2.4 IGBT超音频及高频电源

IGBT逆变电源的电路组成框图与图2-10相同。一般输出功率小于20kW的电源，采用单相交流电源供电，大于20kW的采用三相交流电源供电。由于频率的原因，一般超音频电源多采用IGBT（频率在10～100kHz）。

超音频感应加热电源主要使用具有自关断能力的开关器件IGBT。电路形式有电压型串联谐振式逆变器和电流型并联谐振逆变器。目前大功率IGBT的关断时间达到ns级，这使得在超音频频段（10～100kHz）的感应加热电源具有优良的技术指标，在中频频段（1～10kHz）也采用了IGBT制造中频感应加热电源目前除单管IGBT外，已批量生产一单元、二单元、四单元和六单元的IGBT标准型模块。IGBT的制造水平已达到1800A／4500V，开关频率200kHz。随着对模块的频率和功率要求的提高，国外已开发出了一种平面式的低电感的模块结构进而发展到把IGBT芯片、控制和驱动电路、过电压、过电流、过热和保护电路封装在同一绝缘外壳内，制作成为智能化IGBT模块。它是智能化功率模块IPM的一种，这将为电力电子逆变器的高频化、小型化、高可靠性和高性能奠定了器件基础，也为简化整机设计、降低制造成本、缩短产品化的时间创造了条件。

2.4.1 IGBT的特性及参数

IGBT是双极型晶体管和MOSFET晶体管的复合。双极型晶体管饱和压降低、载流密度大，但驱动电流也大。MOSFET为电压驱动型，故驱动功率小，载流密度小，开关速度快，但导通压降大。IGBT则综合了两种器件的优点，成为驱动功率小且饱和压降低的新型器件。50～150kHz的MOSFET高频电源电路。为提高输出功率，各桥臂采用两管并联为了解决管子之间的均流问题，应采取以下措施：

1）VM₁～VM₄是由MOSFET组成的管组，每组应尽量选用特性一致、特别是通态电阻一样的器件并联。

2）MOSFET管分别串接栅极电阻。

3）驱动信号功率应足够大。

图2-29 MOSFET高频电源电路

4）四个桥臂的布局与安装要使其散热条件相同，以保证工作温度尽量相同等。与MOSFET器件D-S极间反并联的二极管，是器件内部的快恢复二极管它有与MOSFET开关速度相匹配的恢复时间，其耐压与允许电流也相一致，作用是为外部电路的无功电流提供通路，与之相并联的电阻和电容是吸收回路。

负载回路L、R、C是串联谐振电路。在谐振状态下，电容器C两端电压和淬火变压器初级线圈两端电压是u_AB（矩形波）的基波电压u₁的Q倍，Q称为串联谐振电路的品质因数。它受加热工件的物理状态和淬火变压器结构的影响一般为5～10。

（2）逆变器驱动电路 驱动电路是由集成PWM控制器SG3525为核心的电路组成，由驱动器1～4输出触发信号ug₁～ug₄。与晶闸管逆变器不同，由于MOSFET具有自关断能力，因而不用起动和换流电路，只要在MOSFET的栅极

1.IGBT的转移特性和输出特性

图2-30所示为Fuji公司生产的型号为IMBH60D-100的IGBT的转移特性和输出特性，图2-30又称为静态特性图。

图2-30 IMBH60D-100的IGBT的特性

a）转移特性 b）输出特性

2.IGBT的开关特性

同MOSFET一样，当工作在高频开关状态时，必须要考虑极间电容的影响作为开关特性例子见表2-7（3）。由于IGBT为电压驱动型，具有驱动功率小开关速度快、饱和压降低，可承受高电压和大电流等一系列优点，综合性能好已成为当前应用最为广泛的功率半导体器件。

3.IGBT的主要参数

下面以Fuji电气公司的一单元模块IMBH60D-100为例，介绍IGBT的主要额定值参数及电气特性参数。在内部的C-E极间反并联有快恢复二极管，电路符号见图2-31c，其主要参数见表2-7。

