IGBT trong Nguồn Cấp Nhiệt Cảm Ứng: Cách Nó Hoạt Động và Tại Sao Nó Được Sử Dụng

IGBT là một trong những thiết bị bán dẫn công suất phổ biến nhất được sử dụng trong thiết bị gia nhiệt cảm ứng công nghiệp. Trong một nguồn điện gia nhiệt cảm ứng điển hình, nó nằm bên trong giai đoạn biến tần và chuyển đổi năng lượng DC thành năng lượng điện xoay chiều cần thiết cho mạch cộng hưởng và cuộn cảm ứng.

Một đường đi công suất được giản lược là:

IGBT không tự quyết định kết quả gia nhiệt. Nó là một phần của hệ thống mà trong đó nghịch lưu, các thành phần cộng hưởng, cuộn cảm ứng và tải phải hoạt động cùng nhau.

Ⅰ. IGBT là gì?	Ⅳ. Chuyển mạch IGBT và Mạch Gia nhiệt Cộng hưởng
Ⅱ. Tại sao sử dụng IGBT trong nguồn điện gia nhiệt cảm ứng?	Ⅴ. IGBT và DSP mỗi cái làm gì?
Ⅲ. IGBT hay MOSFET?

Ⅰ. IGBT là gì?

IGBT là viết tắt của Transistor lưỡng cực cổng cách ly. Nó là một thiết bị bán dẫn công suất với ba đầu chính: cổng, cực thu và cực phát.

Đối với thiết bị gia nhiệt cảm ứng, điểm quan trọng khá đơn giản: IGBT có thể chuyển mạch điện áp và dòng điện tương đối cao trong khi được điều khiển từ cổng của nó. Điều này làm cho nó phù hợp với nhiều thiết kế biến tần công suất trung bình- và cao.

Bên trong nguồn điện cảm ứng, IGBT thường được vận hành như một công tắc. Nó liên tục bật và tắt thay vì hoạt động như một bộ khuếch đại tuyến tính.

Việc chuyển mạch này biến dòng điện một chiều trên thanh cái thành đầu ra xoay chiều được kiểm soát ở tần số hoạt động yêu cầu.

Công nghệ IGBT đã được áp dụng rộng rãi trong hệ thống sưởi công nghiệp vì nó mang lại sự cân bằng hữu ích giữa khả năng công suất, hiệu suất chuyển mạch, độ tin cậy và chi phí. Đây không phải là lựa chọn duy nhất, tuy nhiên. MOSFET truyền thống và MOSFET SiC cũng được sử dụng, đặc biệt khi yêu cầu tần số và hiệu suất chuyển mạch thay đổi.

Ⅱ. Tại sao sử dụng IGBT trong nguồn điện gia nhiệt cảm ứng?

Cuộn cảm ứng cần dòng điện xoay chiều ở tần số phù hợp cho quá trình gia nhiệt. Nguồn điện lưới thông thường không thể đơn giản kết nối trực tiếp với cuộn dây.

Điện AC đầu vào được chỉnh lưu trước. The biến tần sau đó chuyển mạch bus DC kết quả và cung cấp mạch gia nhiệt cộng hưởng.

Đây là lúc IGBT xuất hiện.

Dòng điện sinh ra chạy qua cuộn dây cảm ứng và tạo ra từ trường xen kẽ. Khi phôi dẫn điện đi vào trường này, dòng điện cảm ứng xuất hiện trong kim loại và nhiệt sinh ra trong phôi.

Đối với hệ thống công nghiệp, Việc lựa chọn thiết bị được thực hiện ở cấp độ bộ chuyển đổi thay vì từ một quy tắc đơn giản như “công suất cao nghĩa là IGBT.”

Một hệ thống làm nóng thanh thép công suất cao hoạt động ở tần số vừa phải, Ví dụ, tạo ra yêu cầu điện khác hoàn toàn so với một đơn vị làm nóng tần số cao gọn nhẹ.

Điện áp, dòng điện, tần số chuyển mạch, cấu trúc mạch, làm mát và tải cộng hưởng đều ảnh hưởng đến lựa chọn.

