中心論題：

• 分析倍頻式ICBT高頻感應加熱電源主電路工作原理
• 分析倍頻式ICBT高頻感應加熱電源負載短路，提出相關電路參數的選擇原則
• 實驗驗證

解決方案：

• 采用IGBT作為功率開關，利用倍頻電路的特性將電路推向高頻化
• 選擇合適的Cd和LT的值，在一定程度上減小浪湧電流的大小

引言
絕緣柵雙極型晶體管ICBT（Insulated Gale Bipolar Translstor）是由MOSFET和雙極型晶體管複合而成的一種器件，其輸入極為MOSFET，輸出極為PNP晶體管，因此，它既具有MOSFET器件驅動簡單和快速的優點，又具有雙極型器件容量大的特點。這些優點使得IGBT在現代電力電子技術中得到了越來越廣泛的應用。

采用IGBT作為功率開關，利用倍頻電路的特性將電路推向高頻化，通過改變內外槽路頻率差的大小，可以實現功率的調節和負載的匹配。

在zai工gong件jian淬cui火huo和he焊han接jie等deng工gong藝yi中zhong，由you於yu各ge種zhong原yuan因yin會hui造zao成cheng電dian源yuan負fu載zai端duan突tu然ran短duan路lu。本ben文wen通tong過guo對dui負fu載zai短duan路lu時shi的de電dian路lu特te性xing的de研yan究jiu
，提ti出chu了le電dian路lu參can數shu的de選xuan擇ze原yuan則ze。

主電路工作原理分析
倍頻式ICBT高頻感應加熱電源主電路如圖1所示。電路在穩態下
，通過S1～S4和D1～D4的輪流導通，換流支路和隔直電容之間進行充放電
，產生的振蕩電流流經負載交流等效電阻RH，構成負載電流的正負半波。

其一個工作循環可分為表1中幾個階段。

 
負載短路分析
在負載短路時，逆變橋囚侵入幹擾信號而產生直通短路
，逆變橋輸入電壓突降為零。這時，原來儲藏在濾波電感Ld中的磁能和隔直電容Cd中的電能均分別以短路電流ids和iHs的形式向逆變電路釋放

，等效電路圖為圖2（a）所示。橋中IGBT流過的短路電流is為

 
式中：ωs為振蕩電流的振蕩周期；

δs為振蕩電流的衰減係數。

這zhe一yi浪lang湧yong電dian流liu由you檢jian測ce電dian路lu檢jian巾jin並bing使shi保bao護hu電dian路lu立li即ji動dong作zuo，發fa出chu過guo流liu信xin號hao，整zheng流liu電dian路lu即ji由you整zheng流liu狀zhuang態tai向xiang逆ni變bian電dian路lu過guo渡du。逆ni變bian橋qiao關guan斷duan時shi的de等deng效xiao電dian路lu如ru圖tu2（b）所示
，短路電流ids移至Cd支路，Cd被充電，Cd端壓逐漸上升，短路電流下降，此後短路電流在Cd
、Ld、以及吸收電路中R和C構成的回路中作振蕩衰減
，直至能量消耗完為止。ids沿Ld流過
，由於電路的慣性較大，電流增長不多
，近似於短路前的工作電流Ido
，於是浪湧電路的幅值為Ism=IHsm+Ido （4）

 
要減小負載短路時產生的浪湧電流對功率管的衝擊
，一般采用兩種方案：其一，實時檢測電流大小，當超過保護設定值時
，保護電路立即動作，這就要求保護電路的動態特性非常好，包括檢測電路的延時

