【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 51 2kVA高頻逆變電源設(shè)計(jì) I 2kVA 高頻逆變電源設(shè)計(jì) 摘要 ： 本文在分析了 IGBT(絕緣柵雙極晶體管 )特性的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一臺(tái)容量為 2kVA 、頻率為 20kHz 的高頻逆變電源。給出了直流斬波電路及全橋逆變電路的工作原理，此高頻逆變電源 可將 75~130V的蓄電池直流電壓逆變?yōu)?110V, 20kHz 的交流電壓。 對(duì)高頻逆變電源的控制主要分兩部分 :逆變控制和斬波控制。斬波控制可將 75130V波動(dòng)的蓄電池直流電壓變成 70V 的直流電壓。逆變控制可將此直流電壓逆變?yōu)?70V, 20kHz 的交流電壓，最后經(jīng)變壓器得到 110V, 20kHz的交流電壓。 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)使得該系統(tǒng)的應(yīng)用更加易行。設(shè)計(jì)中說(shuō)明了各元件參數(shù)的計(jì)算和選擇方法，提出了對(duì) IGBT的短路保護(hù)方案。 關(guān)鍵詞 : IGBT。 逆變電源 。 斬波器 。 短路 2kVA高頻逆變電源設(shè)計(jì) II Designing of 2kVA High Frequency Inverter Power Abstract： This paper has designed a inverter power supply of volume 2kVA, working frequency 20kHz, based on that has analyzed the characteristic of IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). It was provided the working theory of DC voltage circuit and bridge type invert circuit. The high frequency inverter power can invert 75130 volt vibrating DC voltage which es from battery charge into 110 volt, 20kHz AC voltage. The control of high frequency inverter power consists of two parts: Chopper Control and Inverter Control. Chopper Control can change 75130 volt vibrating DC voltage into 70 volt DC voltage and Inverter Control can invert the DC voltage into 70 volt, 20kHz AC voltage, at last, from transformer we can get 110 volt, 20kHz AC voltage. The drive circuit is so convenient and easy to use. Every ponent in the system is designed and chosen. This paper presents the way of shot circuit protection. Key words: IGBT。 inverter power。 chopper。 short circuit 2kVA高頻逆變電源設(shè)計(jì) 1 第 1 章 緒 論 逆變電源運(yùn)用先進(jìn)的功率電子器件和高頻逆變技術(shù)，使傳統(tǒng)的工頻整流電源的材料減少 80%，節(jié)能 20%，動(dòng)態(tài)反映速度提高 2 一 3 個(gè)數(shù)量級(jí)，并向著高頻化、輕量化、模塊化、智能化和大容量化方向發(fā)展。 400HZ 中頻逆變電源供電系統(tǒng)作為世界各國(guó)廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、艦船、雷達(dá)、通信、導(dǎo)彈、車(chē)輛的標(biāo)準(zhǔn)供電系統(tǒng)，一般為高、精、尖的電子設(shè)備提供工作電源。 逆變電源中實(shí)現(xiàn)電能變換的關(guān)鍵部件是電力電子開(kāi)關(guān)器件，其特性對(duì)變 流電路的性能起著至關(guān)重要的作用。