IGBT電源在電鍍錫行業的應用

韋耀東

（海南海協鍍錫原板有限責任公司，海南 澄邁 571924）

0 引言

鍍錫板具有良好的耐腐蝕性、可焊性以及錫所特有的美好外觀，被廣泛應用于食品罐頭、醫藥品、工藝品以及化工產品包裝等。在電鍍錫生產工藝中，需要大量的大功率整流直流電源，用于鋼板的堿洗、電鍍、清洗以及鈍化等工序，因此，選擇高效節能的整流電源符合節能減排、降低生產成本和綠色環保的要求。

1 可控硅及IGBT高頻開關電源

1）傳統可控硅整流電源。傳統可控硅整流電源由整流變壓器、可控硅及負載等組成三相橋式全控整流電路，其電路圖如圖1所示。

由于存在變壓器損耗、可控硅損耗以及存在高次諧波等原因，傳統可控硅整流電源效率不高，功率因素較低。

2）IGBT 高頻電源開關。IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor），稱為絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT（雙極型三極管）和MOS（絕緣柵型場效應管）組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件,其兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優點，其等效電路如圖2所示。

圖1 三相橋式全控整流電路的原理圖

由圖2可知，若在IGBT的柵極和發射極之間加上驅動正電壓，則MOSFET導通，這樣PNP晶體管的集電極與基極之間成低阻狀態而使得晶體管導通；若IGBT的柵極和發射極之間電壓為0 V，則MOSFET截止，切斷PNP晶體管基極電流的供給，使得晶體管截止。IGBT導通損耗極低，發熱量極低。

2 可控硅及IGBT高頻開關電源比較及原理

與可控硅整流電源相比，IGBT高頻開關電源，具有以下優點：

1）由于沒有笨重的整流變壓器，IGBT電源設備體積小，重量輕，結構緊湊。

圖2 IGBT等效電路

2）電源效率高，能耗小。輸入功率=輸出功率+發熱損耗+其他微小損耗（可忽略）。也就是說，如果需要同樣輸出功率的前提下，發熱損耗必將直接影響整流器的節能效果。排除兩者都有的整流管發熱損耗，那么可控硅整流器發熱主要包含可控硅本身以及工頻變壓器這兩部件的損耗，IGBT高頻變壓器發熱主要包含IGBT管以及高頻變壓器發熱損耗。

a.IGBT管與可控硅發熱損耗。IGBT本身具有低導通及低開關損耗，因此，IGBT發熱量相對會很低。而任何可控硅都存在電壓降，電流越大，損耗越大；

b.變壓器部件損耗。變壓器計算公式為V=4.44fsBN。

表1 1#鍍錫線整流電源

表2 2#鍍錫線整流電源

式中：V為輸入電壓，f為工作頻率，s為磁芯磁通面積，B為磁場強度，N為線圈圈數。

低頻時B=1.0～1.5，高頻B=0.3時，另外低頻的s比高頻的s大17倍左右，即對于相同的輸入電壓，N主要受頻率f的影響，而IGBT高頻整流器的工作頻率會達到25-40 kHz，可控硅工頻變壓器頻率為50 Hz，因此，輸出同樣功率的前提下，N會存在數量級的差別，銅損和鐵損也都會有數量級的差別，而銅損與鐵損為變壓器的主要損耗。因此IGBT高頻整流器所產生的熱量會比可控硅整流器低很多。

3）IGBT高頻開關電源輸出紋波系數低。紋波是指經整流后殘留在直流電上的交流成分，而紋波系數就是指輸出波形中交流成分與直流成分的比值。紋波系數對電鍍的影響是最直接的，影響到鍍層外觀、亮度、均勻性等方面，紋波系數越高，其鍍層光亮范圍變窄，發花，發灰。與普通整流電源相比，IGBT高頻電源輸出波形質量更佳，具有加工效率高，鍍錫層均勻，結晶更加致密，美觀，光亮度好等優點。

4）實例分析：表1為海南海宇錫板工業有限責任公司生產現場測量得到的1#鍍錫生產線可控硅整流電源數據；表2為海南海宇錫板工業有限責任公司生產現場測量得到的2#鍍錫生產線IGBT高頻開關整流電源數據。

通過表1和表2實測數據對比可知，可控硅整流電源損耗高，效率低下，其效率甚至達不到60%，而IGBT高頻開關電源，效率能達到90%，甚至更高，取決于負載電流大小。即IGBT整流電源比傳統可控硅整流電源節能30%以上。海南海宇錫板工業有限責任公司2#鍍錫線裝有2臺8000A25VDC正反換向堿洗電源，20臺7000A20VDC電鍍電源，2臺4000A50VDC清洗電源，2臺1000A90VDC鈍化電源，整流電源輸出總功率高達3780 kW，按照300天/年，設備負荷率80%計算，年節省電量為：

即通過使用IGBT電源，海宇公司年節電600萬kW·h以上，經濟效益極其明顯。

3 結語

海南海宇錫板工業有限責任公司1#鍍錫線由于建廠時間較早，采用可控硅整流電源，2#鍍錫線于2009年擴建，采用IGBT高頻開關電源。從實際使用過程來看，IGBT高頻開關電源運行安全、穩定、可靠，設備性能、技術水平先進，有著極好的節能效果，同時通過使用IGBT高頻開關電源，有效地提高了產品品質，達到了節能減排、降低生產成本的目的，有力地促進了企業在市場競爭中的優勢地位。

［1］ 趙良炳.現代電力電子學［M］.北京：清華大學出版社，

［2］ 周明寶，瞿文龍.電力電子技術［M］.北京：清華大學出版社，

［3］ 張立.現代電力電子技術［M］.北京：科學出版社，