图2-31 IGBT的等效电路和电路符号

a）等效电路 b）电路符号 c）内含反并联二极管的电路符号d）二单元模块电路符号

表2-7 IGBT的主要参数

2.4.2 IGBT超音频逆变器

现以电压串联型谐振逆变电路为例介绍其工作原理。其电路如图2-32所示该电路为单相逆变桥和L、R、C负载谐振回路组成的串联式逆变电路。

图2-32 电压型串联谐振式逆变电路

1.电路工作原理

三相交流电经三相整流桥整流，再经滤波电容C_d滤波供电给逆变电路。以IGBT为功率开关器件的VT₁～VT₄组成逆变器的桥臂。VD₁～VD₄分别为四只IGBT器件内部的反并联快恢复二极管，它们为逆变桥提供换流通路。u_g1～u_g4分别是VT₁～VT₄开关器件的触发脉冲。为了避免逆变器上、下桥臂直通，换流过程必须遵循先关断、后开通的原则。因此，在上、下桥臂IGBT触发脉冲的上升沿之间必须留有足够的时间死区t_s，电量波形如图2-33所示。图中，u₁是u_AB的基波电压i₁是串联电路电流i的基波电流。由于L和C要进行能量交换，即电流是连续的，因此当VD₁和VD₃由导通变为截止，或者VD₂和VD₄由导通变为截止时与IGBT反并联的快恢复二极管在时间t_s将承担续流的任务。具体的换流情况见图中波形和导通器件的顺序。图2-33是IGBT逆变桥工作在cosφ＝1的理想状态，即串联谐振状态（f＝f₀）下的波形。由于换流是在电流为零的附近完成因而开关损耗小，当工作频率f偏离谐振频率f₀时，开关损耗将增大。为了估算逆变器的振荡功率及转换效率，忽略换相过程，则u_AB近似为矩形波，将其展开成傅里叶级数为

图2-33 触发脉冲与电量波形

基波电压有效值为

设基波电流i1的有效值为I1，则输出功率P0为

P₀＝U₁I₁≈0.9U₀I₀（2-12）举例：设U₀＝500V，I₀＝230A，f＝25kHz，则P₀＝0.9×500×230kW＝103.5kW，转换效率η＝103.5×1000／500×230＝0.9。

为了调节输出功率，可调节直流电压U0，此时图2-32中的三相整流电路要改为三相可控整流电路。

2.驱动电路

（1）模块化驱动器 IGBT和其他功率半导体器件一样，驱动电路是决定其工作可靠性、稳定性和器件寿命的关键因素之一。为此，对驱动电路有如下要求：①驱动电路必须能向栅极提供幅值足够高的正向电压UGE，一般为12～15V；②应能提供负向栅极电压。负栅压有利于快速消灭存储电荷，从而有利于缩短关断时间，一般取－5～－10V；③应能输出前后沿陡峭的脉冲，内阻要小，能输出较大的峰值电流以使输入电容能快速充放电缩短开关时间，减小开关损耗；④抗干扰能力要强，对被驱动的IGBT具有保护功能。

满足上述要求的模块化电路有多种系列产品。

1）日本富士公司的EXB系列产品综合性能参数见表2-8。

表2-8 日本富士公司的EXB系列产品综合性能参数

图2-34a示出了EXB841驱动模块电路与IGBT相连接的电路，电路的工作原理分析如下：①当驱动信号脉冲到达VT1－1管基极时，EXB841的第15脚→14脚有10mA电流流过，经内部电路提升电压幅度后，在第3脚与1脚之间输出驱动脉冲u_g1，其波形如图2-34b所示，正向幅度为15V。当驱动信号脉冲为零时在IGBT的G极与E极之间为－5V电压，这样有利于缩短关断时间。②IGBT的短路或过电流保护。IGBT正常饱和导通情况下，V_CE≈3V，此时高反压快恢复二极管VD_H导通，EXB841的第5脚为高电位，光电耦合管VO₁无过电流保护信号输出，EXB841继续正常工作。当IGBT过电流或短路而退出饱和工作区时VC_E将升高至4～5V之间，此时VD_H截止，从而导致第5脚电位为0，于是VO₁管有过流保护信号输出，此信号将使驱动电路在很短时间内停止输出驱动脉冲u_g1，保护了IGBT不致过电流或短路而损坏。③R_G的数值可按照表2-8中的推荐值进行选用。EXB841的输出端至IGBT栅极的引线要使用绞线。④对于逆变桥臂的其他IGBT（VT₂、VT₃、VT₄）的驱动电路的工作原理是一样的。但要注意u_g1～u_g4的波形要按图2-33中的关系提供给相应IGBT的输入端；四个EXB841的直流电源（UG₁～UG₄）是相互绝缘的独立电源。

