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采用IGBT的正弦波中频逆变电源

时间:2007-1-20栏目:电子通信论文

摘要:介绍了用IGBT作功率器件的中频逆变电源,对电路的工作原理进行了详尽的分析。

    关键词:绝缘栅双极晶体管;中频逆变电源;驱动;正弦波脉宽调制

引言

400Hz中频电源在工业、国防、航海、航空等领域中应用非常广泛。目前在我国,400Hz中频供电系统大多为中频机组,体积大,噪音高,效率低,管理不便。我们研制了一台用绝缘栅双极晶体管(IGBT)做为主功率开关器件的400Hz正弦波中频逆变电源,它具有体积小,重量轻,噪音低,转换效率高,工作可靠,使用方便等优点,是中频机组的理想替代新产品。

IGBT是新一代复合型电力电子器件,它的控制级为绝缘栅控场效应晶体管,输出级为双极功率晶体管,因而它兼有两者的优点而克服了两者的缺点,如高的输入阻抗;高的开关频率;很小的驱动功率;通态压降小;电流密度大等。

图1

1 系统组成及工作原理

1.1 逆变电源主电路

正弦波中频逆变电源的主电路构成如图1中的上半部分所示,图中K1为空气开关。L为EMI滤波器,用以滤掉电网中的干扰和消除逆变电源对电网的干扰。K2,K3,K4为接触器,K2的作用是在系统启动时接通电源,在故障时切断主电源,其辅助触点K2′用来在停机或保护电路动作时使滤波电容C1及C2上贮存的能量通过电阻R2快速放掉,以便检修或避免掉电时电容C1及C2中聚积的能量还未放完,逆变桥中同桥臂上下主功率IGBT因驱动脉冲电平不确定发生同时导通而损坏。接触器K3和电阻R1构成软起动电路,其作用是在系统启动时,通过电阻R1缓慢地对电容C1及C2充电,防止直接启动时由于电容器C1及C2上初始电压为零,导致整流桥模块承受过大的电流冲击而损坏,当电容C1及C2上的电压充到一定值时,接触器K3动作,其触点将电阻R1短接。K4用于将电源输出与负载隔开,等系统启动成功后再将负载接通,以保证电源系统顺利启动及保护用电设备。滤波电容C1及C2用来对整流后的电压进行滤波,以保证提供给逆变桥的电压为平直的直流电压。R3及R4分别并于C1及C2两端,以保证C1及C2各承受主电路中直流电压的一半。S为霍尔电流传感器,对逆变电源的直通及短路保护提供一取样信号。V1~V4为4只IGBT,构成桥式逆变电路。C3及C4用来抑制IGBT通断过程中因电路中电感的存在引起的尖峰脉冲电压Ldi/dt,保证主功率开关器件IGBT不因承受过高的尖峰脉冲电压而击穿损坏。L1,L2,C5构成输出滤波器,把逆变桥输出的按正弦波规律变化脉宽的高频脉冲波还原成中频正弦波输出,并经变压器T1隔离后为负载提供合适幅值的电压。

逆变电源主电路的工作原理可归纳如下:三相(或单相)交流市电经EMI滤波器滤波后,由整流桥模块U整流,再经电容滤波,加至由IGBT构成的桥式逆变电路,该直流高压经逆变电路逆变为脉宽按正弦波规律变化的高频脉冲波,再由输出滤波器滤掉高频谐波,得到中频正弦波,最后由变压器隔离、变压(升压或降压)后提供给负载。SPWM脉冲波由主控制电路产生并根据输出反馈电压和反馈电流来改变脉冲波的宽度,从而保证输出电压的稳定。
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    1.2 主控制电路

主控制部分的原理框图如图2所示。它采用INTEL公司的16位单片机87C196MC作为控制核心。该单片机主要用于控制和数据处理,并具有脉宽调制信号输出端口。在控制算法上采用模糊控制算法。单片机产生载频为20kHz的SPWM脉冲信号,由脉宽调制信号输出端口输出,通过驱动电路加到IGBT的栅极,控制逆变电路正确工作,同时,根据电压和电流的反馈值调整SPWM脉冲信号的脉宽以保持输出信号幅度的稳定。为了保证系统安全可靠地运行,充分发挥单片机的强大控制功能,由主控制电路对系统的关键器件和关键参数,例如过压、欠压、过流、过载、输出短路、过热等进行实时监控,实现对系统工作状态的自诊断并对故障进行相应的声光报警。由于采用了16位单片机作为系统的控制核心,控制快速准确,使系统具有响应快,运行稳定、可靠的特点。

1.3 驱动电路

IGBT的栅极驱动电压可由不同的驱动电路提供,选择驱动电路时,应考虑驱动电路的电源要求,器件关断偏置的要求,栅极电荷的要求,耐固性要求,保护功能等因素。驱动电路的性能不仅直接关系到IGBT器件本身的工作性能和运行安全,而且影响到整个系统的性能和安全。

德国西门康(SEMIKRON)公司生产的SKM系列IGBT功率模块,在芯片制造工艺、内部布局、基板选择等方面有独到之处,不必使用RCD吸收电路,SOA(安

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