的超音频电源。但到了上世纪八十年代，随着一系列新型固态电力电子器件的 出现(GTO,GTR,MCT,IGBT,MOSFET,BSIT和SITH等)，以此类新型器件构成 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应川最为普遍，因为IGBT综合了 GTR和MOSFET的优点，使川起来方 便可靠。1994年，巳本采川IGBT研制出了 1200kW/50kHz的并联逆变感应加热 电源，逆变器工作于零电压开关状态，并实现了微机控制；西班牙在1993年也 已报道了 30-600kW,50-100kHz并联逆变感应加热电源;此夕卜,欧州地区的其 他一些国家如英国、法国、瑞士等国的系列化超音频感应加热电源目前最大容量 也达到数百千瓦。1996年，浙江大学成功研制了 50kW/50kHz的IGBT并联谐振 逆变感应加热电源，并通过了技术鉴定。同期，清华大学电力电子厂研制出8第1章绪论IPS系列并联感应加电源，频率范围在30kHz50kHz,最大功率达250kWo以 上这些都是并联谐振电路。在同一时期，北京有色金属研究总院和本溪高中频电 源设备总厂研制出100kW/20kHz的IGBT审联谐振式感应加热电源网。北京航空 航天大学于2001年成功研制了 50kW/20kHz的IGBT审联谐振式感应加热电 源。在高频(100kHz以上)频段，目前国外正处在从传统的电子管电源向全固态 电源的过渡阶段，由于IGBT关断时存在的尾部电流，会限制工作频率的进一步 提高9皿。所以高频感应加热电源以模块化、大容量化MOSFET功率器件为 主，西班牙采川MOSFET的电流型感应加热电源制造水平可达 600kW/400kHz12,德国在1989年研制的电流型MOSFET感应加热电源水平可 达480kW/50-200kHz,比利时Inducto Elphi公司生产的电流型 MOSFET感应 加热电源水平可达1000kW/15GOOkHzU。应川于高频电源的另一功率器件为 静电感应晶体管(SIT),主要以巳本为主，电源水平在80年代末达到了 1000kW/200kHz,400kW/400kHz,SIT 开关速度比 MOSFET 快，国内浙江大学 在90年代研制成20kW/300kHz MOSFET高频电源，己被成功应用于小型刀具 的表面热处理和飞机涡轮叶片的热应力考核试验中。1996年天津高频设备厂和 天津大学联合开发出75kW/200kHz的SIT感应加热电源。总的来说，与国外的 水平有一定的差距。SIT存在很大的通态损耗，制造工艺复杂、成本高，难以向市场进一步推 广。类似的静电感应晶闸管(SITH)也是高频大功率领域的一种较为理想的元件，但目前还处于开发研究阶段，随着MOSFET、IGBT性能不断改进，SIT将失去 它存在的价值。总之，国内感应加热电源的研制水平总体上落后于国外的水平，因此本论文 的研究内容具有较强的现实意义。1.3.2 感应加热电源技术的研究方向感应加热电源技术的发展与功率半导体器件的发展密切相关，随着功率器件 的大容量化、高频化带动感应加热电源的大容量化和高频化。(1)高频化”4目前，感应加热电源在中频频段主要采川晶闸管，超音频频段 主要采川IGBT,而高频频段，由于SIT存在高导通损耗等缺陷，主要发展 MOSFET电源。感应加热电源谐振逆变器中采川的功率器件利于实现软开关，但是，感应加热电源通常功率较大，对功率器件、无源器件、电缆、布线、接 地、屏蔽等均有许多特殊要求，尤其是高频电源。因此，实现感应加热电源高频 9河南科技大学硕士学位论文化有许多应川基础技术需进一步探讨，特别是新型高频大功率器件(如MCT,IGCT及SIC功率器件等)的问世将进一步促进高频感应加热电源的发展。(2)大容量化 从电路的角度来考虑感应加热电源的大容量化，可将大容量化 技术分为二大类：一类是器件的审、并联；另一类是多台电源的审、并联。