Выпрямитель для нагрева на IGBT

Когда слышишь про IGBT в контексте нагрева, сразу думаешь — опять кто-то пытается впихнуть модули куда не надо. Но если разобраться, именно для индукционного нагрева это иногда единственный вариант. В ООО Хэбэй Тонгке мы сначала тоже сомневались — дорого, сложно, но несколько проектов заставили пересмотреть подход.

Почему IGBT, а не MOSFET

С MOSFET для мощных индукционных систем всегда была проблема по тепловым режимам. Помню, на тестах одного выпрямителя для закалки валов MOSFET-ы стабильно уходили в защиту при длительной работе. Перешли на IGBT — и сразу стало ясно, что для промышленного нагрева это другой уровень. Хотя, конечно, пришлось пересчитывать всю систему управления.

На сайте https://www.tongke.ru у нас есть раздел про высокочастотные импульсные источники — так вот, именно там начали применять IGBT-модули. Сначала для малых мощностей, 20-30 кВт, потом уже и для 100 кВт добрались. Но не всё так гладко — об этом дальше.

Ключевой момент — IGBT даёт стабильность на высоких частотах, которые критичны для поверхностного нагрева. MOSFET теоретически может, но на практике при длительных нагрузках начинаются проблемы с тепловыми характеристиками.

Типичные ошибки при проектировании

Самая частая — неправильный расчёт системы охлаждения. IGBT греется сильно, и если поставить слабый радиатор, модуль сгорит за пару часов работы. Был случай, когда заказчик сам собрал схему, поставил водяное охлаждение, но не учёл качество воды — через месяц модули покрылись окислами и перегрелись.

Ещё одна ошибка — неправильный подбор драйверов. IGBT требует чёткого управления, и если драйвер не обеспечивает достаточную скорость переключения, модуль работает в линейном режиме и мгновенно перегревается. Мы в ООО Хэбэй Тонгке сначала тоже на этом обожглись — поставили драйверы от старой серии выпрямителей, и они не справлялись с ёмкостной нагрузкой.

Третья проблема — защита от перенапряжений. IGBT очень чувствителен к выбросам напряжения, особенно в индукционных системах, где есть резонансные процессы. Приходится ставить варисторы и снабберные цепи, но их параметры нужно тщательно подбирать под конкретную нагрузку.

Практические решения от Тонгке

В наших последних разработках, например в серии TK-HF, используем IGBT-модули от Infineon. Они показали себя лучше всего в условиях российских сетей, где бывают просадки напряжения. Хотя китайские аналоги дешевле, но по надёжности пока уступают.

Систему охлаждения делаем двухконтурной — внутренний контур с дистиллированной водой и внешний с теплообменником. Это дороже, но гарантирует, что на радиаторах не будет отложений. Для особо мощных систем, от 200 кВт, добавляем принудительное воздушное охлаждение самого радиатора.

В управлении перешли на драйверы от Concept. Дорого, но они обеспечивают нужную скорость переключения и имеют встроенную защиту. После того как в прошлом году сгорела партия модулей из-за самодельных драйверов, решили не экономить на этом узле.

Случаи из практики

Был интересный проект для кузнечного цеха — нужен был выпрямитель для нагрева заготовок перед штамповкой. Мощность 160 кВт, частота 10 кГц. Сначала предложили схему на MOSFET, но при тестах она не выдерживала непрерывную работу более 2 часов. Переделали на IGBT — и система работает уже полтора года без сбоев.

Другой случай — для термообработки труб большого диаметра. Там важна была стабильность мощности на протяжении всего цикла нагрева. IGBT-схема позволила реализовать плавное регулирование мощности от 10% до 100% без скачков, что критично для равномерного прогрева.

А вот неудачный пример — пытались сделать компактный выпрямитель для нагрева малой мощности на IGBT. Оказалось, что для мощностей до 15 кВт проще и дешевле использовать MOSFET, так как тепловыделение меньше и можно обойтись воздушным охлаждением. IGBT в таком режиме не раскрывает своих преимуществ, а себестоимость получается выше.

Перспективы развития

Сейчас экспериментируем с SiC-транзисторами — они обещают лучшие характеристики, чем IGBT, но пока цена слишком высока для серийных решений. Для специальных применений, где нужны очень высокие частоты (свыше 50 кГц), SiC выглядит перспективно, но для стандартных задач индукционного нагрева IGBT ещё долго будет основным решением.

В новых разработках стараемся уменьшить габариты выпрямителей — современные IGBT-модули позволяют делать более компактные системы, чем раньше. Но здесь есть ограничение по охлаждению — чем плотнее компоновка, тем сложнее отводить тепло.

Также работаем над улучшением КПД — в последних моделях удалось добиться 96-97% для мощностей свыше 100 кВт. Это важно для промышленных предприятий, где счет за электроэнергию составляет значительную часть затрат.

Выводы для практиков

IGBT в выпрямителях для нагрева — не панацея, но для мощных систем (от 50 кВт) часто оптимальный выбор. Главное — не экономить на системе управления и охлаждении, иначе дорогие модули быстро выйдут из строя.

При выборе между IGBT и MOSFET нужно учитывать не только мощность, но и режим работы — для длительных процессов с постоянной нагрузкой IGBT предпочтительнее, для импульсных режимов иногда лучше MOSFET.

Наша компания ООО Хэбэй Тонгке продолжает развивать это направление — на сайте https://www.tongke.ru можно увидеть последние разработки. Хотя идеального решения нет — каждый проект требует индивидуального подхода и тестовых испытаний.