Có một điểm thực tiễn khác. Tải mà nguồn cung cấp cảm ứng thấy không hoàn toàn cố định.

Khi một chi tiết thép đi vào cuộn dây, tải điện phản xạ lại bộ nghịch lưu thay đổi. Khi chi tiết nóng lên, điện trở suất của nó thay đổi, và các vật liệu từ tính sắt cũng thay đổi hành vi từ tính theo nhiệt độ. Do đó, bộ biến tần và hệ thống điều khiển phải hoạt động đáng tin cậy trong khi tải bản thân nó đang thay đổi.

Dòng công suất qua nguồn gia nhiệt cảm ứng IGBT.

Ⅲ. IGBT hay MOSFET?

MOSFET silicon thường chuyển mạch nhanh hơn và được sử dụng rộng rãi khi yêu cầu tần số chuyển mạch cao hơn. IGBT vẫn là sự lựa chọn thiết thực trong nhiều hệ thống công nghiệp nơi điện áp và dòng điện đáng kể phải được xử lý ở tần số phù hợp với thiết bị.

MOSFET SiC đã di chuyển ranh giới này hơn nữa. Chúng kết hợp khả năng điện áp cao với khả năng chuyển mạch nhanh hơn, mặc dù chi phí thiết bị, thiết kế dẫn động cổng, việc bảo vệ và bố trí hệ thống cũng phải được xem xét.

Một hạn chế của IGBT là hành vi tắt. Điện tích được lưu trữ bên trong thiết bị tạo ra một dòng điện đuôi, góp phần vào việc chuyển đổi tổn thất. BẰNG tần số chuyển mạch tăng lên, mất mát này trở nên ngày càng quan trọng.

Điều này không có nghĩa là IGBT có một tần số tối đa cố định cho mọi ứng dụng. Thế hệ thiết bị, dòng điện, Điện áp, Nhiệt độ nối và việc biến tần sử dụng chuyển mạch cứng hay mềm đều quan trọng.

Trong thiết bị cảm ứng nhiệt, việc lựa chọn bán dẫn do đó được thực hiện dựa trên Mức công suất, Dải tần số, Mạch cộng hưởng, Điều kiện làm mát và tải dự kiến.

Ⅳ. Chuyển mạch IGBT và Mạch Gia nhiệt Cộng hưởng

Hầu hết nguồn điện cảm ứng công nghiệp sử dụng tải cộng hưởng.

Cuộn dây cảm ứng cung cấp độ cảm kháng, trong khi tụ điện được thêm vào để tạo thành các nhu cầu cần thiết Mạch cộng hưởng. tùy thuộc vào thiết kế nguồn điện, điều này có thể sử dụng cộng hưởng nối tiếp, cộng hưởng song song hoặc bố trí cộng hưởng khác.

Mối quan hệ cơ bản có thể được xem là:

dòng điện chạy qua cuộn cảm công nghiệp có thể rất lớn. Cộng hưởng giúp hệ thống xử lý sự trao đổi năng lượng giữa các phần cảm ứng và điện dung của mạch trong khi bộ biến tần cung cấp điện năng thực tế tiêu thụ cho chi tiết và tổn thất điện.

Đây cũng là lý do tại sao bộ nghịch lưu không thể được thiết kế độc lập với cuộn cảm.

Thay đổi cuộn cảm, hình dạng chi tiết gia công hoặc điều kiện hoạt động làm thay đổi tải. Trong một máy sản xuất, những thay đổi đó phải giữ trong phạm vi làm việc của nguồn điện.

Các kỹ thuật chuyển mạch mềm thường được sử dụng để giảm tổn thất bán dẫn. Thay vì buộc IGBT chuyển mạch dưới sự kết hợp xấu nhất của điện áp và dòng điện, mạch được vận hành để chuyển mạch xảy ra trong điều kiện điện thuận lợi hơn.

Việc triển khai chính xác phụ thuộc vào cấu trúc của bộ nghịch lưu.