图2-34 驱动电路及脉冲波形

a）电路图 b）驱动脉冲

2）北京落木源电子技术有限公司的TX-KA、TX-KB系列驱动器。

3）上海巴玛克（Bamac）电气公司的AST96X系列模块，适用于IGBT的单路驱动，其系列产品见表2-9。该系列的电路结构框图如图2-35所示。其主要特点：高集成度，模块尺寸小，内置驱动欠电压保护电路，驱动过电压保护电路（部分型号），短路保护电路，短路保护时软关断IGBT，VCE检测的快恢复二极管，耐压达2000V，光耦合器以传输驱动保护／故障信号，栅极电压箝位器件。

表2-9 AST96X系列驱动器

图2-35 AST96X系列的电路结构框图

（2）IGBT驱动板系列 上海巴玛克（Bamac）电气公司的IGBT驱动板系列：MAST5-1C-U2型～MAST5-7C-U17型，它们均采用模块化AST965电路驱动IGBT，在板上集成了1～7个AST965，分别可驱动1～7个IGBT；1C～7C代表1～7个IGBT，该板为C系列。每路驱动器所具有的性能取决于采用的是AST965-U12还是AST965-U17。

F系列高频高速驱动板是在MAST5的C系列驱动板基础上，经电路和结构的改进而成。其驱动电源功率增加，散热能力增强，脉冲传输延时时间更短。F系列高频高速驱动板适用于高频IGBT及大功率MOSFET应用，该系列驱动板具有C系列驱动板的所有性能特点。

如果不采用售品驱动模块，或在不能满足设计要求的情况下，也可根据自己的技术要求设计驱动电路，不少感应加热电源生产厂家就是这样做的。

3.IGBT的保护

（1）IGBT的缓冲电路（吸收电路） IGBT感应加热电源的保护措施除去过电压、过电流、超温、水压过低等各种保护措施，以及IGBT器件过电流保护措施外，还必须引入IGBT缓冲电路。功率开关器件的损坏，不外乎是器件在开关过程中遭受了过量d_u／d_t、d_i／d_t，或瞬时过量功耗的损害而造成的。缓冲电路的作用就是改变器件的开关轨迹，控制各种瞬态过电压，降低器件开关损耗，保护器件安全运行。典型的缓冲电路如图2-36a所示。当IGBT关断时，电流经缓冲二极管VD向缓冲电容C_s充电，同时集电极电流i_C逐渐减少。由于C_s两端电压不能突变，所以有效地限制了IGBT集电极电压的上升速率d_u／d_t也避免了集电极电压u_CE和集电极电流i_C同时达到最大值。当IGBT开通时，已充电的C_s通过外接电阻R_s和器件电阻等以热的形式消耗掉。这样便将IGBT运行时产生的开关损耗转移到了缓冲电路中，最后在电阻上以热的形式消耗掉，从而保护了IGBT。缓冲电容Cs的容量不同其效果也不相同。图2-36b中的上面图的C_s较小，时间常数较小，i_C下降至零之前u_CE也上升至电源电压V_CC，瞬时功耗较大；图2-36b中下面图的C_s较大，i_C下降至零之后，u_CE才上升至V_CC，瞬时功耗较小。

图2-36 典型的缓冲电路

a）缓冲电路 b）关断波形

通用的三种IGBT缓冲电路如图2-37所示。缓冲电路设计时的推荐值见表2-10。其中，类型（A）为单只低电感吸收电容构成的缓冲电路，适用于小功率IGBT模块；类型（B）适用于较大功率IGBT功率模块；类型（C）适用于大功率IGBT模块。还有一种估算缓冲电容C_s的电容值的办法，通常是以每100A集电极电流约取1μF的缓冲电容值

