中频电源技术的发展历程

纵观我国感应加热用中频电源的发展历史,可把其发展概括为20世纪70年代的开发研究期、80年代的成熟应用期、90年代的大范围推广期和20世纪末期的提高性能期。

(1)20世纪70年代为众多单位参与的开发研究期。我国应用电力半导体器件研制感应加热用中频电源的历史可追溯到20世纪70年代,1963年我国第一只晶闸管问世,在1970年我国开发出了快速晶闸管,1972年我国许多单位都开始了晶闸管中频电源的研究。这个时期应用的核心器件为快速晶闸管,其控制电路为由众多分立元器件构成的多块控制板组成的插件箱结构。同时,由于晶闸管制作工艺技术的限制,决定了主电路结构,快速晶闸管的阻断耐压不够高,由两只或三只晶闸管串联构成逆变桥臂,所应用的快速晶闸管的数量为8只或12只,因而晶闸管需要采用均压网络。由于这个时期晶闸管的关断时间不能太短,所以决定了中频电源的输出频率不高;又因为这个时期快速晶闸管的动态参数du/dt和di/dt不是很高,导致了系统中限制du/dt及di/dt的网络庞大而复杂。在此阶段由于整个晶闸管可靠性还很不理想,决定了这一阶段中频电源多是实验室产品,在工业中应用很少。

(2)20世纪80年代的成熟应用期。到1980年以后,由于国产晶闸管制造工艺的长足进步及技术引进,其可靠性获得了很大的进步,因而中频电源逐步从实验室进入了工业生产实际应用中。这一时期的晶闸管中频电源逆变桥已逐步从多只快速晶闸管串联向单只晶闸管过渡,但输出工作频率仍然不是很高,多在2.5kHz以下,要获得4kHz或8kHz的输出频率仍不得不使用倍频等复杂控制技术。

这一时期晶闸管中频电源的启动方案多为带有专门充电环节的撞击式启动方案,且控制板为多块小控制板构成的插件箱式结构。整个控制系统通常由12块控制板构成(6块整流触发板、2块逆变脉冲板、1块正电源板、1块负电源板、1块保护板、1块调节板),在这一时期快速晶闸管国产水平关断时间最快为35μs,而阻断电压最高不超过1600V,平均电流最大为500A,由此决定了对功率容量超过350kW的感应加热采用中频电源时不得不采用多只快速晶闸管并联的方案。

80年代初,人们将现代半导体微集成加工技术与功率半导体技术进行结合,相继开发出一大批全控电力电子半导体器件(GTR、MOSFET、SIT、SITH及MCT等),为全固态超音频、高频电源的研制打下了坚实的基础。

(3)20世纪90年代的大范围推广应用期。经历了前述两个时期,我国的晶闸管中频电源技术已较成熟。国产快速晶闸管制造工艺采用中子幅照等使关断时间进一步缩短,从35μs左右降到25μs左右,甚至20μs以下;阻断电压已从1600V上升到2000V左右;快速晶闸管的容量进一步提高,单管容量已从500A增加到1000A;控制技术已有撞击式启动、零压启动、内/外桥转换启动等方案,感应加热中频电源的功率容量已从几十千瓦增加到500kW,甚至1000kW。

(4)20世纪末期的提高性能期。1998年之后,国内开发单机容量1000kW以上的中频电源,推动了快速晶闸管制造水平的进一步提高,国内已能生产单管电流容量达2000A、2500A的快速晶闸管元器件,但关断时间对1500A以上的晶闸管仍然很难降到20μs以下。为了解决大中频电源的重炉启动问题,开发出了第五代中频电源控制板,即不要同步变压器的自对相和相序自适应的扫频启动板,使晶闸管中频电源的性能和水平上了一个很高的档次。

为了解决电网的污染问题,提高效率,借助于IGBT及MOSFET制造水平的提高、容量的扩大和成本的下降,中变频电源已在小容量领域从晶闸管向以IGBT和MOSFET为主功率器件的高频电源过渡(工作频率范围为20~200kHz),并已批量投入工业生产中应用。

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