IGBT超音频感应加热设备原理图
感应加热设备概述PPT(共 67张)
§14.1 感应加热概述
涡流由表面向心部衰减规律（指数规律）
Ix I0exp(2c
f
x)
I0－表面涡流强度 c－光速 ρ－工件材料的电阻率 μ－工件材料的导磁率 x－距工件表面的距离 f－交流电频率
§14.1 感应加热概述
当f 很高时，电流大部分集中在导体表面，心部已 无电流，这样导致导体的有效电阻增加，导体发 热显著增加。
热处理原理、工艺及设备
PRINCIPLES, TECHNOLOGY AND EQUIPMENTS FOR HEAT TREATMENT
第三部分 热处理设备（4）
Equipments for Heat Treatment
§14 感应加热设备
随着科学技术的发展，表面热处理技术得到了 广泛的应用。表面热处理可以提高产品质量，缩短 生产周期和改善劳动条件，提高生产组织水平。目 前应用最广泛的表面热处理是感应热处理，它可应 用于淬火、回火、正火、调质、透热等，适用于机 械化大生产，可通过计算机控制实现无人操作。
§14.1 感应加热概述
在感应器的导电管 之间，如多匝感应 器的匝与匝之间存 在邻近效应，感应 器与加热工件之间 也存在邻近效应， 在感应器的设计中 ，巧妙利用邻近效 应可提高感应器的 效率。
§14.1 感应加热概述
3、圆环效应 定义：当高频电流流过环形导体时，电流在导体
横截面上的分布将发生变化，此时电流仅仅集中 在圆环的内侧，这种现象叫圆环效应。 圆环的曲率半径越小，径向宽度越大，圆环效应 也越明显； 电流的频率越大，圆环效应也越显著。 圆环效应有利于感应器对外圆柱 零件的表面感应加热，但不利于 对工件内孔进行加热。
§14.1 感应加热概述
DSP+IGBT感应加热电源
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DSP+IGBT感应加热电源系统的IGBT逆变以及输出隔离 变压器均采用空冷结构，因此彻底消除水系统故障，解 决了输出变压器容易损坏的问题，可靠性明显提高，且 损耗更低。 率先采用DSP中央处理器，具有极高的处理速度，保证 了装置各项功能高效有序的运行，具有实时运算能力和 实时的仿真和模拟能力，器件可靠性极高。较常规处理 器相比，控制、测量的准确性明显提高， 限制、保护的 速度和可靠性增强，数量处理及显示操作的功能大幅度 增加。在这基础上，可方便高效的根据被加热对象的生 产过程制订精确的开环或闭环运行程序，并精确地实现 频率跟踪、恒电流运行、恒功率运行等闭环控制，实现 全自动化的过程生产。
பைடு நூலகம்23
装置具有短路、过载、过压、过温保护和限制功能，具有变压器 状态检测。其中过流和过压均具有硬件和软件双重保护。
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7、正常使用工况下，主机可保证2年无故障运行。
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感应加热电源发展
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感应加热电源发展趋势
感应加热电源发展是伴随工业技术的发展同步进行的。趋势就是从最初的原始化、简单 化，发展到具有先进高新技术加入的高效化、快速化、成套化、数控化和联动化。
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IGBT变频电源特点:质量稳定、操作简便、技术先进。 数字化I G B T变频感应加热电源的特点:模拟化→数 字化(DSP+IGBT)→智能化;变频自适应设计(自适应范 围50kHz);负载自动匹配技术(变载自适应);高功率因 数、低谐波、高效节能;智能化保护系统、感应加热 控制管理系统。这些特点决定了国际IGBT感应加热电 源的发展趋势将向淬火、透热、熔炼一机多用的通用 型电源发展。 IGBT变频电源特点:质量稳定、操作简便、技术先进。 数字化I G B T变频感应加热电源的特点:模拟化→数 字化(DSP+IGBT)→智能化;变频自适应设计(自适应范 围50kHz);负载自动匹配技术(变载自适应);高功率因 数、低谐波、高效节能;智能化保护系统、感应加热 控制管理系统。
