第３２卷第１９期　Ｖｏｌ＿３２　Ｎｏ．１９　企业技术开发　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＣＡＬ　ＤＥＶＥＬ０ＰＭＥＮＴ　ＯＦ　ＥＮＴＥＲＰＲＩＳＥ　２０１３年７月　Ｊｕ１．２０１３　

基于ＩＧＢＴ的超音频感应加热电源的研制　

孙汉卿　

（河南牧业经济学院，河南郑州４５００４４）　

摘要：文章在分析串联谐振逆变器原理的基础上，设计并实现一种采用绝缘栅双极晶体管（ＩＧＢＴ）的５　ｋＷ／６０　ｋＨｚ超音　频串联谐振感应加热整体系统，通过实际样机的工作结果表明该机工作性能稳定，加热效率高。　关键词：感应加热；串联谐振　中图分类号：ＴＭ４６４；ＴＭ９２４．５　文献标识码：Ａ　文章编号：１００６—８９３７（２０１３）１９—００１７—０２　

Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｕｌｔｒａ－ａｕｄｉｏ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ　ｈｅａｔｉｎｇ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ　ｕｓｉｎｇ　

ｉｎｓｕｌａｔｅ－ｇａｔｅ　ｂｉｐｏｌａｒ　ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ　

ＳＵＮ　Ｈａｎ－ｑｉｎｇ　

（Ｈｅｎａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ａｎｉｍａｌ　Ｈｕｓｂａｎｄｒｙ　ａｎｄ　Ｅｃｏｎｏｍｙ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ，Ｈｅｎａｎ　４５００４４，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｓｅｒｉｅｓ　ｒｅｓｏｎａｎｔ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ，ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｄｅｓｉｇｎｓ　ａ　ｓｅｒｉｅｓ　ｒｅｓｏｎａｎｔ　ｕｌｔｒａ—ａｕｄｉｏ一￣ｅｑｕｅｎｃｙ　５　ｋＷ／６０　ｋＨｚ　

ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ　ｈｅａｔｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｕｓｉｎｇ　ｉｎｓｕｌａｔｅ—ｇａｔｅ　ｂｉｐｏｌａｒ　ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ（ＩＧＢＴ），ｉｔ　ｔｕｒｎｓ　ｏｕｔ　ｔｈａｔ　ｔｈｉｓ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｈａｓ　ｓｔａｂｌｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ａｎｄ　ｈｉ　ｇｈ　

ｈｅａｔｉｎｇ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．　

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ　ｈｅａｔｉｎｇ；ｓｅｒｉｅｓ　ｒｅｓｏｎａｎｃｅ　

绝缘栅双极晶体管ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ　Ｇａｔｅ　Ｂｉｐｏｌａｒ　

Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）是ＭＯＳＦＥＴ与ＧＴＲ的复合器件口Ｉ，它既具有ＭＯＳ—　

ＦＥＴ的工作速度快、开关频率高、输入阻抗高、驱动电路　

简单、热温度性好的优点，又包含了ＧＴＲ的载流量大、阻　

断电压高等多项优点［２］，应用越来越广泛。频率在０．５～　

５０　ｋＨｚ，单机容量在３～５００　ｋＷ的ＩＧＢＴ电源已经完全商品　

化，而频率在５０～１００　ｋＨｚ的ＩＧＢＴ电源，目前国内还处于试　

验研究阶段［３１。　

１高频逆变电源主电路　

串联谐振逆变器不需要外加启动，启动较为容易，　

对工作环境要求不高等优点，因此，本设计采用串联谐　

振电路作为逆变主电路，如图１所示。　

’　’　■　～　■ｒ—　一　ｙ　一　［　］　［　】　

Ｃｄ＝　ｃＩ　●　Ｌ　

工　逆变电路，其中，ＩＧＢＴ１和ＩＧＢＴ４组成１组，ＩＧＢＴ２和ＩＧＢＴ３　

组成１组。串联谐振电路由Ｃ和负载等效电阻Ｒ和等效电　

抗Ｌ组成。其中，Ｔｌ是匹配变压器，ｃｇ为隔直电容器，作用　

为了防止变压器颠覆　。　

逆变桥由４组ＩＧＢＴ管ＶＴ１～Ｖｒｒ４及与其反并联的快速　

二极管组成。图２为串联谐振电路的电压、电流波形。在ｔ：　

ｔｏ时，ＶＴ１和ＶＴ４开通，负载网络上加正向方波电压。此时　

电流仍为反向，此时二极管ＶＤ１和ＶＤ４开通，由于负载电　

路是Ｌｃ串联谐振电路，品质因数Ｑ＞Ｉ，所以，电流ｉ。按谐振　

正弦变化，从ｔ　以后，电流变为零，而ＶＴ４和ＶＴ１还是开通　

的，谐振电路中的电流为正，同理，电流也是从零开始按　

正弦规律变化。直到ｔ　时￣ｗＪＶＴ１和ｖＴ４关断，由于电流的连　

续性，谐振回路将产生负电压，保持电流继续流通。同时，　

Ｌ　

图１串联谐振逆变主电路　该电路主要由整流滤波电路、逆变电路、串联谐振　

电路３部分组成。逆变电路由４个ＩＧＢＴ１～ＩＧＢＴ４组成全桥　

收稿日期：２０１３—０５—２１　作者简介：孙汉卿（１９８１一），男，河南原阳人，硕士研究生，助教，研究　方向：高频逆变电路。　二极管ＶＤ２和ＶＤ３开通，与主电源构成回路，谐　

