工業(yè)控制領(lǐng)域的大功率變頻可調(diào)開關(guān)電源的設(shè)計(jì)

1　引言

正弦脈寬調(diào)制和變頻調(diào)速技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用日見廣泛。許多電力測試儀器都要求大功率、高性能以滿足電力設(shè)備的測試要求。目前，市場上的大功率開關(guān)電源，其核心功率器件大都采用MOSFET半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管和雙極型功率晶體管，它們都不能滿足小型、高頻、高效率的要求。MOSFET場效應(yīng)晶體管具有開關(guān)速度快和電壓型控制的特點(diǎn)，但其通態(tài)電阻大，難以滿足高壓大電流的要求;雙極型功率晶體管雖然能滿足高耐壓大電流的要求，但沒有快速的開關(guān)速度，屬電流控制型器件，需要較大的功率驅(qū)動(dòng)。絕緣柵雙極型功率晶體IGBT集MOSFET場效應(yīng)晶體管和雙極型功率晶體管于一體，具有電壓型控制、輸入阻抗大、驅(qū)動(dòng)功率小、開關(guān)速度快、工作頻率高、容量大等優(yōu)點(diǎn)。用高性能的絕緣柵雙極型功率晶體IGBT作開關(guān)逆變?cè)?、采?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/變頻">變頻調(diào)幅技術(shù)研制的逆變電源，具有效率高、性能可靠、體積小等優(yōu)點(diǎn)。

2　工作原理

該電源采用高頻逆變技術(shù)、數(shù)字信號(hào)發(fā)生器、正弦脈寬調(diào)制和變頻調(diào)幅、時(shí)序控制上電和串聯(lián)諧振式輸出。電源具有效率高、輸出功率大、體積小等優(yōu)點(diǎn)，其總體原理框圖如圖1所示。

由數(shù)字信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的正弦波被25kHz的三角調(diào)制波調(diào)制，得到一個(gè)正弦脈寬調(diào)制波，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)逆變?cè)蘒GBT。改變正弦波的頻率，幅值便可達(dá)到調(diào)頻調(diào)幅輸出，逆變輸出為串聯(lián)諧振式輸出，將高頻載波信號(hào)濾掉，從而得到所需頻率的正弦信號(hào)。時(shí)序控制電路用來控制功率源供電電源在上電時(shí)緩慢上電，確保電源上電時(shí)電流平穩(wěn)，同時(shí)還避免非過零點(diǎn)開關(guān)帶來的沖擊;在控制電路中還設(shè)計(jì)了故障鎖定功能，一旦電源故障，鎖定功能將禁止開通IGBT，當(dāng)故障出現(xiàn)時(shí)，IGBT被鎖點(diǎn)開通，這時(shí)大容量濾波電容會(huì)儲(chǔ)存很高的電能。所以，電源部分有故障保護(hù)自動(dòng)切斷工作電源和自動(dòng)放電功能，整機(jī)設(shè)計(jì)有雙重過流、過壓和過熱等完善的保護(hù)功能。3　控制與驅(qū)動(dòng)電路

控制電路指主控電路，包括正弦脈寬調(diào)制波的產(chǎn)生，占空比調(diào)節(jié)和故障鎖定電路。控制電路的正弦調(diào)制波，可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況調(diào)節(jié)其頻率。驅(qū)動(dòng)電路則采用三菱公司生產(chǎn)的IGBT專用驅(qū)動(dòng)模塊EXB840，該驅(qū)動(dòng)模塊能驅(qū)動(dòng)高達(dá)150A/600V和75A/1200V的IGBT，該模塊內(nèi)部驅(qū)動(dòng)電路使信號(hào)延遲≤1μs，所以適用于高達(dá)40kHz的開關(guān)操作。用此模塊要注意，IGBT柵射極回路接線必須小于1M，柵射極驅(qū)動(dòng)接線應(yīng)當(dāng)用絞線。EXB840的驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。

4　逆變與緩沖電路

該電源采用半橋結(jié)構(gòu)串聯(lián)諧振逆變電路，主電路原理如圖3所示。在大功率IGBT諧振式逆變電路中，主電路的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)十分重要，由于電路中存在引線寄生電感，IGBT開關(guān)動(dòng)作時(shí)在電感上激起的浪涌尖峰電壓Ldi/dt不可忽視，由于本電源采用的是半橋逆變電路，相對(duì)全橋電路來說，將產(chǎn)生比全橋電路更大的di/dt。正確設(shè)計(jì)過壓保護(hù)即緩沖電路，對(duì)IGBT的正常工作十分重要。如果緩沖電路設(shè)計(jì)不當(dāng)，將造成緩沖電路損耗增大，會(huì)導(dǎo)致電路發(fā)熱嚴(yán)重，容易損壞元件，不利于長期工作。

過程是：當(dāng)VT2開通時(shí)，隨著電流的上升，在線路雜散電感Lm的作用下，使得Uab下降到Vcc-Ldi/dt，此時(shí)前一工作周期以被充電到Vcc的緩沖電容C1，通過VT1的反并聯(lián)二極管VD1、VT2和緩沖電阻R2放電。在緩沖電路中，流過反并聯(lián)二極管VD1的瞬時(shí)導(dǎo)通電流ID1為流過線路雜散電感電流IL和流過緩沖電容C1的電流IC之和。即ID1=IL+IC，因此IL和di/dt相對(duì)于無緩沖電路要小得多。當(dāng)VT1關(guān)斷時(shí)，由于線路雜散電感Lm的作用，使Uce迅速上升，并大于母線電壓Vcc，這時(shí)緩沖二極管VD1正向偏置，Lm中的儲(chǔ)能(LmI2/2)向緩沖電路轉(zhuǎn)移，緩沖電路吸收了貯能，不會(huì)造成Uce的明顯上升。5　緩沖元件的計(jì)算與選擇