中频电源可控硅设备与IGBT设备对比

只看该作者 · 2014-6-4 17:36

第一部分：关于IGBT 器件和可控硅器件的对比
1. IGBT 和可控硅内部原理对比
IGBT 是栅极为MOS 构造，同时兼具MOS 管高速、输入阻抗高、易驱动与GTR 的通态压降小、载流密度大、耐压高、热稳定性好、双极晶体管通态压降低的优点于一身。，简化结构如上图。工作时由于IGBT 的电导调制特性，RN 减小很多使得IGBT 的通态电阻很低，大约为VMOS 的十分之一，使得IGBT 的功耗很低。从简化等效电路上看，IGBT相当于是用双极性晶体管与MOSFET 组成的达林顿结构，相当于一个MOSFET 驱动的晶体管。因此，IGBT 的通态压降很低，特别是在大电流的情况下更为明显。而由于IGBT的栅极为MOS 构造，因此IGBT 的开关损耗与可控硅相比非常低。可控硅为换流关断型，它的门极只能使管子开通，不能使其关断。管子开通后，门极就失去了控制能力，只能依靠外部换流使流过管子的电流下降为0，或者使管子两端的
电压反向而关断。因此可控硅的开关损耗非常高，在较高的频率下使用效率很低。

只看该作者 · 2014-6-4 17:39

第二部分：多种电路结构中频电源能耗对比
1. 可控硅并联谐振电源
目前国内使用的中频感应加热设备主要有三种电路形式，其中使用量最大的是上世纪80 年代初发展起来的由可控硅变频的中频感应设备，主体电
路如下图： (图一)

整流部分由6 只可控硅完成将三相交流电变成直流，同时担任设备的功率调节。整流后的直流滤波由大的直流电抗器完成，此部分带来1%~3%的损
耗，变频电路由4 只可控硅完成，变频电路的损耗大约为5%。受可控硅关断的制约，变频回路的功率因数只能达到0.8~0.85。输出电路是由感应线圈（炉体）和补偿电容组成的并联谐振电路。受可控硅耐压的限制，中频电压≤750V，因此，感应线圈上的电流通常是直流电流的5~10 倍（5~10 是振荡回路的品质因数俗称Q 值，并联谐振电路的特征是振荡电流是直流电流的Q倍），所以并联谐振输出电路通常有较大的损耗，约占整机功率的25%-30%。因此可控硅变频中频感应加热设备的整机效率大约只有50%-60%左右。

只看该作者 · 2014-6-4 17:45

IGBT 中频感应加热设备的另外一种电路结构为串联谐振，主电路如下图：

整流部分由6 只二极管担任，直接整流不斩波，不会导致电网的功率因数下降。串联谐振电路去掉了庞大而笨重的滤波电抗器，减小了损耗，滤
波由电容C1 担任。变频电路由4 只IGBT 构成，IGBT 的导通损耗比可控硅低，而关断损耗大大低于可控硅的开关损耗，因此变频电流的损耗大约在3%。该电路的功率调节有两种方式：1、改变变频电路的工作频率（变频），2、改变IGBT 的导通时间（调宽）。输出电路的特征是感应线圈与补偿电容串联构成串联谐振电路。此电路的特征是流过IGBT 的电流与流过感应线圈及补偿电容的电流相等，而感应线圈上的电压是整流后直流电压的3~10 倍（串联谐振电路的特征是振荡线圈的电压是直流电压的Q 倍）。感应线圈上的功率P=感应线圈上的电压（V）×流过感应线圈的电流（I）。
在相同的功率与相同的感应线圈的情况下，串联谐振感应线圈的损耗最多只有并联谐振感应线圈的91 。因此，串联谐振输出电路的损耗约占整机功率的5%-10%，所以串联谐振变频的中频感应加热设备的整机效率为80%-90%。
在串联谐振电路中，感应线圈上中频电压的高低与变频功率器件的耐压无关，只要感应线圈的绝缘允许，提高中频电压就可以进一步降低感应线
圈的损耗，整机效率就会进一步提高，这和输电为什么要用高压输送是一个道理。

只看该作者 · 2014-6-4 17:46

第三部分：IGBT 串联感应加热电源对比可控硅并联感应加热电源可靠性优势
1. 可控硅并联感应加热设备调节功率是通过调节整流可控硅的导通角实现的，在设备工作在小功率时，可控硅导通角减小，电网的功率因数就会降低。因此必须另配功率因数补偿柜，增加新的投入，如果不另配功率因数补偿柜，将会导致用户配电室的功率因数补偿柜电容损坏或供电变压器发热。用户的投入增加，并且带来了电源效率的损耗。IGBT 串联感应加热设备调节功率采用逆变侧调节方式，整流电路采用二极管，整流的功率因数为100%，不需要在配电柜中另外配置设备。