振网络向主电源反馈能量。经过ＶＤ２和ＶＤ３续流　

阶段，ＶＴ２和ＶＴ３被驱动打开，但是ｖｒｒ２和ＶＴ３中　

并无电流，直到ｔ，时刻，谐振电路中的电流将从　

ＶＤ２和ＶＤ３转移￣ＩＪＶＴ２和ＶＴ３，实现了零电流换　

流。直到ｔ　时刻，ＶＴ２和ＶＴ３关断，谐振电路中的　

电流由ＶＤ１和ＶＤ４续流，ＶＴ１和ＶＴ４再次的被打　

开，直到ｔ　时刻，ＶＴ１和ＶＴ４再次有电流通过。此　

时，完成一个工作周期。　

由串联谐振电路理论知识可知谐振频率：　

ｆ＝——　（１）　２叮Ｔ、／Ｌ　

式中，Ｃ　为串联谐振电路中的总的电容量；Ｌ　

为串联　１８　企业技术开发　２０１３年７月　

０　／厂　毛　，　，　／－－～　

ｆ０　‘　

．　．／　一　

图４驱动电路图　为使全桥逆变电路的各个桥臂之间的电气隔离，在　

每支驱动电路中用６Ｎ１３７高速光耦隔离。为了有效降低　

驱动电路的输出阻抗，提高驱动能力，更加适合大功率　

开关管的驱动，该驱动电路的主电路采用推挽方式输出，　

其中，Ｔ２～Ｔ５构成脉冲放大电路，Ｔ１和Ｒ３构成射极跟随　

器，为推挽电路提供快速电流源，以减少开关管ＩＧＢＴ的　

开通和关断时间嘲。为了使开关管关断时，可靠的关断及　

防止误导通，在栅源之间接双向稳压管Ｄ３为其提供一个　

可靠的关断负压。是ＩＧＢＴ的门极串联电阻。　

５实验结果及结论　

根据设计要求，设计出１台６０　ｋＨｚ／５　ｋＷ超音频感应　

１ｔ１３控制电路原理图　

本设计采用ＰＩ调节器与ＴＬ４９４相结合，以锁相环控制　

原理为基础，实现的感应加热频率自动跟踪技术，可以　

通过动态的调整ＴＬ４９４的６脚上的震荡电阻调节频率。工　

作过程中，通过比较谐振电路的电压和电流之间的相位　

差，将相位差输入到鉴相器中，在通过滤波等处理后输　

人到ＰＩ调节器中，当谐振电路中的电流和电压相位差值　

过大的时候，ＰＩ调节器输出相对应的电压信号，将此电压　

信号加到图中的三极管的基极，通过调节基极电位等效　

的改变负载电阻的大小，以此调节ＴＬ４９４的输出频率，从　

而实现感应加热器的自动频率跟踪。　

３驱动电路的设计　

在高频感应加热电源中，要求信号传输速度快波形　

失真小，并有足够的驱动功率，以保证功率器件可靠地　

开关。所以，必须为此设计满足条件的驱动电路，如图４　

所示。　热电源样机。样机的电压电流输出波形，如图５所示。　

肄　

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臻　、　卷　

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：　ｌ　：　图５　ｙｏｇｉ。波形图　本文研制的样机电源在大量实验的基础上完成的。　

实验证明，该样机能适应高频感应加热的工作要求。逆　

变器输入交流３８０Ｖ电压，输出电压为７０Ｖ，电流为７２Ａ，　

此时，功率超过５　ｋＷ，工作频率为６０　ｋＨｚ。　

参考文献：　

［１】王生德，刘平．ＭＭ７４ＨＣ４０４６在高频感应加热电源中的应用　

［Ｊ］．电力电子技术，２００７，４（８）：７３—７４．　

［２】王永，刘志强，刘富贵．一种新型实用的ＩＧＢＴ驱动电路［Ｊ】．　

微计算机信息，２００１，１７（１２）：３７—３８．　

【３］张学勤，金天均，陈辉明．基于ＩＧＢＴ的１００　ｋＨｚ高频感应加　

热电源的研制［Ｊ】．电力电子技术，２００６，４０（２）：７９—８０．　

【４】潘天明．现代感应加热装置【Ｍ】．北京：冶金工业出版社，　

１９９６．　【５］薛永毅，王淑英，何希才．新型电源电路应用实例［Ｍ】．北　

京：电子工业出版社，２００１．