图2-37 通用的三种IGBT缓冲电路

注：A、B、C为表2-10中的缓冲电路类型

表2-10 缓冲电路设计时的推荐值

（续）

注：缓冲电路类型中的A、B、C如图2-37所示。

（2）IGBT的过电压吸收 对于100kW以上的固态感应加热电源，为了更有效地防止IGBT的C-E极间的过电压击穿而损坏，除了安装缓冲电路以外，还在逆变电路的每个桥臂的IGBT的C-E极间安装氧化锌压敏电阻器（ZnO）。氧化锌压敏电阻器是一种半导体陶瓷压敏电阻器，它具有优异的稳压和电涌吸收能力。

（3）能量反馈回路 对于大功率固态电源，当LC谐振回路的功率因素cosφ较小时，需要提供一条无功能量反馈回电网的通路。这就要求在三相可控整流电路中加入由大功率二极管组成的反接三相桥路。

2.4.3 MOSFET与IGBT逆变电源的谐振电容器

感应加热装置的输出回路除了消耗有功功率以外，还要吸收无功功率，如果这些无功功率都由电源供给，必将影响它的有功出力，不但不经济，而且会造成电压质量低劣。由谐振电容器C和电感L组成的谐振回路将大大地改善这一性能。在固态电源的桥式逆变器中广泛采用并联谐振和串联谐振，其中电容器C就是一种无功功率补偿装置，在并联谐振回路中称为并联补偿，在串联谐振回路中称为串联补偿。谐振回路中的电容器又称为槽路电容器，在感应加热装置中，槽路电容器通常是由单只电容器组合而成。

1.电热电容器组

电热电容器是极间采用全膜结构的电热电容器，它符合相关标准。电热电容器用于频率为1～500kHz的感应加热设备中，以提高功率因素，改善回路的电压或频率等特性，有水冷和自冷两类。表2-11是RFM型全膜结构的电热电容器系列的部分产品型号。电热电容器型号的编制方法如下：

举例：型号RFM1-500-300S表示额定电压为1kV，额定容量为500kvar，额定频率为300kHz，浸渍二芳基乙烷，全膜介质结构，水冷式的电热电容器。

表2-11 RFM型全膜结构的电热电容器系列的部分产品型号

表2-11中每种型号的电容量可以通过下面的公式计算出来。由电工原理得知，电容器的无功功率与端电压和频率之间的关系如下：

式中 Q——电容器的无功功率（kvar）

U——电容器的端电压（kV）；

XC——容抗（Ω）；

f——频率（kHz）；

C——电容量（μF）。

举例：表2-9中序号为15的RFM1-500-300S的电容量为

表2-12给出了RFM型全膜结构电热电容器多组系列产品型号。

表2-12 RFM型全膜结构电热电容器多组系列产品型号

注：RFM电容器型号的编制方法同前，不同处在于：①RFM2、RFM3、RFM4等的数字表示设计序号；②给出了总电容量。例如型号RFM2-1.0-1000-1S的总电容量为4×39.8μF＝159.2μF，每组容量为39.8μF，共4组。

2.其他薄膜电容器组

并联谐振回路中电感L和电容C所承受的电压，约等于直流电源电压（单相约为220V，三相约为500V），回路电容采用RFM型电热电容器较合适。一般谐振回路的品质因数Q为5～10。由于串联谐振回路中电感L和电容C大约要承受Q倍的直流电源电压，回路电容C往往采用数目较多的单只电容器来组成电路的电容器组如图2-38所示。Cd为单只电容量，C1＝C2＝…＝Cm＝nCd，ⅠⅡ、Ⅲ各组的电容量分别为m组的串联，电容器组的总电容量CAB为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ各组电容量之和。串联的目的是提高耐压，并联的目的是增加电容量。为了散热，要将电容器组置于通水冷却的盛有变压器油的油箱中。

