變頻電源設計：整流、驅動(dòng)、逆變、濾波模塊詳述

　　變頻電源自從問(wèn)世以來(lái)在世界各國都倍受關(guān)注。它可以根據客戶(hù)的不同要求通過(guò)交直交的變換技術(shù)，將給定的交流電轉換成頻率和電壓在一定范圍內可調的交流電，而且其諧波含量很少。因此，它的開(kāi)發(fā)與應用發(fā)展前景十分誘人。

　　功率器件的性能指標決定變頻電源的發(fā)展。20世紀60年代，GTO的問(wèn)世實(shí)現了門(mén)極可關(guān)斷功能。70年代中期，功率金屬氧化物場(chǎng)效應管和高功率晶體管的問(wèn)世，實(shí)現了場(chǎng)控功能，至此打開(kāi)了高頻的大門(mén)。到80年代，一種兼具M(jìn)OSFET和GTR二者優(yōu)點(diǎn)的IGBT電力器件出現，其柵極采用電壓控制，驅動(dòng)功率小;工作頻率高，開(kāi)關(guān)損耗小;沒(méi)有二次擊穿，是目前功率電力電子裝置中的主流器件。當代，隨著(zhù)不斷革新的功率器件的出現，美日歐等大規模集成脈寬調制電路、零電壓、零電流變換的拓撲電路和DSP、ARM等智能處理器的廣泛應用，使得電源逐漸朝著(zhù)小型化、集成化、智能化方向發(fā)展。國內變頻電源產(chǎn)業(yè)發(fā)展雖只有十幾到二十年的歷史，但業(yè)績(jì)甚佳，也在開(kāi)關(guān)頻率方面達到了前所未有的地步，一定程度上降低了原材料的消耗，使裝置小型化，加快了系統的動(dòng)態(tài)響應速度，提高了電源的效率。

　　本文搭建了一個(gè)基于DSP的變頻電源的實(shí)驗裝置，下面將詳細介紹變頻電源整流、驅動(dòng)、逆變和濾波等各個(gè)模塊的原理圖設計。

　　1硬件電路設計

　　變頻電源結構框圖如圖1所示。本文中變頻電源輸入頻率為市電頻率50 Hz，輸出頻率為60 Hz.由圖1可以看出，整個(gè)變頻電源的硬件部分由整流模塊、逆變模塊、隔離驅動(dòng)模塊和濾波模塊組成。

　　圖1變頻電源結構框圖

　　1.1整流模塊設計

　　常用的三相橋式整流電路大致可以分為三種：不控整流、全控整流、半控整流。它們的電路結構均是一樣的，如圖2所示，只是所使用的整流元器件不同。三相橋式不控整流電路的整流器件是普通的電力二極管，是不可控的器件。當它承受正向電壓時(shí)會(huì )立即自然導通，承受反向電壓時(shí)會(huì )立即阻斷，電路設計簡(jiǎn)單，功耗較小。其輸出電壓的平均值可以表示為：

　　式中U2為交流側相電壓的有效值。

　　圖2三相橋式不控整流電路

　　三相橋式全控整流電路的整流管全為可控的晶閘管開(kāi)關(guān)器件，橋式半控整流電路的整流管為可控的晶閘管和不控二極管的組合。開(kāi)關(guān)器件晶閘管開(kāi)通必須具備兩個(gè)條件：正向電壓;觸發(fā)電流脈沖。這就要求在整流時(shí)要附加脈沖產(chǎn)生電路，時(shí)間上會(huì )產(chǎn)生延遲，也就是延遲觸發(fā)角。綜合分析以上三種整流方式可知：橋式不控整流電路設計簡(jiǎn)單，功耗小;而全控和半控整流電路控制復雜，晶閘管在導通后功耗相對較大，觸發(fā)角控制不好會(huì )使電路出現斷續現象，所以本文采用簡(jiǎn)單的三相橋式不控整流電路。

　　整流之后由于脈動(dòng)電壓比較大，本文選取并聯(lián)電容進(jìn)行濾波。電容作為儲能元件，具有隔直通交、隔低頻通高頻的功能。在電壓型整流電路中，為使輸出電壓更加平滑，理論上濾波電容取值越大越好。然而實(shí)際工程上并不希望這樣，因為電容值越大，其體積越大，成本越高，性?xún)r(jià)比反而越低，而且在電路接通瞬間，瞬時(shí)電流非常大，會(huì )破壞元器件。根據文獻[1]，選取濾波電容的值為1 650μF，考慮到耐壓值越高價(jià)格也越高，選用兩個(gè)3300μF的電容串聯(lián)，以此來(lái)平分電壓，如圖2所示。

　　1.2驅動(dòng)模塊設計

　　IR2130可用來(lái)驅動(dòng)工作在線(xiàn)電壓不高于600 V的電路中的功率MOS門(mén)器件。

　　其內部結構框圖如圖3所示。

　　圖3 IR2130內部結構圖