采用IGBT的正弦波中頻逆變電源 文章作者:周 云 虞培義
發(fā)布時(shí)間:2007/8/23 0:00:00 訪問次數(shù):501
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(jìn)行了詳盡的分析。
關(guān)鍵詞:絕緣柵雙極晶體管;中頻逆變電源;驅(qū)動;正弦波脈寬調(diào)制
引言
400Hz中頻電源在工業(yè)、國防、航海、航空等領(lǐng)域中應(yīng)用非常廣泛。目前在我國,400Hz中頻供電系統(tǒng)大多為中頻機(jī)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(guān)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(zhuǎn)換效率高,工作可靠,使用方便等優(yōu)點(diǎn),是中頻機(jī)組的理想替代新產(chǎn)品。
IGBT是新一代復(fù)合型電力電子器件,它的控制級為絕緣柵控場效應(yīng)晶體管,輸出級為雙極功率晶體管,因而它兼有兩者的優(yōu)點(diǎn)而克服了兩者的缺點(diǎn),如高的輸入阻抗;高的開關(guān)頻率;很小的驅(qū)動功率;通態(tài)壓降;電流密度大等。
圖1
1 系統(tǒng)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(gòu)成如圖1中的上半部分所示,圖中K1為空氣開關(guān)。L為EMI濾波器,用以濾掉電網(wǎng)中的干擾和消除逆變電源對電網(wǎng)的干擾。K2,K3,K4為接觸器,K2的作用是在系統(tǒng)啟動時(shí)接通電源,在故障時(shí)切斷主電源,其輔助觸點(diǎn)K2′用來在停機(jī)或保護(hù)電路動作時(shí)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(shí)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(qū)動脈沖電平不確定發(fā)生同時(shí)導(dǎo)通而損壞。接觸器K3和電阻R1構(gòu)成軟起動電路,其作用是在系統(tǒng)啟動時(shí),通過電阻R1緩慢地對電容C1及C2充電,防止直接啟動時(shí)由于電容器C1及C2上初始電壓為零,導(dǎo)致整流橋模塊承受過大的電流沖擊而損壞,當(dāng)電容C1及C2上的電壓充到一定值時(shí),接觸器K3動作,其觸點(diǎn)將電阻R1短接。K4用于將電源輸出與負(fù)載隔開,等系統(tǒng)啟動成功后再將負(fù)載接通,以保證電源系統(tǒng)順利啟動及保護(hù)用電設(shè)備。濾波電容C1及C2用來對整流后的電壓進(jìn)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(hù)提供一取樣信號。V1~V4為4只IGBT,構(gòu)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(guān)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(gòu)成輸出濾波器,把逆變橋輸出的按正弦波規(guī)律變化脈寬的高頻脈沖波還原成中頻正弦波輸出,并經(jīng)變壓器T1隔離后為負(fù)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(jīng)EMI濾波器濾波后,由整流橋模塊U整流,再經(jīng)電容濾波,加至由IGBT構(gòu)成的橋式逆變電路,該直流高壓經(jīng)逆變電路逆變?yōu)槊}寬按正弦波規(guī)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(fù)載。SPWM脈沖波由主控制電路產(chǎn)生并根據(jù)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(wěn)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(jī)87C196MC作為控制核心。該單片機(jī)主要用于控制和數(shù)據(jù)處理,并具有脈寬調(diào)制信號輸出端口。在控制算法上采用模糊控制算法。單片機(jī)產(chǎn)生載頻為20kHz的SPWM脈沖信號,由脈寬調(diào)制信號輸出端口輸出,通過驅(qū)動電路加到IGBT的柵極,控制逆變電路正確工作,同時(shí),根據(jù)電壓和電流的反饋值調(diào)整SPWM脈沖信號的脈寬以保持輸出信號幅度的穩(wěn)定。為了保證系統(tǒng)安全可靠地運(yùn)行,充分發(fā)揮單片機(jī)的強(qiáng)大控制功能,由主控制電路對系統(tǒng)的關(guān)鍵器件和關(guān)鍵參數(shù),例如過壓、欠壓、過流、過載、輸出短路、過熱等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)工作狀態(tài)的自診斷并對故障進(jìn)行相應(yīng)的聲光報(bào)警。由于采用了16位單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制核心,控制快速準(zhǔn)確,使系統(tǒng)具有響應(yīng)快,運(yùn)行穩(wěn)定、可靠的特點(diǎn)。
1.3 驅(qū)動電路
IGBT的柵極驅(qū)動電壓可由不同的驅(qū)動電路提供,選擇驅(qū)動電路時(shí),應(yīng)考慮驅(qū)動電路的電源要求,器件關(guān)斷偏置的要求,柵極電荷的要求,耐固性要求,保護(hù)功能等因素。驅(qū)動電路的性能不僅直接關(guān)系到IGBT器件本身的工作性能和運(yùn)行安全,而且影響到整個(gè)系統(tǒng)的性能和安全。
德國西門康(SEMIKRON)公司生產(chǎn)的SKM系列IGBT功率模塊,在芯片制造工藝、內(nèi)部布局、基板選擇等方面有獨(dú)到之處,不必使用RCD吸收電路,SOA(安全工作區(qū))曲線為矩形,不必負(fù)壓關(guān)斷,并聯(lián)時(shí)能自動均流,短路時(shí)電流自動抑制,開關(guān)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(guān)器件。為充分利用IGBT的優(yōu)良性能,保證系統(tǒng)能安全可靠地工作,驅(qū)動電路也選用西門康公司的SKHI系列驅(qū)動器。該系列驅(qū)動器