IGBT高频感应加热逆变电源原理(四)
IGBT高频感应加热逆变电源原理（四）第4章主要元器件的选择§4.1 无源器件许多电气教科书中都假设电阻、电容和电感是线性的，其阻抗为：对于电阻Z＝V/I=R对于电容Z＝V/I=1/j2πfC对于电感Z＝V/I=j2πfL式中：f的单位是赫兹，Z、V、I是矢量。
然而在实际中，所有的器件都有寄生电阻、寄生电容、寄生电感。
这些寄生参数在低频时通常无关紧要，但是在高频时起着主要作用[14]。
§4.1.1 电阻器的高频模型图4-1是实际电阻的集总阻抗模型。
R是期望的电阻值，Ls是寄生串联电感，单位是亨利，Cp是寄生并联电容，单位是法拉第，由于电阻引线和内部结构产生的。
在频率f处，电阻的阻抗是：§4.1.2 电容器的高频模型图4-2是实际电容的集总阻抗模型。
C是希望的容值，单位是法拉第，Ls是寄生电感，单位是亨利。
是串联电阻，单位是欧姆。
Rp是漏电阻，单位是欧姆。
所有这些参数都是电容引线和内部结构产生的。
在频率f处，电容的阻抗为：§4.1.3 电感器的高频模型图4-3是实际电感的集总阻抗摸型。
L是希望的电感值，单位是亨利，Rp是漏电阻与磁心损耗之和、单位是欧姆。
Rs是绕线电阻，单位是欧姆。
Cp是电感引线和弥补结构产生的寄生电容，单位是法拉第。
(注意：没有屏蔽的开放磁心电感是磁场的理想天线)在频率f处，实际中电感的阻抗，Rp很大，Rs很小，可以用以下公式来计算电感的阻抗：设§4.2 有源器件§4.2.1 快恢复二极管(FRED)在过去的十几年中，电源电路发生了很大的变化，各种电路都能提高开关频率，以降低磁芯的体积和重量。
这些变化深受各种新型的功率开关元件，如MOSFET和IGBT的影响。
然而，各种拓扑中都需要快速二极管流过无功电流，或者用于整流（如果需要的输出是直流电压的话）。
这时，二极管的开关特性必须与晶体管的开关特性相匹配，在开关电源、变频器和高频感应加热的逆变器中，都用到了这种快恢复二极管。
超音频感应加热设备
它也称超音频电炉。
超音频感应加热设备主要工作频率在10kHz—100kHz。
超音频感应加热设备功率一般在20kW-300kW。
工作原理：超音频感应加热的原理：工件放到感应器内，产生交变磁场，在工件中产生出同频率的感应电流，这种感应电流在工件的分布是不均匀的，在表面强，越接近工件中心承递减趋势，到心部接近于0，利用这个集肤效应，可使工件表面迅速加热，在几秒钟内使工件自身迅速升温，在数秒内可将铁质材料升温至1000℃。
主要应用在行业:
1、各种高强度螺栓、螺母的热镦；
2、各种齿轮、链轮、轴类的淬火；
3、各种半轴、板簧、拨叉、气门、摇臂、球头销等汽车配件的淬火。
4、各种内燃机配件、减速面配件的淬火。
5、各种钳子、刀剪、斧头、锤子等手工工具的淬火。
6、各种金钢石复合片钻头的焊接；
7、各种硬质合金刀头、锯片的焊接；
8、各种截齿、钎头、钻杆、煤钻头、风钻头等矿山。
IGBT模块五种不同的内部结构和电路图
IGBT模块五种不同的内部结构和电路图IGBT模块的内部电路与IGBT单管及分立元件构成的电路形式略有不同。
1.单管模块，1 in 1模块单管模块的内部由若干个IGBT并联，以达到所需要的电流规格，可以视为大电流规格的IGBT单管。
受机械强度和热阻的限制，IGBT的管芯面积不能做得太大，大电流规格的IGBT需要将多个管芯装配到一块金属基板上。
单管模块外部标签上的等效电路如图1所示，副发射极（第二发射极）连接到栅极驱动电路，主发射极连接到主电路中。
图1 单管，模块的内部等效电路多个管芯并联时，栅极已经加入栅极电阻，实际的等效电路如图2所示。
不同制造商的模块，栅极电阻的阻值也不相同；不过，同一个模块内部的栅极电阻，其阻值是相同的。
