頻逆變電源研究管理論文

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摘要：介紹了用IGBT作功率器件的中頻逆變電源，對電路的工作原理進行了詳盡的分析。

關鍵詞：絕緣柵雙極晶體管；中頻逆變電源；驅動；正弦波脈寬調制

引言

400Hz中頻電源在工業、國防、航海、航空等領域中應用非常廣泛。目前在我國，400Hz中頻供電系統大多為中頻機組，體積大，噪音高，效率低，管理不便。我們研制了一臺用絕緣柵雙極晶體管（IGBT）做為主功率開關器件的400Hz正弦波中頻逆變電源，它具有體積小，重量輕，噪音低，轉換效率高，工作可靠，使用方便等優點，是中頻機組的理想替代新產品。

IGBT是新一代復合型電力電子器件，它的控制級為絕緣柵控場效應晶體管，輸出級為雙極功率晶體管，因而它兼有兩者的優點而克服了兩者的缺點，如高的輸入阻抗；高的開關頻率；很小的驅動功率；通態壓降小；電流密度大等。

圖1

1系統組成及工作原理

1.1逆變電源主電路

正弦波中頻逆變電源的主電路構成如圖1中的上半部分所示，圖中K1為空氣開關。L為EMI濾波器，用以濾掉電網中的干擾和消除逆變電源對電網的干擾。K2，K3，K4為接觸器，K2的作用是在系統啟動時接通電源，在故障時切斷主電源，其輔助觸點K2′用來在停機或保護電路動作時使濾波電容C1及C2上貯存的能量通過電阻R2快速放掉，以便檢修或避免掉電時電容C1及C2中聚積的能量還未放完，逆變橋中同橋臂上下主功率IGBT因驅動脈沖電平不確定發生同時導通而損壞。接觸器K3和電阻R1構成軟起動電路，其作用是在系統啟動時，通過電阻R1緩慢地對電容C1及C2充電，防止直接啟動時由于電容器C1及C2上初始電壓為零，導致整流橋模塊承受過大的電流沖擊而損壞，當電容C1及C2上的電壓充到一定值時，接觸器K3動作，其觸點將電阻R1短接。K4用于將電源輸出與負載隔開，等系統啟動成功后再將負載接通，以保證電源系統順利啟動及保護用電設備。濾波電容C1及C2用來對整流后的電壓進行濾波，以保證提供給逆變橋的電壓為平直的直流電壓。R3及R4分別并于C1及C2兩端，以保證C1及C2各承受主電路中直流電壓的一半。S為霍爾電流傳感器，對逆變電源的直通及短路保護提供一取樣信號。V1～V4為4只IGBT，構成橋式逆變電路。C3及C4用來抑制IGBT通斷過程中因電路中電感的存在引起的尖峰脈沖電壓Ldi/dt，保證主功率開關器件IGBT不因承受過高的尖峰脈沖電壓而擊穿損壞。L1，L2，C5構成輸出濾波器，把逆變橋輸出的按正弦波規律變化脈寬的高頻脈沖波還原成中頻正弦波輸出，并經變壓器T1隔離后為負載提供合適幅值的電壓。

逆變電源主電路的工作原理可歸納如下：三相（或單相）交流市電經EMI濾波器濾波后，由整流橋模塊U整流，再經電容濾波，加至由IGBT構成的橋式逆變電路，該直流高壓經逆變電路逆變為脈寬按正弦波規律變化的高頻脈沖波，再由輸出濾波器濾掉高頻諧波，得到中頻正弦波，最后由變壓器隔離、變壓（升壓或降壓）后提供給負載。SPWM脈沖波由主控制電路產生并根據輸出反饋電壓和反饋電流來改變脈沖波的寬度，從而保證輸出電壓的穩定。

1.2主控制電路

主控制部分的原理框圖如圖2所示。它采用INTEL公司的16位單片機87C196MC作為控制核心。該單片機主要用于控制和數據處理，并具有脈寬調制信號輸出端口。在控制算法上采用模糊控制算法。單片機產生載頻為20kHz的SPWM脈沖信號，由脈寬調制信號輸出端口輸出，通過驅動電路加到IGBT的柵極，控制逆變電路正確工作，同時，根據電壓和電流的反饋值調整SPWM脈沖信號的脈寬以保持輸出信號幅度的穩定。為了保證系統安全可靠地運行，充分發揮單片機的強大控制功能，由主控制電路對系統的關鍵器件和關鍵參數，例如過壓、欠壓、過流、過載、輸出短路、過熱等進行實時監控，實現對系統工作狀態的自診斷并對故障進行相應的聲光報警。由于采用了16位單片機作為系統的控制核心，控制快速準確，使系統具有響應快，運行穩定、可靠的特點。

1.3驅動電路

IGBT的柵極驅動電壓可由不同的驅動電路提供，選擇驅動電路時，應考慮驅動電路的電源要求，器件關斷偏置的要求，柵極電荷的要求，耐固性要求，保護功能等因素。驅動電路的性能不僅直接關系到IGBT器件本身的工作性能和運行安全，而且影響到整個系統的性能和安全。

