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；驅動(dòng)；正弦波脈寬調制

0 引言

400Hz中頻電源在工業(yè)、國防、航海、航空等領(lǐng)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(kāi)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，轉換效率高，工作可靠，使用方便等優(yōu)點(diǎn)，是中頻機組的理想替代新產(chǎn)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(chǎng)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(yōu)點(diǎn)而克服了兩者的缺點(diǎn)，如高的輸入阻抗；高的開(kāi)關(guān)頻率；很小的驅動(dòng)功率；通態(tài)壓降??；電流密度大等。

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(kāi)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(lái)在停機或保護電路動(dòng)作時(shí)使濾波電容C₁及C₂上貯存的能量通過(guò)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因驅動(dòng)脈沖電平不確定發(fā)生同時(shí)導通而損壞。接觸器K₃和電阻R₁構成軟起動(dòng)電路，其作用是在系統啟動(dòng)時(shí)，通過(guò)電阻R₁緩慢地對電容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，導致整流橋模塊承受過(guò)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(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載隔開(kāi)，等系統啟動(dòng)成功后再將負載接通，以保證電源系統順利啟動(dòng)及保護用電設備。濾波電容C₁及C₂用來(lái)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(lái)抑制IGBT通斷過(guò)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(kāi)關(guān)器件IGBT不因承受過(guò)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(jīng)變壓器T₁隔離后為負載提供合適幅值的電壓。

圖1 正弦波中頻逆變電源原理圖

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(chǎn)生并根據輸出反饋電壓和反饋電流來(lái)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(chǎn)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(guò)驅動(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(fā)揮單片機的強大控制功能，由主控制電路對系統的關(guān)鍵器件和關(guān)鍵參數，例如過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、過(guò)載、輸出短路、過(guò)熱等進(jìn)行實(shí)時(shí)監控，實(shí)現對系統工作狀態(tài)的自診斷并對故障進(jìn)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(diǎn)。

圖2 主控制電路原理框圖