、保護動作電路的延時

，在高頻電路中實現起來是很困難的；其(qi)二(er)，主(zhu)電(dian)路(lu)中(zhong)采(cai)取(qu)限(xian)流(liu)元(yuan)器(qi)件(jian)，使(shi)電(dian)路(lu)發(fa)生(sheng)短(duan)路(lu)時(shi)
，電(dian)流(liu)上(shang)升(sheng)的(de)速(su)度(du)緩(huan)慢(man)，這(zhe)樣(yang)保(bao)護(hu)電(dian)路(lu)有(you)充(chong)足(zu)的(de)時(shi)間(jian)來(lai)響(xiang)應(ying)。在(zai)本(ben)係(xi)統(tong)中(zhong)
，考(kao)慮(lv)到(dao)電(dian)路(lu)頻(pin)率(lv)較(jiao)高(gao)，容(rong)量(liang)較(jiao)大(da)，發(fa)生(sheng)短(duan)路(lu)時(shi)要(yao)求(qiu)保(bao)護(hu)很(hen)迅(xun)速(su)，因(yin)此(ci)采(cai)用(yong)以(yi)上(shang)兩(liang)種(zhong)方(fang)案(an)相(xiang)結(jie)合(he)：檢測電路檢測到過流時
，采用降柵壓慢關斷技術

，增強功率器件的瞬時過流能力
，而後保護電路動作；同時，從式（3）可以看出
，選擇合適的Cd和LT的值
，可以在一定程度上減小浪湧電流的大小。

所謂降柵壓慢關斷技術指的是，當IGBT出現過流時，先將其柵極驅動電壓降低
，然後將其關斷
，一是延長了IGBTnenggouchengshouguoliudeshijian，ershikeyijiangdiqijianshoudaoguoliuchongjidefudu。guoliushiqijiantongtaiyajiangshenggao，guanzishunshiresunhaojijuzengjia，weifangzhiqijianresunhuai，guoliushijianyingzugouduan，yiban<10μs。SHARP公司的光耦合器PC929將這一功能和驅動電路集成在一起，器件內部原理圖如圖3所示。

 
從圖3中可以看出，當過流發生時，PC929的腳⑨檢測到IGBT導通壓降升高，IGBT protectorcircuit作用溝肐GBT的驅動電壓降低
，以限製IGBT的短路衝擊電流幅值。同時，可以將短路信號送至控製電路，並將IGBT驅動信號關斷，避免器件因過流而損壞。將保護電路和驅動電路集成

，既可以減小保護電路響應時間，又可以減小外界噪聲幹擾。

下麵通過仿真來選擇合適的Cd和LT之值，從而減小短路浪湧電流峰值。一般來講，IGBT的瞬時承受浪湧電流的能力是其額定電流的2～3倍。因此

，在該電路設計時取IGBT的瞬時承受的電流為250A，當直流電壓Ucd=500V時，為了使短路發生時不至於燒壞IGBT
，從式（3）可知，Cd和LT必須滿足式（5）。

 
從減小短路電流的角度看，Cd要盡可能小，LT要盡可能大。但Cd過小，電路工作時存在以下缺點：隔直效果不理想；輸出電壓正弦失真度過高
，輸出電壓降低
，加熱效果不理想；反並二極管重新導通
，增加二極管的電流容量
，如圖4所示。

 
當LT過大時
，電路工作時存在以下缺點：LT上的高頻壓降過高
，使得輸出電壓降低；管子關斷時承受的正向阻斷電壓升高；內槽路諧振頻率減小，IGBT和二極管出現二次導通，如圖5所示。

 
圖6是LT/Cd=4
，Cd=0.75μF
，LT=3μH時的仿真波形，通過與圖4和圖5的對比可以看出
，此時參數選擇最為合適。

 
上述仿真波形中存在的振蕩
，均是由器件的寄生電容、二極管反向恢複過程引起的。圖7是在LT從3μH變化到8μH時
，管子關斷時承受的電壓波形和負載輸出電壓波形。可以看出LT在這一範圍取值是比較合適的。

 
實驗結果
結合前麵的分析，做了相關的實驗，其波形如圖8所示。該實驗中IGBT的工作頻率是50kHz，負載輸出頻率為100kHz。

 
圖8中曲線1是流過IGBT的電流波形
，由於電流互感器方向與電流實際方向相反，所以，與曲線2所示的IGBT兩端電壓uds的波形邏輯相反。

從波形來看，實驗波形驗證了前麵分析的正確性。

結語
采用IGBT作為功率開關，利用倍頻電路的特性可以將電路推向高頻化。在負載短路時，選擇合適的Cd和LT的值，可以在一定程度上減小浪湧電流的大小，從而更好地保護電路，保證了電路的可靠運行。