图2 单管模块内部的实际等效电路图IGBT单管模块通常称为1 in 1模块，前面的“1”表示内部包含一个IGBT管芯，后面的“1”表示同一个模块塑壳之中。
2.半桥模块，2 in 1模块半桥（Half bridge）模块也称为2 in 1模块，可直接构成半桥电路，也可以用2个半桥模块构成全桥，3个半桥模块也构成三相桥。
因此，半桥模块有时候也称为桥臂（Phase-Leg）模块。
图3是半桥模块的内部等效。
不同的制造商的接线端子名称也有所不同，如C2E1可能会标识为E1C2，有的模块只在等效电路图上标识引脚编号等。
图3 半桥模块的内部等效电路半桥模块的电流/电压规格指的均是其中的每一个模块单元。
如1200V/400A的半桥模块，表示其中的2个IGBT管芯的电流/电压规格都是1200V/400A，即C1和E2之间可以耐受最高2400V的瞬间直流电压。
不仅半桥模块，所有模块均是如此标注的。
3.全桥模块，4 in 1模块全桥模块的内部等效电路如图4所示。
图4 全桥模块内部等效电路全桥（Full bridge)模块也称为4 in 1模块，用于直接构成全桥电路；也可以用模块中的2个半桥电路并联构成电流规格大2倍的半桥模块，即将分别将G1和G3、G2和G4、E1和E3、E2和E4、E1C2和E3短接。
IGBT基本原理ppt课件
因强制换流关断使控制电路非常复杂, 限制了它的应用。
GTO、 GTR
它们都是自关断器件,开关速度比 SCR 高, 控制电路也得到了简化。 目前的 GTO 和 GTR 的水平分别达 到了 6000V /6000A、1000V / 400A。 但是, GTO 的开关速度还是较低,GTR 存在二次击穿和不易并 联问题。 另外, 它们共同存在驱动电流大、功耗损失大的问题。
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1.IGBT定义
IGBT，绝缘栅双极晶体管(Insolated Gat Bipolar Transistor,IGBT)，它是由BJT（双极性三极管）和
MOSFET（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件。
电力半导体器分类 不可控器件:不能用控制信号来控制其通断,因此不需要驱动电路,此类器件只有整流作用,包括普通功
绝缘栅型场效应管（IGFET）：栅极-源极，栅极-漏极之间采用SiO2绝缘层隔离，因此而得名。又因栅极为金属 铝，所以又称为金属氧化物半导体场效应管，也就是MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor）
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1.IGBT 简化等效电路
制 换 流 关 断 控 制 电 路 简 抗高、控制功
使 控 制 电 路 化 。 但 它 们 率小、驱动电
非常复杂
共 同 存 在 驱 路简单 ， 但是
动电流大、 导通电阻大，
功耗损失
不耐高压
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历史产品比较 产品
特点
SCR
功率容量大, 目前的水平已达到7000V / 8000A。但缺点是开关速度低, 关断不可控、
率二极管、快恢复二极管和、肖特基二极管。 半控型器件:控制导通不能控制关断。它包括普通晶闸管及其派生的特殊器件,如逆导晶闸管等。 全控型器件:控制其导通、关断,又称为自关断器件。例：双极型功率晶体管、功率场效应晶体管、
IGBT高频感应加热逆变电源原理(五)
IGBT高频感应加热逆变电源原理（五）第五章高频感应加热电源的整机设计§5.1 主电路原理框图主电路原理图如图5-1所示：采用不可控三相二极管全桥整流，电解电容器滤波，IGBT单相全桥逆变，输出采用变压器隔离及阻抗变换后输出到感应器对工件进行加热处理。
