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

0 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??；電流密度大等。

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。

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(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。

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)。

圖2 主控制電路原理框圖