Trong nhiều bộ nghịch lưu cảm ứng cộng hưởng, tần số chuyển mạch có mối quan hệ chặt chẽ với tần số hoạt động của mạch cộng hưởng. Mối quan hệ chính xác phụ thuộc vào cấu trúc bộ nghịch lưu và phương pháp điều khiển.

Ⅴ. IGBT và DSP mỗi cái làm gì?

Thiết bị gia nhiệt cảm ứng hiện đại thường kết hợp chuyển đổi công suất IGBT với điều khiển số DSP.

Công việc của chúng khác nhau.

Phụ thuộc vào cấu hình nguồn điện, chính Hệ thống điều khiển DSP có thể xử lý tín hiệu điện áp và dòng điện, điều chỉnh công suất đầu ra, kiểm soát hoặc theo dõi tần số hoạt động, quản lý thời gian làm nóng và phản hồi các điều kiện lỗi.

Trong thiết bị tự động hóa, cùng một nền tảng điều khiển cũng có thể trao đổi thông tin với PLC hoặc hệ thống dây chuyền sản xuất. Phản hồi nhiệt độ, công thức quy trình, giới hạn cảnh báo và hồ sơ sản xuất có thể được thêm vào khi hệ thống được chọn hỗ trợ chúng.

Điều này trở nên đặc biệt hữu ích trong sản xuất liên tục. Thay đổi tốc độ dây chuyền, đặc điểm kỹ thuật phôi hoặc yêu cầu gia nhiệt có thể yêu cầu một điều kiện vận hành khác, và nguồn điện cần tuân theo quy trình đó một cách có kiểm soát.

Vì lý do này, mô tả lò sưởi cảm ứng đơn giản là “máy IGBT” không nói nhiều về hiệu suất thực tế của nó.

Cả IGBT và DSP đều không hoạt động độc lập. Gia nhiệt cảm ứng ổn định phụ thuộc vào biến tần, Mạch cộng hưởng, cuộn cảm, hệ thống làm mát và chiến lược điều khiển phù hợp với tải.

Chìa khóa mang đi

Một IGBT chuyển đổi bus DC bên trong biến tần; nó tự nó không xác định kết quả gia nhiệt. Hiệu suất sử dụng đến từ biến tần, Mạch cộng hưởng, cuộn cảm, làm mát và điều khiển được phù hợp với tải. Sự lựa chọn giữa IGBT, MOSFET và SiC phụ thuộc vào công suất, tần số, cấu trúc mạch và tải thay đổi.

Câu hỏi thường gặp

Bấm vào một câu hỏi để mở rộng câu trả lời.

IGBT có phải là thiết bị công suất duy nhất được sử dụng trong gia nhiệt cảm ứng không?

KHÔNG. MOSFET silicon và MOSFET SiC cũng được sử dụng, đặc biệt tại các tần số chuyển mạch cao hơn. IGBT vẫn là lựa chọn thực tế khi cần xử lý điện áp và dòng điện đáng kể ở các tần số phù hợp với thiết bị.

Dòng đuôi IGBT là gì, và tại sao nó lại quan trọng?

Dòng điện đuôi là dòng điện tiếp tục chạy trong thời gian ngắn khi tắt do điện tích được lưu trữ trong thiết bị. Nó làm tăng thêm sự mất mát khi chuyển đổi, và tổn thất tăng lên khi tần số chuyển mạch tăng.

Có phải công suất cao hơn luôn có nghĩa là biến tần nên sử dụng IGBT?

Không nhất thiết. Lựa chọn thiết bị được thực hiện theo mức năng lượng, Dải tần số, Mạch cộng hưởng, làm mát và tải dự kiến ​​- không phải từ một “công suất cao có nghĩa là IGBT” luật lệ.

DSP làm gì trong nguồn điện sưởi ấm cảm ứng IGBT?

IGBT xử lý việc chuyển đổi nguồn; Bộ xử lý tín hiệu số (DSP) xử lý điều khiển, giám sát và bảo vệ — điều chỉnh công suất đầu ra, theo dõi tần số, quản lý thời gian làm nóng và phản hồi lỗi.