工控领域IGBT细分市场盘点

浏览: 作者: 来源: 时间:2019-03-13 分类:行业新闻

IGBT在工控领域有许多应用,以600-1200V电压规格的IGBT为例,我们来盘点一下工控应用领域中存在哪些的细分市场。(下文中所述IGBT若无特定说明,则均代表IGBT模块)


1.电磁感应加热:

人类利用电磁感应对物体进行加热的灵感主要来源于法拉第发现的电磁感应现象。1831年,法拉第第一次发现了电磁感应现象:当交变的电流在导体中传播时,会在导体中产生感应电流,从而导致导体发热。这个现象的发现,引起了世界上一大批对加热感兴趣的科学家,上个世纪90年代是世界对电磁感应探索狂热的一年,在这个时间段,电磁感应的发热现象得到了充分的改进和利用。1890年,瑞典技术人员发明了第一台感应熔炼炉——开槽式有芯炉;1893年,美国出现了电熨斗雏形;1909年,电灶的出现实现了从电能转化为热能的过程;1916年,美国人发明了闭槽有芯炉。自此,电磁感应技术逐渐进入了实用化阶段。

从技术上来讲,电磁感应加热系统本质上其实是一种交-直-交的变频装置,它的电路结构是由整流单元、滤波单元、逆变单元及其控制、保护单元和负载组成。整流单元的主要作用在于将电源供给的交流电变成直流电,正常工作时,三相工频电路首先经整流单元进行整流,整流后的直流电再经过滤波单元,过滤掉周围所带的杂波,使之成为平滑的直流送到逆变单元。逆变单元的作用和整流单元正好相反,是一种将直流电变为交流电送给下级单元的一种装置。逆变单元一般都采用电力半导体器件作为电子开关,其中使用频率最高的即是IGBT,IGBT通过高频的开关动作,使得直流电压对电感进行充放电,因此电感的另一端就能得到交流电并提供给负载。后面盘点的各类应用中,如果有用到逆变器的话,那么IGBT在逆变器中所起到作用基本和上文提到的类似,因此之后将不再进行赘述。

电磁感应加热设备通常按照工作频率范围分成五类:低频感应加热,中频感应加热,高频感应加热,超高频感应加热。低频感应加热频率最低,频率范围一般在工频(50HZ)至1KHZ左右。中频感应加热频率范围一般在1KHZ至15KHZ左右,典型值是8KHZ左右。高频感应加热频率范围一般在40KHZ至200KHZ左右,常用40KHZ至80KHZ。超高频感应加热频率相对最高,频率范围一般在200KHZ以上,有些甚至可高达几十MHZ。终端用户可根据不同类型的电磁感应加热设备的电压及频率等要求,选用相对应的IGBT型号进行匹配。


2. 工业电源:

大规模用到IGBT的工业电源一般有开关电源、中高频IGBT逆变电源、不间断电源(UPS)、应急电源(EPS)等,这里我们以开关电源为例来看,开关电源主要有两种,分别为直流开关电源和交流开关电源。其中直流开关电源的核心是DC/DC变换,举例来讲,就是将来自于诸如市电电源、蓄电池电源等质量较差的原生态电源(通俗讲即为粗电),变成设备所需要的、高质量的电(即为精电)。同理来讲,交流开关电源即为DC/AC变换,这部分原理类似于上文电磁感应加热设备中的整流模块,因此此处不再继续讲解。

从结构来看,开关电源由四部分组成,分别为主电路、控制电路、保护电路和辅助电源。其中主电路中含有输入滤波器、整流、逆变、输出整流及滤波等单元,有逆变器出现的地方,即有IGBT存在,IGBT在逆变器中是个不可或缺的元器件,其在逆变器中起到的作用即如上文所述,将直流电转换成后续单元所需的交流电。由于IGBT本身就具有驱动功率小、饱和压降低、节能等优点,所以内部采用IGBT的工业电源具有熔化速度快、节能、高次谐波污染低等优点,因此IGBT在工业电源领域受到了许多电源厂家的欢迎,工业电源也成为IGBT工控应用领域市场的主力分支。


3. 工业电焊:

除去电磁感应和电源外,IGBT在工业电焊中也有许多应用,一般称为逆变电焊机或者弧焊逆变器。其工作原理主要是通过将工频交流电(50Hz)经过整流滤波变成直流,再通过大功率开关电子元件(即IGBT)将直流逆变成千赫兹到万赫兹的中频交流电,同时经变压器降至适合于焊接的几十伏电压,再次整流并经过滤波输出平稳的直流电,进行焊接工作。此处IGBT起到的作用除了将DC转化成AC之外,还起到了变频的作用,我们平日所见的变频器中大都含有IGBT元器件。

工业电焊机一般输入电压为普通工业电压380V,电流则在150-650A不等,所以功率基本在60K-240K之间,终端用户可根据具体功率选用若干1200V、不同电流规格的IGBT模块并联,以满足设备的需求。逆变电焊机相比于传统电焊机的主要优势在于频率的提高,这使电焊机的重量和体积大大减小;在节能方面,IGBT逆变焊机比传统焊机节电30%以上,效率可达80%-90%;焊接方面,动特性好,电弧稳定,焊缝成形比较美观,同时可一机多用,完成多种焊接和切割过程。


4. 风能、太阳能发电:

风能发电——风电变流器:风力发电机组是将风能转化为电能的装置,其中变流器是风电机组的核心部件之一。变流器是使电流电压、频率、相数、和其他电量或特性发生变化的电器设备,坦白来讲,变流器中用到IGBT的单元实际上就是逆变器,由此看出,IGBT在工业领域中的应用大多都是用在逆变上。发电过程中,由于风能具有不稳定的特性,所以一般输出的都是交流电,为了能将不稳定的电转变成稳定可供使用的市电,由机械能转化的交流电需要经过整流后充电至蓄电瓶中,转换成化学能,再经过逆变单元,将化学能转化成稳定的市电,以供人们使用。目前风能发电领域中,IGBT选用规格一般在650-1700V/75-3600A之间。

太阳能发电——光伏逆变器:太阳能交流发电系统是由太阳能电池板、充电控制器、逆变器和蓄电池共同组成。太阳能逆变器能把太阳能电池板的可变直流电转换为稳定交流电来驱动家用电器、照明及电机工具等交流负载,是整个太阳能发电系统的关键组件。一般而言,光伏逆变器中使用的IGBT规格在650-1700V/15-3600A左右。


5. 工业缝纫机:

工业缝纫机相对于上面所讲的四个细分领域而言,略微小众一点。在此所述不多,简单介绍一下其工作原理及IGBT使用部位,IGBT主要用在工业缝纫机的控制系统中。控制系统一共包括三个部分,分别为主轴电机、传动机械和伺服控制器。正常工作时,控制系统会控制伺服控制器的位置,伺服控制器则通过驱动主轴电机来控制主轴传动机械动作来完成缝纫工作,其中主轴电机会用到三项全桥单管IGBT驱动。一般而言,主轴伺服电机额定功率在500-1000W,工业无线缝合机单机功率可达3.8KW,额定电压为220V,功率相对较小,所以工业缝纫机除功率较大的几种特定机种之外,一般都使用的是MOS器件。