高頻感應加熱原理

電子管高頻電壓轉(zhuǎn)換次數(shù)多，電壓變化大，而全晶體管高頻電壓變化不大，在幾百伏內(nèi)變動，不需多次變換電能，所以全晶體管高頻比同功率電子管高頻節(jié)電3000.節(jié)水83沁，如輸出為80 kW級(FV-911S)電子管高頻，振蕩工作時輸入功率為158 kW，用水3 1/s，而同樣的輸出功為80 kW的全晶體管高頻，振蕩工作時，輸入功率只需113 kW ,用水。. 5 1/s，電子管還另需消耗2. 2 kW的燈絲加熱功率。

IGBT的伏安特性是指以柵源電壓Ugs為參變量時，漏極電流與柵極電壓之間的關系曲線。輸出漏極電流比受柵源電壓Ugs的控制，Ugs越高，Id越大。它與GTR的輸出特性相似．也可分為飽和區(qū) 1 、放大區(qū)2和擊穿特性3部分。在截止狀態(tài)下的IGBT ，正向電壓由J2結(jié)承擔，反向電壓由J1結(jié)承擔。如果無N 緩沖區(qū)，則正反向阻斷電壓可以做到同樣水平，加入N 緩沖區(qū)后，反向關斷電壓只能達到幾十伏水平，因此限制了IGBT的某些應用范圍。

感應加熱是利用導體在高頻磁場作用下產(chǎn)生的感應電流(渦流損耗、以及導體內(nèi)磁場的作用磁滯損耗引起導體自身發(fā)熱而進行加熱的。感應加熱系統(tǒng)的構(gòu)成感應加熱系統(tǒng)由高頻電源(高頻發(fā)生器)、導線、變壓器、感應器組成。

其工作步驟：

①由高頻電源把普通電源( 220v/50hz)變成高壓高頻低電流輸出，(其頻率的高低根據(jù)加熱對象而定，就其包材而言，一般頻率應在480kHZ左右。)

②通過變壓器把高壓、高頻低電流變成低壓高頻大電流。

③感應器通過低壓高頻大電流后在感應器周圍形成較強的高頻磁場。一般電流越大.磁場強度越高。

高頻感應全晶加熱設備

高頻感應加熱設備在我省已得到廣泛應用，設各頻率范圍在20}}-450 kHz,高頻功率最大可達400 kW。我省的高頻感應加熱設備主要應用于金屬熱處理、’淬火、透熱、熔煉、釬焊、直縫鋼管焊接、電真空器件去氣加熱、半 導體材料煉制、塑料熱合、烘烤和提純等。我省使用的高頻感應加熱設備都是以大功率真空管(發(fā)射電子管)為核心構(gòu)成單級自激振蕩器，把高壓直流電能量轉(zhuǎn)換成高頻交流電能量，它們的電子管板極轉(zhuǎn)換效率一般在75環(huán)左右，設備的整機總效率一般在50絨以下，水和電能的消耗非常大。自70年代中期后，對高頻設備也進行了

高頻感應系列改進

（1）用節(jié)能型牡鎢煙絲電子管代替老式純鎢燈絲系列電子管，如FV-911代替FV-433 } FV-431,FV-89F管等。

（2）采用高壓硅堆整流代替充汞閘流管整流。

（3）采用大功率雙向可控硅結(jié)合微機調(diào)壓代替原閘流管調(diào)壓。

（4）根據(jù)各自工藝條件重新更改振蕩回路，選擇合理的振蕩頻率。這樣，經(jīng)過一系列改造后，使我省的高頻設備整機總電效率有一定的提高，在節(jié)能方面有一定的效果，但由于振蕩電子管這個耗電最大的器件未能改掉，所以在

節(jié)能方面，并不是特別顯著。

全晶體蒼高頻感應加熱設備電子技術的發(fā)展，可謂日新月異。80年代初，日本首先改進半導體生產(chǎn)工藝，開發(fā)生產(chǎn)出場控電力電子器件—大功率靜電感應晶體管(SIT ) ,并設計制成換流橋式的，把直流電能量轉(zhuǎn)換成高頻電能量的全晶體管化高頻感應加熱設備，隨后美國、西德等發(fā)達國家也迅速研制，使之很快就商品化了。

靜電感應晶體管

(1)直流電源部份:該部份是把工頻三相交流電轉(zhuǎn)換為直流電，并控制下面幾部份。該部份主要由三相晶閘管(SCR)可調(diào)電路和直流電抗器La與電解電容Ca組成的直流濾波器組成，調(diào)整三相晶閘管整流電路的直流輸出電壓，可調(diào)節(jié)該設備的輸出功率。輸入電壓為工頻3}p380V，最大直流電壓可達500 V以上，輸出直流可以100~100%連續(xù)可調(diào)。

2)逆變部份:該部份把直流交換為高頻交流，并控制后面部份，這部份由電壓型單相全橋電路構(gòu)成，使用1kW或3kW級功耗的SIT作為逆變橋的開關器件，使用同一級功耗的SIT器件組成電路時，設備的功率越大，頻率越高，每一橋臂上并聯(lián)的SIT器件愈多;R C。和D.為緩沖電路，當SIT開始關斷而產(chǎn)生浪涌電壓，超過這些電路中的直

