晶闸管与IGBT

1、晶闸管电源与IGBT电源比较一、电源基本结构与槽路基本谐振形式1、电源基本结构静止变频器均采用交一宜一交变换形式，即采用三相交流电网380V/50HZ作为输入电压（在特定场合下也可能将三相380V/50HZ电压经变压器变换为较高或较低电压，以满足宜流电压设计值），经整流控制变换成宜流电压（带脉动纹波），经逆变器变换为设计频率值的单相交流电，经槽路谐振电路，经感应器通过磁场耦合将加热功率传递到被加热对象，完成被加热对象的加热过程。整流器滤波器逆变器谐振感应器工件整流器：一般采用三相全控品闸管（SCR）整流桥，通过调节品闸管导通延迟角a,调节宜流输出电压 Ud,即Ud=i.35ULCOSa。其中U

2、l为整流器输入交流 线电压，如 采用380V输入电压经整流器后最大输出宜流电压约513V （考虑进线 电抗及输入回路压降，该值按500V考虑），通过控制 a角能实现Ud=0500V调节，从而达到调节加热设 备输出功率的目的。滤波器：对于不同的槽路谐振形式，具要求逆变器电源是不同的，如采用并联谐振形式，则要求逆变器供电电源为恒流源（近似），滤波器采用平波电抗。如采用串联谐振形式，则要求逆变器供电电源为恒压源（近似），滤波器采用平波电容（同时采用限流电抗，即构成 LC滤波电路）。逆变器：逆变器由高速电子开关组成单相逆变桥，通过电子开关的切换，将 输入宜流电压（串联）或宜流电流（并联），变换成方波电

3、压（串联）或方波电流（并联），经谐振电路滤波，输出交流电流（串联）或交流电压（并联）。逆变器输出频率决定于逆变器切换速度。谐振电路：谐振电路由谐振电容器与感应器组成，其不同的连接形式决定了 谐振电路的基本结构，电容器与感应器并联称为并联型谐振电路，电容器与感应 器串联称为串联型谐振电路。感应器：感应器将电能转换成磁场能，通过电磁感应在工件中转换成电能，由焦耳一楞次定理转换成热能2、槽路基本谐振形式槽路基本谐振形式分两种：串联型和并联型谐振电路，其中谐振电容器主要作用是补偿感应器功率因数，在品闸管电源中谐振电容器兼作逆变器换相电容。串联型逆变器在谐振状态下呈低阻抗，因此要求恒压源供电以保证负载（

4、工件）获得最大功率输出；并联型逆变器在谐振状态下呈高阻抗，因此要求恒流源供电以保证负载（工件）获得最大功率输出。槽路固有谐振频率由槽路基本参数（谐振电容C和感应器电感L）决定，其 固有谐振频率为：f。=_2n LC逆变器控制的主要功能是实现频率自动跟踪，即要求逆变器输出频率接近或 等于槽路固有谐振频率。当逆变器输出频率等于槽路固有频率时，称为谐振状态。当逆变器输出频率接近槽路固有频率时，称为准谐振状态（容性或感性）。在工件被加热过程中，工件参数（电阻率和导磁率）会发生变化，即工件反射的电感和电阻会发生变化，从而引起固有谐振频率发生变化，逆变器实现频率自动跟踪即跟随槽路固有谐振频率变化，才能维持

5、逆变器工作在最佳状态。3、基本参数比较串联型逆变器并联型逆变器备注基本结构:交一宜一交变频r交一宜一交变频槽路结构谐振电容与感应 器串 联谐振电容与感应器并 联整流器三相全控品闸管整 流桥三相全控品闸管整流 桥实现功率调节滤波器LC:滤波，恒压源L滤波，恒流源逆变器单相逆变桥单相逆变桥逆变器输出电压方波正弦波逆变器输出电流输出电压大小r 正弦波5=0.9U dr 方波UH=1.11Ud/COS?角为逆变器功率因 数角输出电流大小Ih=1.11 Id/COS?lH=0.9Id?角为逆变器功率因 数角负载适应性r f良好应用范围p专用设备P通用设备负载匹配良好、品闸管器件及其使用晶闸管加热电源和

6、IGBT 加热电源其电源基本结构和槽路基本谐振形式是 一致的，主要区别在于逆变器使用器件不同。 逆变器主要器件采用晶闸管的加热 电源称为晶闸管加热电源，逆变器主要器件采用 IGBT 的加热电源称为 IGBT 加热电源。加热电源按频率划分为：工频、中频、超音频和高频。中频电源是指频率为500Hz8KHz 的加热电源，超音频电源是指频率为 10KHz100KHz 的加热 电源，高频电源是指频率为 100KHz 以上的加热电源。（国外将高频电源划分为 射频和高频，其中射频电源是指频率为 100KHz400KHz 的加热电源，高频电源是指频率为 400KHz 以上的加热电源）。因此晶闸管中频加热电源是

7、指加热频率为 8KHz 以下、逆变器器件采用晶闸管的加热电源， IGBT 中频加热电源是指加 热频率为 8KHz 以下、逆变器器件采用IGBT 的加热电源， IGBT 超音频加热电 源是指加热频率为 10KHz100KHz 、逆变器器件 采用 IGBT 的加热电源。、 晶闸管器件晶闸管器件属单向导电（电流由阳极流入，阴极流出）、半控型器件，只能 由控制电路实现其开通，不能由控制电路实现其关断。按晶闸管器件并断时间一 般将晶闸管分为三种形式： KP 型、 KK 型、 KG 型，分别称为普通型晶闸管、快速晶闸管、高频晶闸管，其关断时间大约为：大于20 P s、1020 P s、510 Ps。2 、

