CN110049587A - 大功率igbt感应加热并联方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大功率IGBT感应加热并联方法，其特征是，包括IGBT组，IGBT组中两只IGBT构成H桥后经过变压器耦合构成基本组，两个基本组的变压器的次级并联后输出，多组IGBT组并联使用。本发明各个IGBT的电流可以很容易的实现均流，IGBT无需降额使用，真正实现了大功率感应加热设备的IGBT并联。由于变压器的引入，使得负载与三相电源之间实现了电隔离，提高了设备的安全性。

Description

大功率IGBT感应加热并联方法

技术领域：

本发明涉及一种大功率IGBT感应加热并联方法，属于IGBT加热领域。

背景技术：

感应加热设备广泛应用于各种金属加热领域——透热、熔炼、热处理等。传统大功率感应加热设备(中频炉)逆变部分采用可控硅器并联谐振，开关器件为可控硅，开关损耗损耗高、效率低；IGBT诞生后，以其开关损耗小、工作频率高、易于控制等优势在超音频、高频、小功率中频感应加热领域已经替代其他大功率开关器件。但在大功率中频领域由于IGBT单管电流小，需要多只IGBT并联才能实现功率的扩容。由于IGBT直接并联降低了系统的可靠性与稳定性，器件均流性差，且布局结构及器件的一致性要求高，一旦并联结构中的一个损坏，常常造成其余并联的IGBT全军覆没的情况，并联个数越多矛盾越明显。

图1为大功率IGBT感应加热设备传统的并联方法，图中以两只IGBT并联为例， M1与M2并联，M3与M4并联，并联后构成H桥输出，Z为负载等效阻抗。更多的IGBT 并联以此类推。该方法由两只IGBT并联在一起作为一只IGBT使用，两只IGBT共同分摊主回路的电流，达到增大电流的目的。该方法有以下缺点。

1、由于IGBT的导通电阻非常小，所以IGBT的个体差异、引线的连接点处理、引线电流方向以及元器件的布局都极易引起两只IGBT的电流分配不平衡，造成其中的一只寿命缩短或直接损坏。通常工程中采用降额的方式使用，不仅浪费了单个IGBT的容量，而且在并联个数较多时，均流无法解决，根本起不到并联扩容的目的。

以200kW感应加热电源为例,如图2所示，使用两只450AIGBT并联，振荡回路总电流i0＝500A，J1,J2内阻都为0.005Ω,假设J1回路分布电阻为0.001Ω，J2回路分布电阻为0.002 Ω，此时两支路的电流分别为i1＝270A，i2＝230A。因为IGBT的内阻太小，与引线的内阻及分布阻抗在相同的数量级，引线的长短、材料的不规则及走向的不对称性引起的阻抗的数值上的细微差异使两个支路电流产生了较大的差异，有时引线上几毫米的移动都可能对电流分配产生很大的影响。并且并联的IGBT数量越多越难解决各支路之间的电流平衡问题。

2、如果有一个IGBT单元损坏时，会直接引起与之并联的单元的另一个桥臂的短路，使得与之并联的IGBT同时损坏，造成故障和损失的扩大化。

如图3所示，假设IGBT模块M1中的J1单元损坏短路，则M1中的J2单元和M2

中的J4单元将同时出现短路故障，如果保护不及时，M1与M2将同时损坏，这也

是大功率IGBT感应加热设备损坏时动则损坏几只甚至十几只IGBT模块的原因。

3、IGBT过流最快、最简洁、最可靠的检测方法是检测IGBT的CE极电压，如图3中的U2、U4。但是由于J2与J4并联，U2、U4相等并以低的为准，当某一支路出现问题，电压升高时，无法快速准确的检测，造成保护的不及时。联系上面的第二条的情况，则很容易造成IGBT的损坏。

综上所述因此传统的IGBT并联方法稳定性差、可靠性低，并且并联得越多情况越糟糕。

发明内容：

本发明要提供一种可以克服现有技术缺陷，能够提高一种可靠性、稳定性的大功率IGBT 感应加热并联方法。

本发明所提供的大功率IGBT感应加热并联方法，其特征是，包括IGBT组，IGBT组中两只IGBT构成H桥后经过变压器耦合构成基本组，两个基本组的变压器的次级并联后输出，多组IGBT组并联使用。

所述的变压器的匝比相同。

所述的变压器通过匹配阻抗后共同连接负载等效阻抗。

所述的匹配阻抗相同。

实现匹配阻抗相同的方法为变压器的对称排布，电流母排的出线端靠近一个变压器，电流母排的进线端靠近另一个变压器。

实现匹配阻抗相同的方法为利用IGBT感应加热设备的谐振电容作为匹配阻抗使得各个支路阻抗相等，其谐振电容和电感线圈在变压器的次级上。

实现匹配阻抗相同的方法为利用IGBT感应加热设备的谐振电容作为匹配阻抗使得各个支路阻抗相等，其谐振电容在变压器的初级上，电感线圈在变压器的次级上。

本发明的有益效果是：

各个IGBT的电流可以很容易的实现均流，IGBT无需降额使用，真正实现了大功率感应加热设备的IGBT并联。当某一个IGBT单元短路损坏的时候，由于各个支路之间变压器隔离以及阻抗的作用，不会造成其他支路的损坏。不会出现出现同时损坏很多个IGBT的现象。由于各个支路的独立工作，每个IGBT的CE极电压都可以准确地测出，不会受到其他支路的影响，每个IGBT都可以及时可靠地保护，大大降低故障率，提高设备的稳定性。

