變頻電源設計：整流、驅動、逆變、濾波模塊詳述

　　變頻電源自從問世以來在世界各國都倍受關注。它可以根據客戶的不同要求通過交直交的變換技術，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的問世實現了門極可關斷功能。70年代中期，功率金屬氧化物場效應管和高功率晶體管的問世，實現了場控功能，至此打開了高頻的大門。到80年代，一種兼具MOSFET和GTR二者優(yōu)點的IGBT電力器件出現，其柵極采用電壓控制，驅動功率小;工作頻率高，開關損耗小;沒有二次擊穿，是目前功率電力電子裝置中的主流器件。當代，隨著不斷革新的功率器件的出現，美日歐等大規(guī)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，使得電源逐漸朝著小型化、集成化、智能化方向發(fā)展。國內變頻電源產業(yè)發(fā)展雖只有十幾到二十年的歷史，但業(yè)績甚佳，也在開關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(tǒng)的動態(tài)響應速度，提高了電源的效率。

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

　　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，整個變頻電源的硬件部分由整流模塊、逆變模塊、隔離驅動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會立即自然導通，承受反向電壓時會立即阻斷，電路設計簡單，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關器件，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。開關器件晶閘管開通必須具備兩個條件：正向電壓;觸發(fā)電流脈沖。這就要求在整流時要附加脈沖產生電路，時間上會產生延遲，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)角控制不好會使電路出現斷續(xù)現象，所以本文采用簡單的三相橋式不控整流電路。

　　整流之后由于脈動電壓比較大，本文選取并聯電容進行濾波。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，性價比反而越低，而且在電路接通瞬間，瞬時電流非常大，會破壞元器件。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格也越高，選用兩個3300μF的電容串聯，以此來平分電壓，如圖2所示。

　　1.2驅動模塊設計

　　IR2130可用來驅動工作在線電壓不高于600 V的電路中的功率MOS門器件。

　　其內部結構框圖如圖3所示。

　　圖3 IR2130內部結構圖