感应加热
实用感应加热技术早在 20 世纪 20 年代就已出现。在第二次世界大战期间，感应加热行业的发展非常迅速，军用车辆和武器以及车轴和发动机都采用了表面/外壳硬化技术；这种技术延长了这些部件的使用寿命。战后，由于人们需要更可靠的汽车，技术改进被用于民用领域。
感应焊接和高频淬火是电源逆变器感应加热的两个出色应用2。在这些应用中，宽带隙 (WBG) 功率晶体管的性能远远优于硅 (Si) 器件。本文将解释其原因。
感应加热的工作原理
典型的感应加热 (IH) 设备使用频率从 60 赫兹到超过 1 兆赫的交流电。早期的感应加热设计使用火花间隙振荡器、电机驱动发电机和真空管来产生这些交流电。后来，技术不断进步，硅控整流器 (SCR) 被用来取代旧式发电机。现在，碳化硅（SiC）晶体管为感应加热电源提供了最佳性能。这是因为感应加热使用高频电流，通过强烈的交变磁场加热导电材料；SiC 器件工作频率高（比传统硅器件高 5 到 8 倍），具有硅 IGBT 无法实现的高效率和高电压。此外，SiC 中的 WBG 能量和低固有载流子浓度使其能够在比硅高得多的温度（高达 600 摄氏度）下保持半导体特性，因此可以在比 IGBT 更高的结温下工作；SiC 减少了废热，从而降低了水冷系统的成本和重量。此外，SiC 的典型芯片尺寸比同等速率的 Si 小近 20 倍，更适合 IH 工作台（见下图 1）。
感应加热系统由多个组件组成：
- 产生高频电流的电源
- 负载匹配站，用于匹配线圈与电源的阻抗
- 缠绕在待加热设备上的感应铜线圈
- 在高功率系统中去除废热的水冷却系统
感应过程会在线圈中产生电磁场，从而将能量传递给需要加热的目标设备。电流沿着线圈通过，从而在线圈周围产生磁场。这种技术的工作原理是通过线圈驱动大量高频交流电，进而产生一个非常强烈且快速变化的磁场。需要加热的工件被放入这个强烈的交变磁场中。交变磁场会导致巨大的电流流过工件。这些电流被称为涡流，以薄层形式流向工件表面，从而实现电阻加热。
感应加热工艺还可用于钢铁等金属和导电材料。与大而厚的材料相比，小而薄的材料加热速度快。交流电的频率越高，加热的穿透深度就越低。可以加热的导电金属包括
- 铜和铜合金
- 黄铜
- 铝质
- 铁
- 钢和不锈钢
- 钨
- 铬
- 镍和镍合金
- 钴
- 碳纤维
- 石墨
- 硅
- 白金级
- 银色
- 金色
IH 能实现高效快速的加热，而且可重复、准确；加热的准确性可延长夹具的使用寿命。此外，由于不使用火焰，这也是一种更安全的工艺。
本文将讨论使用碳化硅功率晶体管的电源设计架构，这种晶体管具有很高的效率，可以在 IH 所需的高频率下工作。
电源
在计算供电能力时，需要考虑被加热材料的比热、材料的质量和所需的温升。在决定供电能力时，还应考虑传导、对流和辐射造成的热损失。
在 IH 应用中，有足够大的电流通过线圈，因此需要水冷。交流线路中的交流电通过电源转换为高频交流电，高频交流电与线圈电感、工件头（在本例中，工件头是容纳水箱电路的装置）电容和工件电阻率的组合相一致。工件被放置在线圈中，从而在工件中产生感应电流，进而产生热量（见右图 1）。
传统上，硅绝缘栅双极晶体管（Si-IGBT）是工业和家用 IH 应用中高频逆变器的主力。由于硅的开关频率有限，大约为 20 kHz，因此碳化硅器件正在取代这类应用。
图 1：典型感应加热系统框图（图片来自参考文献 1）
使用碳化硅功率晶体管
商用电感加热
感应加热是大功率应用的绝佳应用；其中一种应用是高效的金属液化方法。感应加热需要极高的电流和高频功率，同时还需要较低的传导损耗，与效率低得多的 Si IGBT 相比，SiC MOSFET 在实现所需性能的同时，还能最大限度地降低整体系统成本。
感应焊接和高频淬火/退火是功率逆变器感应加热中最直接的两种应用。
工业焊机需要的功率高达 1 兆瓦，频率范围在 200-500 千赫之间，具体取决于待焊管的特性。
淬火/退火所需的功率高达 400 kW，频率高达 200 kHz，但功率循环次数极多。
加热轧制合金
10 至 100 千瓦功率用于小型坯料和棒料端头（坯料是半成品，已进行部分加工，但仍需进一步加工至最终尺寸。棒材是已完全轧制成形的成品材料）。
1MW 至 5MW 功率用于钢坯、棒材或管材。
100kW 至 1500kW 用于钢坯、棒材和棒材端部加热。
10 千瓦至 100 千瓦用于退火、干燥、固化和涂层。
为什么选择碳化硅？