德國西門康（SEMIKRON）公司生產的SKM系列IGBT功率模塊，在芯片制造工藝、內部布局、基板選擇等方面有獨到之處，不必使用RCD吸收電路，SOA（安全工作區）曲線為矩形，不必負壓關斷，并聯時能自動均流，短路時電流自動抑制，開關損耗不隨溫度正比增加，正溫度特性曲線。鑒于此，選用西門康公司的SKM系列IGBT作為逆變電源的主功率開關器件。為充分利用IGBT的優良性能，保證系統能安全可靠地工作，驅動電路也選用西門康公司的SKHI系列驅動器。該系列驅動器只需一個非隔離的＋15V電源；具有高dv/dt容量；保護功能完善；故障記憶，通過ERROR信號告知控制系統；上下互鎖，避免同一橋臂兩只IGBT同時開通；柵極電阻外部可調，使得使用不同功率容量的IGBT時都能工作于較高的開關頻率，并得到高的轉換效率。

作為電壓型控制的IGBT不需要柵極驅動電流，但由于柵極輸入端有一個大電容，使在驅動時形成一很窄的脈沖柵極驅動電流，且IGBT容量越大，該脈沖電流的峰值越大，例如，200A/1200V的IGBT的開通電流的脈沖峰值約達到1.5A。SKHI驅動器既能承受這種高峰值柵極電流又不降低VGE。為?高開通和關斷速度，減少驅動器損耗，SKHI驅動器的輸出級采用MOSFET對管以減少連接線路上的電阻。影響開關速度的另一個重要因素是柵極電阻RG，減小RG可以降低IGBT的開關損耗，但由于雜散電感的存在，使得IGBT關斷時的集射極間的尖峰電壓增大，SKHI驅動器將RG分成RGON和RGOFF（見圖3），這樣兩個參數可分別控制，并可根據IGBT容量的不同，分別調整RGON和RGOFF，以獲得最佳驅動效果。

過流保護是驅動電路具有的重要功能之一，SKHI采用監測IGBT集射極電壓VCE來測控過流，原理圖見圖4。VCE測控電路同時監視柵極輸入信號和集射極電壓，當輸入信號為高電位，并且在3～5μs后，VCE較正常飽和值（3.5～5.5V）高，則認為過流，關斷脈沖信號，給出故障報警信號。這是一種較先進的過流測控方式。

SKHI驅動器是針對IGBT和MOS特性而設計的，是性能較為完善的一種驅動器。

1.4輔助控制電路

輔助控制電路的作用是根據主控電路發出的控制信號，依次控制接觸器K2，K3，K4的吸合及分斷，保證主電路依正確的順序加電，在保護電路工作時切斷主電路的供電電源。輔助控制電路還為風扇提供電源。

1.5顯示及按鍵控制電路

顯示及按鍵控制電路的功能是在主控電路的控制下，顯示系統的工作狀態，如電壓、電流、頻率等，并可通過按鍵改變輸出電壓的幅度（改變范圍為額定輸出電壓的±10％）和輸出電壓的頻率（400Hz±30Hz）。當系統出現故障時對故障進行顯示和報警，報警信號包括過流、過載、短路、過熱、輸入過壓欠壓、驅動報警等。

1.6軟件控制

在算法上采用SPWMT和PID算法以及模糊控制邏輯、動態查表法，使系統響應更快，保護功能更強，可靠性大大提高。

1.7其他

采用關鍵器件降額設計，軟啟動設計、自動保護設計等措施，保證電路在環境應力較大的情況下能可靠工作；采用可靠性熱設計、三防處理、結構件加固處理等辦法，保證產品在惡劣的氣候應力和機械應力條件下的可靠性；對于艦載裝備配套的本產品，采用復合型減震器和導向件結構，保證產品的抗沖擊、抗振動性能。強化產品的絕緣設計，確保產品的安全性。

2實用效果

根據上述正弦波中頻逆變電源方案，已成功開發出系列正弦波中頻逆變電源，經實測在額定負載時輸出正弦波的失真度<3％，MTBF>20000h，各項技術指標均達到設計要求。通過了海裝電子部組織的專家鑒定，還通過了中國電子產品可靠性與環境試驗研究所質量檢測中心（即信息產為部五所）的可靠性和電磁兼容性鑒定、環境試驗檢測。電源經海軍多個部隊和基地、軍工單位、研究所的實際使用，取得了令人滿意的效果。

3結語

1）大功率IGBT因具有工作頻率較高，驅動電路功率小，工作損耗小等優點，加之有專用的驅動電路可使驅動電路的設計簡化，可靠性提高，因此，可方便地用于變頻電源中。

2）在正弦波逆變電源系統中應用16位單片機87C196MC來產生系統所需的SPWM脈沖信號，是非常方便實用的，可使硬件電路大大簡化，可靠性提高，同時可利用單片機的強大控制功能，實時地對系統的關鍵器件和關鍵參數進行監控，實現對系統工作狀態的自診斷。

3）大功率IGBT逆變器的保護電路設計對其可靠工作具有非常重要的作用，應充分重視。IGBT模塊的吸收電容C3及C4須選用低感電容，如聚丙烯電容或類似的低介電損耗膜的電容，安裝時應盡可能地靠近模塊。

4）正弦波逆變電源輸出正弦波的失真度與輸出濾波器的參數有密切關系，設計中應合理地選取濾波器的截止頻率，并照顧逆變電源最高輸出頻率的需要，濾波電感及電容應滿足

式中：fc為濾波器的截止頻率，取值為最高輸出頻率的5～10倍。

5）由IGBT做功率開關器件構成的中頻逆變電源體積小，重量輕，噪音低，工作可靠，使用、維護方便，在工業、國防、航天等領域有廣闊的應用前景，是中頻變頻機組的理想替代產品。