大功率變頻可調(diào)電源的設(shè)計
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半導體場效應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場效應晶體管具有開關(guān)速度快和電壓型控制的特點,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。絕緣柵雙極型功率晶體IGBT集MOSFET場效應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)動功率小、開關(guān)速度快、工作頻率高、容量大等優(yōu)點。用高性能的絕緣柵雙極型功率晶體IGBT作開關(guān)逆變元件、采用變頻調(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。
2 工作原理
該電源采用高頻逆變技術(shù)、數(shù)字信號發(fā)生器、正弦脈寬調(diào)制和變頻調(diào)幅、時序控制上電和串聯(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,其總體原理框圖如圖1所示。
由數(shù)字信號發(fā)生器產(chǎn)生的正弦波被25kHz的三角調(diào)制波調(diào)制,得到一個正弦脈寬調(diào)制波,經(jīng)驅(qū)動電路驅(qū)動逆變元件IGBT。改變正弦波的頻率,幅值便可達到調(diào)頻調(diào)幅輸出,逆變輸出為串聯(lián)諧振式輸出,將高頻載波信號濾掉,從而得到所需頻率的正弦信號。時序控制電路用來控制功率源供電電源在上電時緩慢上電,確保電源上電時電流平穩(wěn),同時還避免非過零點開關(guān)帶來的沖擊;在控制電路中還設(shè)計了故障鎖定功能,一旦電源故障,鎖定功能將禁止開通IGBT,當故障出現(xiàn)時,IGBT被鎖點開通,這時大容量濾波電容會儲存很高的電能。所以,電源部分有故障保護自動切斷工作電源和自動放電功能,整機設(shè)計有雙重過流、過壓和過熱等完善的保護功能。
3 控制與驅(qū)動電路
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)實際應用情況調(diào)節(jié)其頻率。驅(qū)動電路則采用三菱公司生產(chǎn)的IGBT專用驅(qū)動模塊EXB840,該驅(qū)動模塊能驅(qū)動高達150A/600V和75A/1200V的IGBT,該模塊內(nèi)部驅(qū)動電路使信號延遲≤1μs,所以適用于高達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)動接線應當用絞線。EXB840的驅(qū)動電路如圖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)計十分重要,由于電路中存在引線寄生電感,IGBT開關(guān)動作時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)計過壓保護即緩沖電路,對IGBT的正常工作十分重要。如果緩沖電路設(shè)計不當,將造成緩沖電路損耗增大,會導致電路發(fā)熱嚴重,容易損壞元件,不利于長期工作。
過程是:當VT2開通時,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的瞬時導通電流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相對于無緩沖電路要小得多。當VT1關(guān)斷時,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,這時緩沖二極管VD1正向偏置,Lm中的儲能(LmI2/2)向緩沖電路轉(zhuǎn)移,緩沖電路吸收了貯能,不會造成Uce的明顯上升。
5 緩沖元件的計算與選擇
式中:f—開關(guān)頻率;Rtr—開關(guān)電流上升時間;IO—最大開關(guān)電流;Ucep—瞬態(tài)電壓峰值。
在緩沖電路的元件選擇中,電容要選擇耐壓較高的電容,二極管最好選擇高性能的快恢復二極管,電阻要用無感電阻。
6 結(jié)束語
該電源已經(jīng)成功地應用于大功率電力測試儀器,與傳統(tǒng)方法相比,不僅測量精度高,而且提高了工作效率,增加了工作安全性,降低了勞動強度。
參考文獻
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