碳化硅的 WBG 能量和低固有载流子浓度使这些器件能够在比硅高得多的温度下保持半导体特性，这反过来又使碳化硅器件的功能能够在比硅高得多的温度下发挥。
将未冷却的高温半导体电子元件直接嵌入高温环境的能力为感应加热应用带来了关键优势。高温能力（未封装的碳化硅 MOSFET 芯片的结温可达 400 摄氏度，而带封装的碳化硅模块的器件结温大约可达 175 摄氏度）消除了在使用传统硅半导体的应用中实现类似功能所需的液体冷却、风扇、热屏蔽和更长的导线运行所带来的性能、可靠性和重量损失。
碳化硅器件具有高击穿场强和高热导率；当这些特性与高工作结温相结合时，碳化硅器件可实现极高的功率密度和效率。SiC 技术的高击穿场强和宽能带隙使功率开关的速度明显快于硅功率开关器件。(参见右图 2）。
碳化硅功率器件之所以能够实现高压运行，是因为其阻塞区更薄，能够实现快速开关。这使得基于碳化硅的功率转换器能够以更高的开关频率和更高的效率（因此，开关能量损耗更小）运行。在感应加热中，更高的开关频率是必不可少的，因为这样可以使用更小的电容器、电感器和变压器，进而实现更小的槽电路，并大大减小功率转换器的整体尺寸、重量和成本。硅器件无法达到这些开关速度。
特性（相对于 Si） | Si | SiC | LT8614 | 1 | 3.1 |
|---|---|---|
热膨胀系数 | 1 | 1.6 |
介电常数 | 1 | 0.9 |
电子迁移率 | 1 | 0.67 |
孔移动性 | 1 | 7.34 |
击穿电场 | 1 | 7.34 |
饱和速度 | 1 | 2 |
最高工作温度 | 1 | 5.2 |
图 2：硅与碳化硅半导体对比，显示碳化硅具有更优越的材料特性（图片来自参考文献 5）
适用于 IH 的正确转换器架构
感应加热应用中最常用的两种转换器是半桥谐振转换器（图 3）或全桥谐振转换器（图 4）。谐振转换器的优势在于，当其两端电压和/或通过其的电流在开关瞬间为零时，它可以切换状态（从开到关，反之亦然）。这大大减少了晶体管应力和功率损耗。
半桥逆变器
基本的半桥逆变器如图 3 右所示。图 3 显示了两个串联的相同直流电压源（E）、两个静态开关（Q1 和 Q2）以及两个二极管（D1 和 D2）。对开关的保护是 D1 和 D2 与 SiC 器件（Q1 和 Q2）并联，因为开关将处理反向电流。图 2 使用的是电感负载，因为大多数单相负载通常都是电感负载。一旦两个大电解电容 C1 和 C2 充满电，它们就会充当电压源。有两个等值电阻与电容器并联（内部/未显示），不仅确保两个电容器上的电压处于同一水平，还为半桥逆变器关闭后电容器放电提供了路径。
全桥逆变器
图 4 是一个全桥 LLC 谐振逆变器。在这个全桥配置中，有四个 SiC 开关（S1 至 S4），由于电感负载的存在，它们之间有反并联二极管作为缓冲器。Cp 是谐振电容器，LS 是串联电感器，还有一个由 Req 和感应线圈电感器 (Lcoil) 串联而成的感应线圈。Cb 是直流阻断电容器，与变压器初级串联。详见参考文献 3。
全桥 LLC 谐振式逆变器结构简单，效率高，是感应加热应用中最常用的逆变器之一。谐振变频器的主要优点是，当开关瞬间其两端的电压和/或通过其的电流为零时，这种结构会切换其状态（从开到关，反之亦然）。这大大降低了晶体管应力和功率损耗。
图 3：谐振负载半桥逆变器（图片来自参考文献 3）
图 4：全桥 LLC 谐振逆变器（图片来自参考文献 3）
其他 IH 应用
结论
参考资料
- 什么是感应加热以及感应线圈如何工作？》，由 Ambrell Induction Heating Solutions 赞助，2015 年 1 月 27 日，AZO Materials 网站
- 在工业感应加热应用的大功率、高频率逆变器中实际使用碳化硅器件，Enrique J. Dede、José Jordán、Vicente Esteve，IEEE，2016 年
- 使用碳化硅晶体管的可再生能源感应加热电力电子技术，Mathew M'kandawire、Jiaying Wang、Tatjana Kalitjuka、Aleksejs Grigorjevs，挪威科技大学电力工程系，2010 年
- 在电压源逆变器应用中，SiC MOSFET 模块最多可替代 3 倍大电流 Si IGBT 模块，Mrinal K. Das 博士，Cree 公司产品营销经理，2013 年
- 美国国家航空航天局（NASA）电子零件和包装（NEPP）计划安全和任务保证办公室碳化硅功率电子知识库