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(jìn)行了詳盡的分析。
關(guān)鍵詞:絕緣柵雙極晶體管;中頻逆變電源;驅(qū)動;正弦波脈寬調(diào)制
引言
400Hz中頻電源在工業(yè)、國防、航海、航空等領(lǐng)域中應(yīng)用非常廣泛。目前在我國,400Hz中頻供電系統(tǒng)大多為中頻機(jī)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(guān)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(zhuǎn)換效率高,工作可靠,使用方便等優(yōu)點(diǎn),是中頻機(jī)組的理想替代新產(chǎn)品。
IGBT是新一代復(fù)合型電力電子器件,它的控制級為絕緣柵控場效應(yīng)晶體管,輸出級為雙極功率晶體管,因而它兼有兩者的優(yōu)點(diǎn)而克服了兩者的缺點(diǎn),如高的輸入阻抗;高的開關(guān)頻率;很小的驅(qū)動功率;通態(tài)壓降;電流密度大等。
圖1
1 系統(tǒng)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(gòu)成如圖1中的上半部分所示,圖中K1為空氣開關(guān)。L為EMI濾波器,用以濾掉電網(wǎng)中的干擾和消除逆變電源對電網(wǎng)的干擾。K2,K3,K4為接觸器,K2的作用是在系統(tǒng)啟動時(shí)接通電源,在故障時(shí)切斷主電源,其輔助觸點(diǎn)K2′用來在停機(jī)或保護(hù)電路動作時(shí)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(shí)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(qū)動脈沖電平不確定發(fā)生同時(shí)導(dǎo)通而損壞。接觸器K3和電阻R1構(gòu)成軟起動電路,其作用是在系統(tǒng)啟動時(shí),通過電阻R1緩慢地對電容C1及C2充電,防止直接啟動時(shí)由于電容器C1及C2上初始電壓為零,導(dǎo)致整流橋模塊承受過大的電流沖擊而損壞,當(dāng)電容C1及C2上的電壓充到一定值時(shí),接觸器K3動作,其觸點(diǎn)將電阻R1短接。K4用于將電源輸出與負(fù)載隔開,等系統(tǒng)啟動成功后再將負(fù)載接通,以保證電源系統(tǒng)順利啟動及保護(hù)用電設(shè)備。濾波電容C1及C2用來對整流后的電壓進(jìn)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(hù)提供一取樣信號。V1~V4為4只IGBT,構(gòu)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(guān)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(gòu)成輸出濾波器,把逆變橋輸出的按正弦波規(guī)律變化脈寬的高頻脈沖波還原成中頻正弦波輸出,并經(jīng)變壓器T1隔離后為負(fù)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(jīng)EMI濾波器濾波后,由整流橋模塊U整流,再經(jīng)電容濾波,加至由IGBT構(gòu)成的橋式逆變電路,該直流高壓經(jīng)逆變電路逆變?yōu)槊}寬按正弦波規(guī)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(fù)載。SPWM脈沖波由主控制電路產(chǎn)生并根據(jù)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(wěn)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(jī)87C196MC作為控制核心。該單片機(jī)主要用于控制和數(shù)據(jù)處理,并具有脈寬調(diào)制信號輸出端口。在控制算法上采用模糊控制算法。單片機(jī)產(chǎn)生載頻為20kHz的SPWM脈沖信號,由脈寬調(diào)制信號輸出端口輸出,通過驅(qū)動電路加到IGBT的柵極,控制逆變電路正確工作,同時(shí),根據(jù)電壓和電流的反饋值調(diào)整SPWM脈沖信號的脈寬以保持輸出信號幅度的穩(wěn)定。為了保證系統(tǒng)安全可靠地運(yùn)行,充分發(fā)揮單片機(jī)的強(qiáng)大控制功能,由主控制電路對系統(tǒng)的關(guān)鍵器件和關(guān)鍵參數(shù),例如過壓、欠壓、過流、過載、輸出短路、過熱等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)工作狀態(tài)的自診斷并對故障進(jìn)行相應(yīng)的聲光報(bào)警。由于采用了16位單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制核心,控制快速準(zhǔn)確,使系統(tǒng)具有響應(yīng)快,運(yùn)行穩(wěn)定、可靠的特點(diǎn)。
1.3 驅(qū)動電路
IGBT的柵極驅(qū)動電壓可由不同的驅(qū)動電路提供,選擇驅(qū)動電路時(shí),應(yīng)考慮驅(qū)動電路的電源要求,器件關(guān)斷偏置的要求,柵極電荷的要求,耐固性要求,保護(hù)功能等因素。驅(qū)動電路的性能不僅直接關(guān)系到IGBT器件本身的工作性能和運(yùn)行安全,而且影響到整個(gè)系統(tǒng)的性能和安全。
德國西門康(SEMIKRON)公司生產(chǎn)的SKM系列IGBT功率模塊,在芯片制造工藝、內(nèi)部布局、基板選擇等方面有獨(dú)到之處,不必使用RCD吸收電路,SOA(安全工作區(qū))曲線為矩形,不必負(fù)壓關(guān)斷,并聯(lián)時(shí)能自動均流,短路時(shí)電流自動抑制,開關(guān)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(guān)器件。為充分利用IGBT的優(yōu)良性能,保證系統(tǒng)能安全可靠地工作,驅(qū)動電路也選用西門康公司的SKHI系列驅(qū)動器。該系列驅(qū)動器
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