流電壓時，二級管D，導通，而電容器C。吸收該浪涌能量，使逆變橋中的SIT器件安全運行。SIT元件的導通或關斷是由設備上所配備的微機和專用程序控制觸發(fā)信號，控制其導通或關斷。

(3)負載回路部份:該部份的功能是把高頻功率輸向被加熱的金屬工件上，負載回路是由諧振回路、電流互感器和加熱線圈組成，該電路中的串聯(lián)諧振回路構(gòu)成了電壓型逆變電路，電容器CT和電感LT兩端各產(chǎn)生幾干伏以上的高頻電壓。高頻變流器次級側(cè)通常做成單匝，聯(lián)接著加熱線圈L}，巨大的高頻電流在L。周圍所產(chǎn)生，高頻磁通使金屬工件迅速急劇發(fā)熱。

全晶體管化高頻與電子管式高頻比較

全晶體管化高頻感應加熱設備在如下幾 個方面優(yōu)于電子管式高頻感應加熱設備。

工作模式得到徹底改變

電子管高頻感應加熱設備需將工頻經(jīng)高壓整流器件變換成相應的直流高壓才能供給電子管工作，電子管

板極內(nèi)阻天，有大量功率損耗在板極上發(fā)熱，而且需要及時加水冷卻，同時還需把一部份功率反饋到柵極，并且要較大的燈絲加熱功率，這樣就有大量的電能損耗在轉(zhuǎn)換之中。而晶體管高頻中的SIT電力電子器件，只需較小的驅(qū)動功率來控制較大功率換流的產(chǎn)生，SIT元件正向?qū)▔航岛苄。瑩p耗不大，并且采用直流500 V的低壓工作狀態(tài)。電子管板極轉(zhuǎn)換效率最高為750o,SIT電力電子器件為9200;全晶體管高頻省去了高壓整流變壓器、高壓硅堆;如果多管并用，能使熱量分散，只需加少量的水便可，30kW以下小功率高頻可減去水冷卻，晶體管高頻整機總效率比電子管高頻要高20000

IGBT的轉(zhuǎn)移特性是指輸出漏極電流Id與柵源電壓Ugs之間的關系曲線。它與MOSFET的轉(zhuǎn)移特性相同，當柵源電壓小于開啟電壓Ugs(th) 時，IGBT處于關斷狀態(tài)。在IGBT導通后的大部分漏極電流范圍內(nèi)，Id與Ugs呈線性關系。最高柵源電壓受最大漏極電流限制，其最佳值一般取為15V左右。

IGBT 的開關特性是指漏極電流與漏源電壓之間的關系。IGBT處于導通態(tài)時，由于它的PNP晶體管為寬基區(qū)晶體管，所以其B值極低。盡管等效電路為達林頓結(jié)構(gòu)，但流過MOSFET的電流成為IGBT總電流的主要部分。此時，通態(tài)電壓 Uds(on) 可用下式表示 Uds(on) = Uj1 Udr IdRoh式中 Uj1 —— JI 結(jié)的正向電壓，其值為 0.7 ～ IV 。Udr ——擴展電阻 Rdr 上的壓降。Roh ——溝道電阻。

通態(tài)電流 Ids 可用下式表示：

Ids=(1 Bpnp)Imos

式中 Imos ——流過 MOSFET 的電流。

由于N 區(qū)存在電導調(diào)制效應，所以IGBT的通態(tài)壓降小，耐壓1000V 的IGBT通態(tài)壓降為2～3V 。 IGBT處于斷態(tài)時，只有很小的泄漏電流存在。

動態(tài)特性IGBT在開通過程中，大部分時間是作為MOSFET來運行的，只是在漏源電壓Uds 下降過程后期， PNP晶體管由放大區(qū)至飽和，又增加了一段延遲時間。td(on)為開通延遲時間，tri 為電流上升時間。實際應用中常給出的漏極電流開通時間ton即為td(on)tri之和。漏源電壓的下降時間由tfe1和tfe2組成。

IGBT在關斷過程中，漏極電流的波形變?yōu)閮啥巍Ｒ驗?MOSFET 關斷后，PNP晶體管的存儲電荷難以迅速消除，造成漏極電流較長的尾部時間， td(off)為關斷延遲時間， trv為電壓Uds(f)的上升時間。實際應用中常常給出的漏極電流的下降時間Tf由圖 2 － 59 中的t(f1)和t(f2)兩段組成，而漏極電流的關斷時間 t(off)=td(off) trv 十 t(f) （ 2 － 16 ）式中， td(off) 與 trv 之和又稱為存儲時間。

所有高頻感應誘導加熱設備都采用IGBT原理加熱，保證設備質(zhì)量的同時，提高了生產(chǎn)時的穩(wěn)定性，更高效，更穩(wěn)定，更安全，更環(huán)保的提高客戶的生產(chǎn)力。

IGBT圖片：

使用IGBT加熱的設備案例實圖：