8、 晶闸管开通条件同时满足以下两个条件，则晶闸管开通：晶闸管阳极与阴极承受正向电压晶闸管门极与阴极施加触发脉冲3 、 晶闸管关断条件满足下列两个条件之一，则晶闸管关断：晶闸管阳极与阴极承受反向电压晶闸管流通电流小于其维持电流4 、 晶闸管的使用KP 型晶闸管一般使用在整流器中，由于整流器是将宜流，因此对品闸管关断时间要求较低50Hz工频率整流成KK型品闸管一般使用在 4KHz以下的逆变器中，其逆变器运行角度在3045 ,逆变器功率因数为0.70.85。KG型品闸管一般使用在48KHz逆变器中，逆变器运行角度在 3045 ,逆变器功率因数为0.70.85 。5、品闸管在逆变器中使用品闸管作为逆变器

9、器件使用必须要求逆变器有如下运行工况:谐振电路必须工作在容性工作状态，否则品闸管在换相过程中无法承受反压实现自关断，而导致逆变器换向失败，设备出现过流故障导致停机。在换相过程中，由于品闸管关断时间较长，尤其是在高频率下（如68KHz），品闸管触发脉冲引前角度较大，否则由于品闸管承受反压时间小于其关断时间，导致品闸管关断后无法恢复其正压阻断能力，由于很快承受正压导致 其重新开通，逆变器换向失败，设备出现过流故障导致停机。由于更换被加热对象或其他原因导致槽路固有谐振频率变化，逆变器在启动时槽路呈现感性，则逆变器无法启动，设备无法正常启动工作，即品闸管加热电源存在启动问题，这是由于品闸管的半控性决定

10、的，从控制电路角度可以在一定范围内提高启动成功率，而无法从根本上解决设备启动问题。由于逆变器运行角度受品闸管关断时间的影响，关断时间越长角度越大，从而导致两个后果：a逆变器功率因数较低，逆变器器件容M不能得到充分利用；b、槽路电压升高，导致谐振电容器工作电压升高，从而影响谐振电容安全。&品闸管在逆变器中使用的其他限制 品闸管在逆变器中的使用除了受其关断时间影响，可能导致逆变器运行角 度加大，造成功率因数降低外，存在启动问题和换相失败问题，在较高工作频率下，由于受其他因素（如管芯温度过高）影响，导致品闸管关断时间远大于其标称时间，逆变器无法正常工作。管的另外一些限制条件，影响设备正常工作，女口d

11、v/dt、di/dt过大导致品闸管误 在较高工作频率下，KG型品闸管可能由于其关断时间满足要求，但品闸 开通，逆变器换相失败。KG型品闸管使用在68KHz工作频率下，已达到品闸管使用极限，可能由于微小的变化均会导致正常运行设备出现故障停机。国内生产KG型品闸管（关断时间约 810 P s）最好的厂家是清华大学，该产品耐压只有1200V,因此逆变器品闸管应采用串联形式以解决耐压问题，造成逆变器结构复杂和串联品闸管均压问题，尤其对实现大功率设备更加困难。国外生产KG型品闸管（关断时间约 58 P s）较好的厂家是英国西玛公 司，该 产品耐压为1600V,采用单管即可满足耐压要求，但其关断时间需经严

12、格挑选，且产品进货渠道不畅通。7、品闸管加热电源的改进形式在较高频率下（68KHz） , KG型品闸管的使用由于受 dv/dt、di/dt、关断 时间等因素影响，导致设备制造困难，尤其是采用品闸管无法制作超音频加热电源，在IGBT器件没有出现以前，国内科研机构和大专院校在80年代进行了一 系列的研究工作，其核心研究问题是为了改善品闸管运行工况，从而导致了一系列改进型电路的出现，这些电路在国内基本上没有被普遍推广。改进型电路一一串并联电路：在并联型槽路谐振电路上串联电容，即构成 串并联结构，其串联电容是为了改善 KG型品闸管换相而设置的，串并联电路其 槽路谐振特性 等效为并联型电路， 其负面作用

13、是改变了并联谐振电路结构， 降低了槽路效率，且串联 电容大小影响电源匹配，受负载影响较大。改进型电路一一倍频电路：倍频电路的双谐振回路耦合使负载呈非线性，时变加热负载参数与谐振回路参数匹配调试相当复杂。改进型电路 时分割电路：时分割电路控制和主回路结构相当复杂，逆 变器件利用率极低。改进型电路核心问题是以牺牲电源效率和其他一些主要指标来换取工作频率的提高，当IGBT全控型器件出现并广泛应用到工业实践中后，这些改进型电路已经不是实现8KHz和超音频电源的最佳选择，在最近 10年至15年内，已 处于淘汰状态。三、IGBT器件及其使用1、目前市场上购买到的IGBT属第5代产品，除其工作频率低于 MO

14、SFET管外, 其他指标在自控型器件中均为最优， 该器件已成功解决开关速度过低（第 1 代产品存在）、电流擎住问题（第 2代、第3代产品存在）、通态损耗大（第 4代产品存在）等同 题。、 IGBT 属单向导电（电流由漏极流入、源极流出）、全控型器件，在 IGBT 栅极 对源极所加电压大于阀值电压（约 4V ）， IGBT 开通，在 IGBT 栅极对源极所加电压小于阀值电压， IGBT 关断。IGBT 中由于反并联有快恢复二极管，因此无法承受反压，在逆变器中 使用应正向串联快复恢二极管以承受反压。IGBT 典型关断时间约 150ns, 其最高工作频率约 100KHz, 因此采用 IGBT 器件 制造中频和超音频电源，其关断时间完全满足工作频率要求。由于 IGBT 属于自控型器件，因此对谐振电路属性没有严格要求，即可 工作在容性、阻性、感性状态，一般IGBT 加热电源设计工作状态均工作在阻性