由于变压器的引入，使得负载与三相电源之间实现了电隔离，提高了设备的安全性。

附图说明

下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1为背景技术中常规IGBT并联方法示意图；

图2为背景技术中电流结构示意图；

图3为背景技术中常规IGBT并联模块示意图；

图4为本发明IGBT并联方法示意图；

图5为本发明实施例1示意图；

图6为本发明实施例2示意图；

图7为本发明实施例3示意图。

具体实施方式：

如图4所示大功率IGBT感应加热并联方法，其特征是，包括IGBT组，IGBT组中两只IGBT构成H桥后经过变压器耦合构成基本组，两个基本组的变压器的次级并联后输出，多组IGBT组并联使用。

所述的变压器的匝比相同。

所述的变压器通过匹配阻抗后共同连接负载等效阻抗。

所述的匹配阻抗相同。

图4中以两只IGBT并联为例，M1与M3构成H桥经过变压器T1耦合,M2与M4构成H 桥经过变压器T2耦合，变压器T1次级与T2次级并联后输出，T1、T2的匝比相同，Z为负载等效阻抗,Z1、Z2为匹配阻抗，其中Z1＝Z2。由于M1和M2、M3和M4电流相位相同大小相等，等效于传统的M1与M2并联、M3与M4并联方式。更多的IGBT并联以此类推。

由于变压器T1、T2的匝比相同，要保证M1与M2的电流相同，则需要保证图五中变压器次级电流i1、i2相同，所以需要Z1＝Z2。

实现Z1＝Z2有3种方式。

实施例1

变压器的对称排布，电流母排的出线端靠近一个变压器，电流母排的进线端靠近另一个变压器。

如图5所示，工程中很容易保证每个变压器次级进线电流和出线电流路径长度相同方向相反，因此各个支路的内阻及分布阻抗很容易做到相等。该方式可以满足5组IGBT及以下并联的应用。

实施例2

由于器件的内阻以及引线的分布阻抗数量级很小——都在10-3级别，可利用IGBT感应加热设备的谐振电容作为匹配阻抗使得各个支路阻抗相等。

如图6所示，L为线圈电感，C1、C2分别位于两个支路中C1＝C2，电容容抗为Z1＝1/(2πfC1),Z2＝1/(2πfC2),由计算可知Z1、Z2的数量级在10-1级别，因此相对于电容的阻抗，器件的内阻以及引线的分布阻抗可以忽略不计，通常电容的误差在5％以内，因此支路的电流误差也能保证在5％以内，实现了IGBT并联均流的目的。该方式可以实现5组IGBT以上并联的应用。

实施例3

实施例2中谐振电容和电感线圈都在变压器的次级上，为次级谐振，但在某些应用场合，为了负载匹配，需采用初级谐振，即谐振电容在变压器初级，电感线圈在变压器的次级，这种情况采用图7中的方式。同理可知在此电路中器件的内阻以及引线的分布阻抗同样可以忽略不计。该方式适用于淬火或其他线圈电感量较小的应用场合。

上述实施案例仅是为清楚本发明所作的举例，而并非是对本发明实施方式的限定。对属于本发明的精神所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种大功率IGBT感应加热并联方法，其特征是，两只IGBT构成H桥后经过变压器耦合构成基本组，两个基本组的变压器的次级并联后输出构成IGBT组，多组IGBT组并联使用。

2.根据权利要求1所述的大功率IGBT感应加热并联方法，其特征是，所述的变压器的匝比相同。

3.根据权利要求1所述的大功率IGBT感应加热并联方法，其特征是，所述的变压器通过匹配阻抗后共同连接负载等效阻抗。

4.根据权利要求3所述的大功率IGBT感应加热并联方法，其特征是，所述的匹配阻抗相同。

5.根据权利要求4所述的大功率IGBT感应加热并联方法，其特征是，实现匹配阻抗相同的方法为变压器的对称排布，电流母排的出线端靠近一个变压器，电流母排的进线端靠近另一个变压器。

6.根据权利要求4所述的大功率IGBT感应加热并联方法，其特征是，实现匹配阻抗相同的方法为利用IGBT感应加热设备的谐振电容作为匹配阻抗使得各个支路阻抗相等，其谐振电容和电感线圈在变压器的次级上。

7.根据权利要求4所述的大功率IGBT感应加热并联方法，其特征是，实现匹配阻抗相同的方法为利用IGBT感应加热设备的谐振电容作为匹配阻抗使得各个支路阻抗相等，其谐振电容在变压器的初级上，电感线圈在变压器的次级上。