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感应加热电源的发展
作者：三伊天星 彭咏龙
1 引言
由于电磁感应加热具有加热效率高、速度快、可控性好及易于实现机械化、自动化等优点，已在熔炼、铸造、弯管、热锻、焊接和表面热处理等行业得到广泛的应用。在国外，感应加热技术已日趋成熟。在铸造方面，正在迅速发展双联熔炼工艺，即利用中频炉保温改性，进行球墨铸铁或合金钢的精密浇铸；在锻造方面，利用感应加热实现快速透热热锻，其材料利用率可达85%，铸件表面光洁度可<50μm；在焊接、淬火方面，一方面致力于开发大功率全固态高频电源，另一方面致力于开发高度自动化的热处理成套处理系统。随着我国电力供应的改善、环保要求的提高，发展和扩大感应熔炉的规模，在大型企业推广双联熔炼工艺 ，改造我国铸造行业已成为可能。这一改造工程不但涉及到大功率中频感应加热电源、保温炉的设计制造，还涉及到双联熔炼工艺的最佳化控制系统设计等。
2 感应加热电源的发展动态
感应加热电源是感应加热的关键设备之一，感应加热电源的发展与电力电子学及电力半导体器件的发展密切相关。
本世纪初玻璃管汞弧整流器的发明标志着电力电子学的起源，而50年代末半导体硅晶闸管的出现则标志着以固态半导体器件为核心的现代电力电子学的开始。在50年代前，感应加热电源主要有：工频感应熔炼炉、电磁倍频器、中频发电机组和电子管振荡器式高频电源。50年代末硅晶闸管的出现引起了感应加热电源技术以致整个电力电子学的一场革命，感应加热电源及应用得到了飞速发展。至今，在中频（150Hz~10kHz）范围内，晶闸管中频感应加热装置已完全取代了传统的中频发电机组和电磁倍频器。国外装置的最大容量已达数十兆瓦，国内也已形成200Hz~8000Hz、功率为100kW~3000kW系列的产品，可以配备5t以下的熔炼炉及更大容量的保温炉，也适用于各种金属透热、表面淬火等热处理工艺，但国产中频电源目前都采用并联谐振型逆变器结构。因此，在研究和开发更大容量的并联逆变中频电源的同时，研制结构简单，易于频繁起动的串联逆变中频电源是国内中频感应加热装置领域有待解决的问题，尤其是在熔炼、铸造应用中，串联逆变电源易实现全工况下恒功率输出（有利于降低电能吨耗）及一机多负载功率分配控制，更值得推广应用。
在超音频（10kHz~100kHz）频段内，由于晶闸管本身开关特性等参数的限制，给研制该频段的电源带来了很大的技术难度，它必须通过改变电路拓扑结构才有可能实现，国内在70年代开始研制晶闸管倍频逆变电源，目前产品水平为250~320kW/10~15kHz，后于80年代末又采用改进型倍频逆变电路研制了50kW/50kHz晶闸管超音频电源，但由于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较复杂及后出现的晶体管固态加热电源的频率及功率可完全覆盖而没有得到很好的推广应用。
70年代末和80年代初，现代半导体微集成加工技术与功率半导体技术的结合，为开发新型功率半导体器件提供了条件，相继出现了一大批全控型电力电子半导体器件，极大地推动了电力电子学发展，为固态超音频、高频电源的研制提供了坚实的基础。
第一台晶体管超音频感应加热电源在1985年面世，其容量为25kW/50kHz，由于单管容量小而采用了多管并联技术，功率晶体管开关速度受到存储时间限制（μS级）及它存在致命的二次击穿问题，限制了它的推广使用，随后出现的达林顿晶体管功率模块大多为电机调速应用设计，其开关速度更低，一般无法适用于感应加热电源。
功率MOS晶体管与功率双极管相比存在许多优点，由于它为多子工作器件，不存在存储时间，因此它的开关时间远远小于双极晶体管。另外，MOS晶体管不存在二次击穿问题，具有矩形安全区、驱动功率小、易并联等优点，非常适合 于高频大功率感应加热电源应用。采用MOS管可能引起的问题是由于高速开关要求电源工艺布置严格，另外，高压MOS晶体管通态损耗较大。
1983年美国GE公司发明了新的很有前途的功率器件—IGBT，它综合了MOS管与双极晶体管的优点，IGBT结构除增加一个n层外，非常象MOS管结构，因此在其通态压降低的同时开关速度加快。自1988年解决了挚住问题后（由寄生NPN晶体管引起），大功率高速IGBT已成为众多加热电源的首选器件，频率高达100kHz，功率高达MW级电源也可实现。如1994年，日本采用IGBT研制出了1200kW、50kHz电流型并联逆变感应加热电源，逆变器工作于零电压 开关状态，并实现了微机控制；西班牙在1993年也已报道了30kW~600kW，50~100kHz电流型并联逆变感应加热电源，欧、美地区的其他一些国家如英国、法国、瑞士等国的系列化超音频感应加热电源目前最大容量也达数百千瓦。国内在90年代初开始对IGBT超音频电源的研制，目前制造水平为1000kW、50kHz，与国外的水平仍有相当大的距离。