图2-38 电容器组

2.4.4 （全）固态感应加热电源

以DSP为核心的IGBT感应加热电源的组成框图如图2-39所示。该电源以IGBT开关器件组成逆变器；以频率、电流、电压为反馈参数，由DSP数字信号处理器为核心组成的可编程逻辑控制器（PLC）对反馈参数进行分析判断按控制目标发出PWM控制信号，进行传统的比例积分微分控制（PID），实现斩波器调功；通过I／O接口实现对设备的安全控制；具有人机交互（显示／键盘）功能。可以方便地通过DSP开发系统修改控制算法程序，以达到最佳的控制效果。

图2-39 以DSP为核心的IGBT感应加热电源组成框图

IGBT全固态中频、超音频感应加热电源系列见表2-13。型号中的字母含义是：J—晶体管，I—IGBT，G—感应加热电源，C—淬火；GZP—固态中频电源；GCYP—固态超音频电源。

表2-13 IGBT全固态中频、超音频感应加热电源系列

①额定直流电压②额定直流电流

MOSFET高频感应加热电源系列见表2-14。型号中的字母含义是：J—晶体管，M—MOSFET，G—感应加热电源，C—淬火；GGP—固态高频电源。举例型号GGP 1800-0.15-H表示焊接（H）用固态高频电源，额定功率为1800kW频率范围为100～150kHz。

表2-14 MOSFET高频感应加热电源系列

（续）

①额定直流电压②额定直流电流

由于MOSFET和IGBT感应加热电源型号的编制方法不统一，还有其他方法，在此不再赘述。

2.4.5 晶闸管（SCR）、IGBT、MOSFET感应加热电源的调功方法

感应加热电源输出功率的调功（调整）方法如下：

（1）调整供电给逆变器的直流电压大小来实现功率的调整

1）调整三相可控整流器的输出电压大小，从而调整中频电源的输出功率如图2-12所示，根据式（2-2），只要改变调节角α_A、α_B、α_C，就可以改变直流电压的大小。

2）12脉波两组整流器并联与串联互换，实现功率的倍级调整。

3）PSM调功。PSM脉冲阶梯（步进）调制技术是将脉宽调制（PWM）技术相结合的高电压大功率电源系统中的一种重要的调功技术，它已用于大功率中频电源。

4）斩波调功。将直流PWM斩波电路（见图2-21）的输出U_直接到逆变器改变PWM波的占空比，从而改变输出功率的大小。

（2）逆变单元功率调节

1）移相脉冲宽度调制（PS-PWM）。其原理示意图如图2-40所示，图中直流电压U₀不变，加在LC谐振回路两端的电压u_AB是交流方波电压，当逆变桥开关器件（IGBT）VT₃滞后VT₁一个φ角，或相移φ角导通；VT₂滞后VT₄φ角或相移φ角导通时，u_AB的波形宽度就变窄了，波形如图2-40所示。由于方波的宽度变窄了，谐振回路的基波电压幅度或基波电流幅度变小，从而实现调功这也就是通过改变移相角φ来改变脉冲宽度，实现功率较宽范围的连续调节即PS-PWM调功。

图2-40 PS-PWM原理示意图

2）脉冲频率调制调功（PFM）。脉冲频率调制的原理是，通过改变加在LC谐振回路两端电压u_AB（见图2-40）的频率，致使LC回路的等效阻抗变化，使负载从逆变电源获得的电流变化，从而获得的功率也随之变化。图2-40中，f0＝1／2π 是LC谐振回路的固有谐振频率，当f＝f₀时负载能得到最大输出功率P₀。调节频率f，则可调节输出功率P，输出功率与频率的关系如图2-41所示。但这种调功方式会降低逆变功率因数。

（3）（PDM）脉冲密度调制调功（见图2-42） PDM调功就是在一个周期T的导通时间ton内，改变加在图2-42中LC谐振回路两端电压uAB的方波数，即改变LC谐振回路从直流电源吸取能量的次数，从而实现调功。这里，方波的频率是不变的。

图2-41 输出功率与频率的关系

图2-42 PDM调功