在器 件的审、并联方式中，必须认真处理审联器件的均压问题和并联器件的均流问 题，由于器件制造工艺和参数的离散性，限制了器件的审、并联数目，且审、并 联数越多，装置的可靠性越差。多台电源的审、并联技术是在器件审、并联技术 基础上进一步大容量化的有效手段，借助于可靠的电源审、并联技术，在单机容 量适当的情况下，可简单地通过审、并联运行方式得到大容量装置，每台单机只 是装置的一个单元或一个模块。感应加热电源逆变器主要有并联逆变器和审联逆变器，审联逆变器输出可等 效为一低阻抗的电压源，当二个电压源并联时，相互间的幅值、相位和频率不同 或波动时将导致很大的环流，以致逆变器件的电流产生严重不均，因此审联逆变 器存在并机扩容困难。而对并联逆变器，逆变器输入端的自流大电抗器可充当各 并联器之间的电流缓冲环节，使得输入端的AC/DC或DC/DC环节有足够的时 间来纠正自流电流的偏差，达到多机并联扩容。晶体管超音频、高频电源多采川 并联逆变器结构，并联逆变器易于模块化、大容量化是其中的一个主要原因。(3)负载匹配 感成加热电源多成用于工业现场，其运行工况比较复杂，它与 钢铁、冶金和金属热处理行业具有十分密切的联系，它的负载对象各式各样，而 电源逆变器与负载是一有机的整体，负载自接影响到电源的运行效率和可靠性。对焊接、表面热处理等负载，一般采川匹配变压器连接电源和负载感应器，对高 频、超音频电源川的匹配变压器要求漏抗很小，如何实现匹配变压器的高能输入 效率，从磁性材料选择到绕组结构的设计己成为一重要课题。另外，从电路拓扑 上负载结构以三个无源元件代替原来的二个无源元件以取消匹配变压器，实现高 效、低成本隔离匹配。(4)智能化控制 随着感应热处理生产线自动化控制程度及对电源可靠性要求 的提高，感应加热电源正向智能化控制方向发展。具有计算机智能接口、远程控 制、故障自动诊断等控制性能的感应加热电源正成为下一代发展目标。(5)应川范围扩大化 采川感应加热方法对锻造钢胚透热，节水节电，无污 染；铸造熔炼方面可以实现普通钢、特种钢、非铁金属材料的精细熔炼，同时可 提高效率、无污染、金属成份可控；感应钎焊效率高，对被焊母材无损伤，适川 于精度高、批量大的工件和体积大、难移动的母材局部钎焊及各类金属管材的焊 接；各类零部件的表面热处理大量采用感应加热方法；钢塑材料制造、铝塑薄膜 10第1章绪论加上以及食品上业、医药上业的封口工艺也大量采用感应加热方法。(6)高功率因数，低谐波电源由于感应加热川电源一般功率都很大，目前 对它的功率因数、谐波污染指标还没有严格要求，但随着对整个电网无功及谐波 污染要求的提高，具有高功率因数(采川大功率三相功率因数校正技术)低谐波污 染电源必将成为今后发展趋势。1.4 论文的主要内容本课题的主要任务就是利川DSP和CPLD来实现基于移相调功的审联谐振 式感应加热电源的控制。电源的工作频率为1050kHz,功率为30kW左右，调 功方式为移相调功。控制电路采用DSP和CPLD做为主控制芯片，完成负载的 频率跟踪、输出功率调节、启动/停止和保护等功能，使系统工作在给定的输出 功率下工作稳定、可靠。本论文的具体内容如下：(1)通过对并联谐振电路与舟联谐振电路进行分析对比，根据本文所要控制 的对象的特点，选定以审联谐振作为感应加热电源系统的主电路；(2)计算电路中的各个器件的参数，确定各个器件的型号；(3)提出一种基于DSP的软件锁相环的实现方法，使其具有一定的通川性，具有较宽的频率工作范围，以期对不同的负载具有适用性；(4)对感应加热电源的功率调节问题进行分析，采川不控整流加移相调功作 为电源输出功率控制的方法，通过对两种不通方案的对比，确定川DSP器件的 PWM通道实现移相触发脉冲的数字化产生，川CPLD完成死区时间电路和其它 逻辑电路；(5)设计并制作基于DSP和CPLD的硬件控制平台，包括了采样电路、故障 保护电路、驱动等外围电路；(6)系统的软件设计。