工業控制領域的大功率變頻可調開關電源的設計

1　引言

正弦脈寬調制和變頻調速技術在工業控制領域的應用日見廣泛。許多電力測試儀器都要求大功率、高性能以滿足電力設備的測試要求。目前，市場上的大功率開關電源，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速度快和電壓型控制的特點，但其通態電阻大，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，但沒有快速的開關速度，屬電流控制型器件，需要較大的功率驅動。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、驅動功率小、開關速度快、工作頻率高、容量大等優點。用高性能的絕緣柵雙極型功率晶體IGBT作開關逆變元件、采用變頻調幅技術研制的逆變電源，具有效率高、性能可靠、體積小等優點。

2　工作原理

該電源采用高頻逆變技術、數字信號發生器、正弦脈寬調制和變頻調幅、時序控制上電和串聯諧振式輸出。電源具有效率高、輸出功率大、體積小等優點，其總體原理框圖如圖1所示。

由數字信號發生器產生的正弦波被25kHz的三角調制波調制，得到一個正弦脈寬調制波，經驅動電路驅動逆變元件IGBT。改變正弦波的頻率，幅值便可達到調頻調幅輸出，逆變輸出為串聯諧振式輸出，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，同時還避免非過零點開關帶來的沖擊;在控制電路中還設計了故障鎖定功能，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，整機設計有雙重過流、過壓和過熱等完善的保護功能。3　控制與驅動電路

控制電路指主控電路，包括正弦脈寬調制波的產生，占空比調節和故障鎖定電路。控制電路的正弦調制波，可根據實際應用情況調節其頻率。驅動電路則采用三菱公司生產的IGBT專用驅動模塊EXB840，該驅動模塊能驅動高達150A/600V和75A/1200V的IGBT，該模塊內部驅動電路使信號延遲≤1μs，所以適用于高達40kHz的開關操作。用此模塊要注意，IGBT柵射極回路接線必須小于1M，柵射極驅動接線應當用絞線。EXB840的驅動電路如圖2所示。

4　逆變與緩沖電路

該電源采用半橋結構串聯諧振逆變電路，主電路原理如圖3所示。在大功率IGBT諧振式逆變電路中，主電路的結構設計十分重要，由于電路中存在引線寄生電感，IGBT開關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，將產生比全橋電路更大的di/dt。正確設計過壓保護即緩沖電路，對IGBT的正常工作十分重要。如果緩沖電路設計不當，將造成緩沖電路損耗增大，會導致電路發熱嚴重，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的反并聯二極管VD1、VT2和緩沖電阻R2放電。在緩沖電路中，流過反并聯二極管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