§5.2 整流主电路的设计本电源采用三相桥式不可控整流电路，电路结构简单，成本低，并可大大减小直流电压的纹波。
Ud＝2.34U2=2.34*220=514.8V。
§5.3 逆变电路的设计§5.3.1 逆变器控制的原理串联谐振型逆变器也称电压谐振型逆变器，其结构如图5-1所示。
串联谐振型逆变器的输出电压为近似方波。
由于电路工作于谐振频率附近，此时振荡电路对于基波具有最小阻抗，所以负载电流接近于正弦波；同时为避免逆变器上、下桥臂间的直通，换流必须遵循先关断后开通的原则，在关断与开通间必须留有足够的死区时间[22]。
图5-2和图5-3分别示出感性负载和容性负载的输出波形。
当串联谐振型逆变器在低端失谐状态时(容性负载)，它的工作波形见图5-3，由图可见，工作于容性负载状态时，输出电流的相位超前于电压相位，因此在负载电压仍为正电压时，电流先过零，上、下桥臂间的换流则从上(下)桥臂的二极管换至下(上)桥臂的IGBT，由于逆变管寄生的反并联二极管具有较慢的反向恢复特性，使得在换流时会产生较大的反向恢复电流，而使器件产生较大的开关损耗，而且在二极管反向恢复电流迅速下降至零时，会在与逆变管串联的寄生电感中产生很大的感应电势，而使逆变管受到很高电压尖峰的冲击。
当串联谐振型逆变器在高端失谐状态时(感性负载)，它的工作波形见图5-2。
由图可见，工作于感性负载状态时，输出电流的相位滞后于电压相位，其换流过程是这样进行的，当上(下)桥臂的逆变管关断后，负载电流换至下(上)桥臂的反并联二极管中，在滞后一个死区时间后，下(上)桥臂的逆变管加上开通脉冲等待电流自然过零后从二极管换至同桥臂的逆变管。
IGBT的结构原理与特性图解
IGBT的结构原理与特性图解在IGBT得到大力发展之前，功率场效应管MOSFET被用于需要快速开关的中低压场合，晶闸管、GTO被用于中高压领域。
MOSFET虽然有开关速度快、输入阻抗高、热稳定性好、驱动电路简单的优点;但是，在200V或更高电压的场合，MOSFET的导通电阻随着击穿电压的增加会迅速增加，使得其功耗大幅增加，存在着不能得到高耐压、大容量元件等缺陷。
双极晶体管具有优异的低正向导通压降特性，虽然可以得到高耐压、大容量的元件，但是它要求的驱动电流大，控制电路非常复杂，而且交换速度不够快。
IGBT正是作为顺应这种要求而开发的，它是由MOSFET(输入级)和PNP晶体管(输出级)复合而成的一种器件，既有MOSFET器件驱动功率小和开关速度快的特点(控制和响应)，又有双极型器件饱和压降低而容量大的特点(功率级较为耐用)，频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十KHz频率范围内。
基于这些优异的特性，IGBT一直广泛使用在超过300V电压的应用中，模块化的IGBT 可以满足更高的电流传导要求，其应用领域不断提高，今后将有更大的发展。
IGBT的结构与特性：如图1所示为一个N沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构， N+区称为源区，附于其上的电极称为源极(即发射极E)。
N基极称为漏区。
器件的控制区为栅区，附于其上的电极称为栅极(即门极G)。
沟道在紧靠栅区边界形成。
在C、E两极之间的P型区(包括P+和P-区，沟道在该区域形成)，称为亚沟道区(Subchannel region)。
而在漏区另一侧的P+区称为漏注入区(Drain injector)，它是IGBT特有的功能区，与漏区和亚沟道区一起形成PNP双极晶体管，起发射极的作用，向漏极注入空穴，进行导电调制，以降低器件的通态电压。
附于漏注入区上的电极称为漏极(即集电极C)。
图1 N沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构IGBT的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给PNP(原来为NPN)晶体管提供基极电流，使IGBT导通。