完成基于DSP的系统控制功能，设计较为方便的显示 电路；(7)系统整机联调，实验结果分析。本论文研究了基于DSP和CPLD联合控制的移相调功超音频感应加热电 源，对于提高我国感应加热电源智能化程度及整体技术水平有现实意义和经济效、八 rm.o11第2章IGBT感应加热电源主电路和功率调节方法第2章IGBT感应加热电源主电路和功率调节方法2.1 主电路功率元器件在感应加热电源中，IGBT是最重要的功率开关器件。IGBT结构和制造工 艺经过多代改进，如从平板型改进到沟槽形IGBT,从穿通型到非穿通型 IGBT,并向着高速度、低压降、自限流和器件一致性方向发展，目前已形成了 不同的种类【16-18。按器件特性和川途，有快速和慢速、低增益和高增益、窄安 全工作区和宽安全工作区等之分。按器件封装分，有单管和模块两类。按器件参 数分，包括了不同等级的电流电压规格。IGBT是新型的半导体复合器件，其结构原理是一种电导调制的MOSFET,或MOS驱动的双极晶体管。因此，它集合了单极器件和多极器件优点，特别适 合在感应加热电源中应用。从应川特性上，IGBT具有如下特点：(1)全控型器件，电压驱动，易于控制；(2)输出阻断电压高、载流密度大、通态压降低，适合与较高的电压和功率 配合应川；(3)开关动态性能介于MOS与GTR之间，目前最高工作频率为100kHz左 右；(4)可实现较宽的安全工作区，无二次击穿现象，但应避免擎住效应口”2.1.1 1国的结构和工作原理IGBT的内部结构，等效电路和图形符号如图2-1所示。IGBT结构上与 MOSEFT十分类似，只是多了一个P层，引出作为发射极，而栅极、集电极与 MOSEFT完全类似。当加在集电极和发射极之间的电压为负时，P基区与N漂移区之间形成的 PN结反偏，无电流通过，器件工作在反向阻断状态；当栅极对发射极之间短 路、集电极加正向电压时，器件工作在正向阻断状态；当栅极对发射极所加的正 向偏压超过其门槛电压时，MOS区将形成反型层，MOSFET内形成沟道，电子 从N+发射区流向N-漂移区，这个电子流为晶体管提供基极电流，由于集电极和 发射极所加电压为正压，Ji结正偏，空穴从P+层注入到N-漂移区，电子和漂移 区的空穴复合，剩余的空穴被注入到发射极，形成集电极和发射极之间的垂直电 流。12河南科技大学硕士学位论文(a)IGBT内部结构图(b)简化等效电路(c)电气图形符号图2-1 IGBT结构图、简化等效电路和电气图形符号Fig.2-1 The basic frame,the equivalent circuit and circuit symbol of IGBT(a)The inner structure of IGBT,(b)The equivalent circuit,(c)Circuit symbol导通时，由P+区向N基区发射少子，从而对漂移区电阻率进行调制，使得 IGBT具有很强的通流能力。其简化等效电路如图2-l(b)所示，可以看出，这是 川双极型晶体管与MOSFET组成的达林顿结构，相当于一个MOSFET驱动的厚 基区PNP晶体管。图中R为晶体管基区内的调制电阻(体电阻)，因此，IGBT的 驱动原理与电力MOSFET基本相同，是一种场控器件。IGBT的开通和关断是由栅极和发射极之间的电压Uge决定的，当Uge为正 且大于开启电压UGE(th)(Uce0)时，MOSFET内形成沟道，并为晶体管提供基极 电流，使IGBT导通。电导调制效应使得Rn减小，IGBT通态压降小，这样，高 耐压的IGBT也具有很小的通态压降。当栅极与发射极间施加反向电压或不加信 号时，MOSFET内的沟道消失，品体管的基极电流被切断，IGBT关断。上所述的PNP晶体管与N沟道MOSFET组合而成的IGBT称为N沟道 IGBT,记为N-IGBT,其电气图形符号如图2-l(c)所示。