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采用IGBT的正弦波中頻逆變電源
摘要：介紹了用IGBT作功率器件的中頻逆變電源，對(duì)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(dòng)；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(tái)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(jí)為絕緣柵控場(chǎng)效應(yīng)晶體管，輸出級(jí)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(dòng)功率；通態(tài)壓降小；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(duì)電網(wǎng)的干擾。K2，K3，K4為接觸器，K2的作用是在系統(tǒng)啟動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)電路，其作用是在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，通過電阻R1緩慢地對(duì)電容C1及C2充電，防止直接啟動(dòng)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(dòng)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(dòng)成功后再將負(fù)載接通，以保證電源系統(tǒng)順利啟動(dòng)及保護(hù)用電設(shè)備。濾波電容C1及C2用來對(duì)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(duì)逆變電源的直通及短路保護(hù)提供一取樣信號(hào)。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。
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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(hào)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(hào)，由脈寬調(diào)制信號(hào)輸出端口輸出，通過驅(qū)動(dòng)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(hào)的脈寬以保持輸出信號(hào)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(duì)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(duì)系統(tǒng)工作狀態(tài)的自診斷并對(duì)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(dòng)電路
IGBT的柵極驅(qū)動(dòng)電壓可由不同的驅(qū)動(dòng)電路提供，選擇驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，應(yīng)考慮驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)均流，短路時(shí)電流自動(dòng)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(dòng)電路也選用西門康公司的SKHI系列驅(qū)動(dòng)器。該系列驅(qū)動(dòng)器只需一個(gè)非隔離的＋15V電源；具有高dv/dt容量；保護(hù)功能完善；故障記憶，通過ERROR信號(hào)告知控制系統(tǒng)；上下互鎖，避免同一橋臂兩只IGBT同時(shí)開通；柵極電阻外部可調(diào)，使得使用不同功率容量的IGBT時(shí)都能工作于較高的開關(guān)頻率，并得到高的轉(zhuǎn)換效率。
作為電壓型控制的IGBT不需要柵極驅(qū)動(dòng)電流，但由于柵極輸入端有一個(gè)大電容，使在驅(qū)動(dòng)時(shí)形成一很窄的脈沖柵極驅(qū)動(dòng)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(dá)到1.5A。SKHI驅(qū)動(dòng)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(guān)斷速度，減少驅(qū)動(dòng)器損耗，SKHI驅(qū)動(dòng)器的輸出級(jí)采用MOSFET對(duì)管以減少連接線路上的電阻。影響開關(guān)速度的另一個(gè)重要因素是柵極電阻RG，減小RG可以降低IGBT的開關(guān)損耗，但由于雜散電感的存在，使得IGBT關(guān)斷時(shí)的集射極間的尖峰電壓增大，SKHI驅(qū)動(dòng)器將RG分成RGON和RGOFF（見圖3），這樣兩個(gè)參數(shù)可分別控制，并可根據(jù)IGBT容量的不同，分別調(diào)整RGON和RGOFF，以獲得最佳驅(qū)動(dòng)效果。
過流保護(hù)是驅(qū)動(dòng)電路具有的重要功能之一，SKHI采用監(jiān)測(cè)IGBT集射極電壓VCE來測(cè)控過流，原理圖見圖4。VCE測(cè)控電路同時(shí)監(jiān)視柵極輸入信號(hào)和集射極電壓，當(dāng)輸入信號(hào)為高電位，并且在3～5μs后，VCE較正常飽和值（3.5～5.5V）高，則認(rèn)為過流，關(guān)斷脈沖信號(hào)，給出故障報(bào)警信號(hào)。這是一種較先進(jìn)的過流測(cè)控方式。
SKHI驅(qū)動(dòng)器是針對(duì)IGBT和MOS特性而設(shè)計(jì)的，是性能較為完善的一種驅(qū)動(dòng)器。
1.4 輔助控制電路
輔助控制電路的作用是根據(jù)主控電路發(fā)出的控制信號(hào)，依次控制接觸器K2，K3，K4的吸合及分?jǐn)�，保證主電路依正確的順序加電，在保護(hù)電路工作時(shí)切斷主電路的供電電源。輔助控制電路還為風(fēng)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(tǒng)的工作狀態(tài)，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(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)對(duì)故障進(jìn)行顯示和報(bào)警，報(bào)警信號(hào)包括過流、過載、短路、過熱、輸入過壓欠壓、驅(qū)動(dòng)報(bào)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(dòng)態(tài)查表法，使系統(tǒng)響應(yīng)更快，保護(hù)功能更強(qiáng)，可靠性大大提高。
1.7 其他
采用關(guān)鍵器件降額設(shè)計(jì)，軟啟動(dòng)設(shè)計(jì)、自動(dòng)保護(hù)設(shè)計(jì)等措施，保證電路在環(huán)境應(yīng)力較大的情況下能可靠工作；采用可靠性熱設(shè)計(jì)、三防處理、結(jié)構(gòu)件加固處理等辦法，保證產(chǎn)品在惡劣的氣候應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力條件下的可靠性；對(duì)于艦載裝備配套的本產(chǎn)品，采用復(fù)合型減震器和導(dǎo)向件結(jié)構(gòu)，保證產(chǎn)品的抗沖擊、抗振動(dòng)性能。強(qiáng)化產(chǎn)品的絕緣設(shè)計(jì)，確保產(chǎn)品的安全性。
2 實(shí)用效果
根據(jù)上述正弦波中頻逆變電源方案，已成功開發(fā)出系列正弦波中頻逆變電源，經(jīng)實(shí)測(cè)在額定負(fù)載時(shí)輸出正弦波的失真度<3％，MTBF>20000h，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)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(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)研究所質(zhì)量檢測(cè)中心（即信息產(chǎn)為部五所）的可靠性和電磁兼容性鑒定、環(huán)境試驗(yàn)檢測(cè)。電源經(jīng)海軍多個(gè)部隊(duì)和基地、軍工單位、研究所的實(shí)際使用，取得了令人滿意的效果。
3 結(jié)語
1）大功率IGBT因具有工作頻率較高，驅(qū)動(dòng)電路功率小，工作損耗小等優(yōu)點(diǎn)，加之有專用的驅(qū)動(dòng)電路可使驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)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(tǒng)中應(yīng)用16位單片機(jī)87C196MC來產(chǎn)生系統(tǒng)所需的SPWM脈沖信號(hào)，是非常方便實(shí)用的，可使硬件電路大大簡(jiǎn)化，可靠性提高，同時(shí)可利用單片機(jī)的強(qiáng)大控制功能，實(shí)時(shí)地對(duì)系統(tǒng)的關(guān)鍵器件和關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)工作狀態(tài)的自診斷。
3）大功率IGBT逆變器的保護(hù)電路設(shè)計(jì)對(duì)其可靠工作具有非常重要的作用，應(yīng)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(shí)應(yīng)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(shù)有密切關(guān)系，設(shè)計(jì)中應(yīng)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(yīng)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(guān)器件構(gòu)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(hù)方便，在工業(yè)、國防、航天等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，是中頻變頻機(jī)組的理想替代產(chǎn)品。
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