在高频（100kHz以上）频段，目前国外正处在从传统的电子管电源向晶体管化全固态电源的过渡阶段，以模块化、大容量化MOSFET功率器件为主，西班牙采用MOSFET的电流型感应加热电源制造水平达到600kW/400kHz，德国在1989年研制的电流型 MOSFET感应加热电源水平达480kW/50~200kHz，比利时Inducto Elphiac公司生产的电流型MOSFET感应加热电源水平可达1000kW/15~600kHz。应用于高频电源的另一功率器件为静电感应晶体管（SIT），主要以日本为主，电源水平在80年代末达到了1000kW/200kHz，100kW/400kHz，SIT开关速度比MOSFET慢，同时它存在很大的通态损耗，随着MOSFET、IGBT性能不断改进，SIT将失去它存在的价值。国内目前MOSFET固态高频电源制造水平为400kW、500kHz。但总的来说，与国外的水平有一定的差距。
3 感应加热电源技术的发展趋势
感应加热电源技术的发展与功率半导体的发展密切相关，随着功率器件的大容量化、高频化带动感应加热电源的大容量化和高频化。
3.1 高频化
目前，感应加热电源在中频频段主要采用晶闸管，超音频频段主要采用IGBT，而高频频段，由于SIT存在高导通损耗等缺陷，主要发展MOSFET电源。感应加热电源谐振逆变器中采用的功率器件利于实现软开关，但是，感应加热电源通常功率较大，对功率器件、无源器件、电缆、布线、接地、屏蔽等均有许多特殊要求，尤其是高频电源。因此，实现感应加热电源高频化仍有许多应用基础技术需进一步探讨，特别是新型高频大功率器件（如MCT、IGCT及SIC功率器件等）的问世将进一步促进高频感应加热电源的发展。
3.2 大容量化
从电路的角度来考虑感应加热电源的大容量化，可将大容量化技术分为二大类：一类是器件的串、并联，另一类是多台电源的串、并联。在器件的串、并联方式中，必须认真处理串联器件的均压问题和并联器件的均流问题，由于器件制造工艺和参数的离散性，限制了器件的串、并联数目，且串、并联数越多，装置的可靠性越差。多台电源的串、并联技术是在器件串、并联技术基础上进一步大容量化的有效手段，借助于可靠的电源串、并联技术，在单机容量适当的情况下，可简单地通过串、并联运行方式得到大容量装置，每台单机只是装置的一个单元或一个模块。
感应加热电源逆变器主要有并联逆变器和串联逆变器，串联逆变器输出可等效为一低阻抗的电压源，当二电压源并联时，相互间的幅值、相位和频率不同或波动时将导致很大的环流，以致辞逆变器件的电流产生严重不均，因此串联逆变器存在并机扩容困难；而对并联逆变器，逆变器输入端的直流大电抗器可充当各并联器之间的电流缓冲环节，使得输入端的AC/DC或DC/DC环节有足够的时间来纠正直流电流的偏差，达到多机并联扩容。晶体管化超音频、高频电源多采用并联逆变器结构，并联逆变器易于模块化、大容量化是其中的一个主要原因。
3.3 负载匹配
感应加热电源多应用于工业现场，其运行工况比较复杂，它与钢铁、冶金和金属热处理行业具有十分密切的联系，它的负载对象各式各样，而电源逆变器与负载是一有机的整体，负载直接影响到电源的运行效率和可靠性。对焊接、表面热处理等负载，一般采用匹配变压器连接电源和负载感应器，对高频、超音频电源用的匹配变压器要求漏抗很小，如何实现匹配变压器的高能输入效率，从磁性材料选择到绕组结构的设计已成为重要课题。另外，从电路拓扑上负载结构以三个无源元件代替原来的二个无源元件以取消匹配变压器，实现高效、低成本隔离匹配。
3.4 智能化控制
随着感应热处理生产线自动化控制程度及电源可靠性要求的提高，感应加热电源正向智能化控制方向发展。具有计算机智能接口、远程控制、故障自动诊断等控制性能的感应加热电源正成为下一代发展目标。
3.5 高功率因数、低谐波电源
由于感应加热电源用电源一般功率都很大，目前对它的功率因数、谐波污染指标还没有严格要求，但随着对整个电网无功及谐波污染要求的提高，具有高功率因数（采用大功率三相功率因数校正技术）、低谐波污染电源必将成为今后发展趋势。
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