相应的还有P沟道 IGBT,记为P-IGBT,其电气图形符号与图2-l(c)箭头方向相反。实际当中N沟 道IGBT应川较多。2.1.2 IGBT的主要特性2.1.2.1 静态特性 图2-2(a)所示为IGBT的转移特性，它描述的是集电极电流Ic 与栅极电压Uge之间的关系，与电力MOSFET的转移特性类似。开启电压 UGE(th)是IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压。UGE(th)随温度升高而略 13第2章IGBT感应加热电源主电路和功率调节方法有下降，温度每升高1,其值下降5mV左右。在+25时，UGE（th）一般为26Vo(a)转移特性(b)输出特性图2-2 IGBT的转移特性和输出特性Fig.2-2 The transfer characteristic and output characteristic of IGBT(a)The transfer characteristic,(b)The output characteristic图2-2（b）所示为IGBT的输出特性，也称伏安特性，它描述的是以栅射电压 Uge为参考变量时，集电极电流Ic与集射极间电压Uce之间的关系。此特性与 GTR的输出特性相似，不同的是，IGBT的参考变量为栅射电压Uge，而GTR 的参考变量为基极电流IBo IGBT的输出特性也分为三个区域：正向阻断区、有 源区和饱和区。这分别与GTR的截止区、放大区和饱和区相对应。UGEUGE（th）的区域为IGBT的有源区；Uge UGE（th）的区域为IGBT的正向阻断区；正常开通 时，IGBT处于饱和区。此外，当UGE(2-9)L，设谐振角频率为软：0 则 0=1-(2-10)V LC(2-H)F(212)G GL18河南科技大学硕士学位论文(2-13)=j。CU=呼入=jQIs(2-14)G可见，电路发生串联谐振时外部电源电流全部加在电阻上，电感上的电流和 电容上的电流大小相等，方向相反，且大小等于外部电流的Q倍，因此我们也 常常把并联谐振称为电流型谐振，Q为谐振电路的品质因数。2.2.3 串联逆变器与并联逆变器的比较分析感或加热电源通常有串联谐振和并联谐振两种电路形式，等效电路如图2-6 所示。(a)串联谐振(b)并联谐振图2-6逆变器电路形式Fig.2-6 The circuit form of inverter(a)Series resonance,(b)Parallel resonance两种电路的工作特性对比如下叫19第2章IGBT感应加热电源主电路和功率调节方法(1)审联逆变器要求由电压源供电。因此，经整流和滤波后的直流电源末端 必须并联大的滤波电容器，当逆变失败时，浪涌电流大，保护困难。并联逆变器要求由电流源供电，需在直流电源末端审接大电抗器。但是在逆 变失败时，由于电流受大电抗器的限制，冲击不大，容易保护。(2)审联逆变器是恒压源供电，为避免逆变器的上、下桥臂IGBT同时导通，造成电源短路，换流时，必须保证先关断，后开通。此外，在IGBT关断期间，为确保负载电流连续，使IGBT免受换流电容器上高压的影响，必须在IGBT两 端反并联快速二极管。并联逆变器是恒流源供电，为避免滤波电抗器上产生大的感生电势，电流必 须连续。也就是说，必须保证逆变器上、下桥臂IGBT在换流时，是先开通后关 断，也即在换流期间内所有IGBT都处于导通状态。(3)舟联谐振逆变器在换流时，IGBT是自然关断的，关断前其电流己逐渐减 少到零，因而关断时间短，损耗小。在换流时，关断的IGBT受反压的时间较 长。并联谐振逆变器在换流时，IGBT是在全电流运行中被强迫关断的，电流被 迫降至零以后还需要加一段反压时间，因而关断时间较长。相比之下，舟联谐振 逆变器更适宜于在工作频率较高的感应加热装置中使川。(4)串联谐振逆变器起动较容易，适用于频繁起动的场合；而并联谐振逆变 器需附加起动电