Введение к работе
Актуальность темы: Индукционный метод нагрева
широко используется во многих отраслях промышленности для
нагрева и плавки черных и цветных металлов и сплавов.
Индукционный нагрев характеризуется относительной сложностью
электрооборудования и значительными потерями энергии.
Характерная для последнего времени тенденция увеличения
эффективности производства вызвала повышенный интерес к
совершенствованию электрооборудования индукционных
установок и их автоматизации. В последние годы были разработаны и внедрены образцы новых более экономичных источников питания, отличающихся более высокой эксплуатационной надежностью и простотой обслуживания.
Одной из обласгой примішеним индукционної о наїрева янлноіси злекірофизические установки, в частности, установка по нырищииапию олоои карбида кремния моюдом іазофазной эпитакции, где индукционный нагрев используется для разогрева графита и карбида кремния в среде инертных газов.
Применение карбида кремния в полупроводниковой
электронике может значительно расширить как сферы ее
применения, так и ее функциональные возможности.
Уникальные свойства SiC открывают перспективу создания
уиимоимюй 6a:tu дня шесжотомпораї урной и родиационно-
сгойкой э/юктропики, мощной СВЧ электроники,
оптоэлектроники для коротковолновой видимой и
ультрафиолетовой областей спектра. Существует широкий
спектр изготовленных в последнее время полупроводниковых
приборов, которые сочетают в себе достоинства карбида
кремния как широко-зонного материала: коротковолновые
оптоэлектронные приборы (зеленые, синие и фиолетовые
светодиоды, ультрафиолетовые фотоприемники),
высокотемпературные электропреобразовательные приборы
(диоды, полевые транзисторы с p-n-переходом, п-МОП
транзисторы со встроенным и индуцированным каналом,
биполярные транзисторы и тиристоры), высокочастотные
приборы (микроволновые транзисторы с затвором Шоттки), элементы длительного хранения информации (транзисторные ячейки памяти для перепрограммируемых запоминающих устройств).
В настоящее время для индукционного нагрева широко используются два типа генераторов: статические тиристорные инверторы (СТИ) и высокочастотные ламповые генераторы (ЛГ). Статические тиристорные инверторы применяются в диапазоне частот до 10 кГц с удовлетворительным к.п.д.. Поскольку тиристоры имеют относительно невысокие времена
переключения, СТИ имеют ограничения по применению на повышенных частотах. Ламповые генераторы , в отличие от СТИ, не имеют ограничения по частоте. Главный недостаток ЛГ это ограничение времени жизни, которое составляет обычно до 6000 рабочих часов в зависимости от условий эксплуатации . С другой стороны лампа сама по себе элемент с низким к.п.д. (никогда не выше 75%), что снижает общую эффективность генератора. На практике эффективность классических ламповых генераторов равна 50%.
В последнее время с появлением силовых транзисторов, выполненных по МОП-технологии (MOSFET и IGBT) появилась возможность создания на их базе высокоэффективных мощных генераторов, обладающих значительными преимуществами по сравнению с теми, которые построены на электронных лампах и тиристорах. Этот новый тип генератора с частотным диапазоном oi 10 до 1Г>0 кГц. мо:шошш1 .'і.імоііин. гшокіропнио л.іммонмо (операторы.
Потому созданио пыг.окочгипоших экономичных іенерагоров является актуальной задачей.
Цел ь.__р_а боты: Целью работы является создание иысокочасютых преобразователей для индукционного наїрева немагнитных материалов в частности для электрофизических установок по выращиванию слоев карбида кремня методом газофазной эпитакции, с улучшенными знорготичоскими, массоїабариіньїми показаіолями. Зіа цель моїробоїшла ришонии следующих задач:
анализ режимов работы индукционных установок;
выбор структурной схемы преобразователя частоты;
выбор типа резонансного инвертора; сравнительный анализ и выбор полупроводниковых ключевых элементов;
анализ режимов работы высокочастотного
преобразователя и оптимизация способа управления, обеспечивающего наилучшие условия эксплуатации ключевых элементов, минимальные потери и минимальную установленную мощность элементов;
анализ режимов работы выбранной схемы преобразователя, математический анализ и схемотехническое моделирование высокочастотного преобразователя для индукционного нагрева;
разработка инженерной методики расчета преобразователя;
создание опытного образца преобразователя для индукционного нагрева в составе установки по
выращиванию слоев карбида кремния методом газофазной эпитакции.
Методы исследования: При проведении теоретических исследований использовались методы теории электрических цепей, схемотехническое моделирование на ПЭВМ с использованием пакета «Design Center 5.1». Достоверность полученных результатов проверялась на опытном образце и схемотехнических моделях.
Научная новизна:
Впервые сформулированы требования к транзисторным высокочастотным генераторам, работающим в диапазоне частот 20-50 кГц, для индукционного нагрева графита 8 установках по выращиванию карбида кремния методом газофазной эпитакции;
на основе сравнительного анализа преобразователей частоты для нагрева немагнитных материалов предложена структура высокочастотного преобразователя, обладающего наилучшими энергетическими и массогабаритными показателями;
предложен способ управления, обеспечивающий минимальные потери в силовых ключах и облегченные режимы эксплуатации силового оборудования параллельного резонансного инвертора (силовых ключей, реакторов, конденсаторов);
создана математическая модель преобразователя частоты, выполненного по схеме: неуправляемый выпрямитель - импульсный регулятор - автономный инвертор тока;
разработана методика расчета преобразователя частоты, корректность которой проверена путем математического моделирования и практическими испытаниями опытного образца преобразователя.
Практическая ценность:
Предложена схема силовой части транзисторного
преобразователя для индукционного нагрева
номаї питых маїериалоо, работающею в диапазоне понмшонных частот, с улучшенными массогабаритными и энергетическими показателями;
- предложена инженерная методика расчета
транзисторного преобразователя на IGBT для
индукционного нагрева;
разработаны принципиальные схемы силовой части и системы управления преобразователя для индукционного
I)
нагрева в составе установки по выращиванию слоев карбида кремния методом газофазной эпитакции; - Опытный образец преобразователя успешно эксплуатируется в физико-техническом институте имени А.Ф. Иоффе, г. Санкт-Петербург.
Апробация работы: Результаты диссертационной работы
докладывались и обсуждались на научной технической
конференции студентов и аспирантов вузов России
«Радиоэлектроника и электроника в народном хозяйстве», в г. Москве в феврале 1998г., и на семинарах кафедры Промышленной электроники.
Публикации: По теме диссертационной работы опубликованы тезисы доклада «Высокочастотный генератор для индукционного нагрева» в сборнике «Радиоэлектроника и электроника в народном хозяйстве», результаты работы нашли отражение в отчете по Научно-исследовательской работе кафедры Промышленной электроники 1996г.
Структура и объем работы: Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, содержание которых изложено на 62 страницах и иллюстрировано 31 рисунками на 22 страницах, а так же содержит список литературы из 69 наименований на 6 страницах и 2 приложения на 15 страницах.