只有具備高性能的開(kāi) 關(guān)器件，才能通過(guò)研 究與之相適應(yīng)的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和開(kāi)關(guān)控制方式，構(gòu)造出性能優(yōu)良的變流裝置。 因此，從某種意義說(shuō)，電力開(kāi)關(guān)器件的發(fā)展決定著電力電子技術(shù)的發(fā)展。 恒頻、恒壓逆變電源結(jié)構(gòu)形式的演變 早期的逆變電源，無(wú)論是交一交逆變電源還是交一直一交逆變電源，其中 的逆變橋功率元件主要由快速晶閘管組成 ，當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)整流管導(dǎo)通角的大小，改變直流環(huán)電壓，最終實(shí)現(xiàn)逆變電源的恒頻、恒壓輸出。這種電源結(jié)構(gòu)有兩個(gè)明顯的缺點(diǎn) :一是關(guān)斷晶閘管必須另外加裝電感、電容或輔助開(kāi) 關(guān)器件組成的強(qiáng)迫換流電路，因而電路的控制機(jī)構(gòu)復(fù)雜，并使得整機(jī)體積重量加大，效率降低 。二是這種電路主要立足于分離元件控制，工作頻率的提高也受到限制?，F(xiàn)在，這種電源結(jié)構(gòu)己經(jīng)逐漸被其它新型的電源結(jié)構(gòu)所替代。 IGBT 設(shè)計(jì)的逆變電源結(jié)構(gòu)側(cè) 隨著以 IGBT 為典型代表的高性能電力電子器件的發(fā)展，與之相適應(yīng)的逆 變電源結(jié)構(gòu)及控制技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生。脈寬調(diào)制 即（ PWM 控制方法）具有在一 個(gè)功率級(jí)內(nèi)同時(shí)實(shí)現(xiàn)調(diào)頻、調(diào)壓以及調(diào)節(jié)速度快等優(yōu)點(diǎn)，因而在逆變電源控 制中得以廣泛應(yīng)用， 這種控制電路中，運(yùn)用 PWM技術(shù)，實(shí)現(xiàn)逆 變電源的恒頻、 恒壓輸出。 PWM控制技術(shù)雖然有開(kāi)關(guān)頻率高造成開(kāi)關(guān)損耗大的缺點(diǎn)，但這一缺 點(diǎn)由于功率開(kāi)關(guān)器件性能的不斷提高能夠得以逐漸克服。 3 軟開(kāi)關(guān)控制技術(shù)的研究，不但解決了硬開(kāi)關(guān)工作過(guò)程中存在的開(kāi)通和關(guān) 2kVA高頻逆變電源設(shè)計(jì) 2 斷 時(shí)的能量損耗問(wèn)題，而且也使得逆變電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生了重大變化。 一種由場(chǎng)控晶閘管組成的有源鉗位逆變電源結(jié)構(gòu)。電路中，利用諧振元件 Lr、 Cr以及諧振控制開(kāi)關(guān) Sr 的協(xié)同工作，在逆變器輸入的直流電壓電路中產(chǎn)生諧振，從而把輸入的直流電壓轉(zhuǎn)化為一系列高頻脈沖電壓波供給逆變橋，最終 實(shí)現(xiàn)逆變橋所有器件的ZVS 開(kāi)關(guān)工作。這種電源結(jié)構(gòu)形式的突出 優(yōu)點(diǎn)是器件開(kāi)關(guān)損耗低、電源能量轉(zhuǎn)換效率高，是當(dāng)前逆變電源領(lǐng)域的熱點(diǎn) ． 2逆變電源 PWM控制技術(shù)的發(fā)展 PWM 控制技術(shù) PWM 脈沖，可通過(guò)多種方法，產(chǎn)生，用正弦參考波和三 角形載波比較產(chǎn)生 PWM制和雙極性調(diào)制。單極性調(diào)制使用單極性三角波和參考波比較產(chǎn)生，而雙極性調(diào)制波形是通過(guò)雙極性三角波和參考波比較產(chǎn)生。圖 1 一 4 是單極性調(diào)制波形，圖 1一 5是雙極性調(diào)制波形。 圖 1一 5雙極性調(diào)制的 SPWM 波 參考波除用正弦波外，還可以采用矩形波、梯形波等，載波信號(hào)也可用鋸 齒波。不同載波和參考波組合時(shí)輸出波形的特點(diǎn)總結(jié)如下 : ，參考波為正弦波時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)相對(duì)于參考波頻 率的奇次倍諧波。 ，基波的振幅和調(diào)制度成正比。 ，有 Ws 士 2Wo， 2Ws，等諧波。 Ws 為載波角頻率。 而載波為三角波時(shí)這些諧波不存在。 PWM時(shí)，三相共用一相載波與三 相分別有自己對(duì)應(yīng)的載波所輸出 的諧波不同。與單相載波比較，三相載波時(shí)，雖然 Ws士 2Wo， 2Ws， 沒(méi)有了，但 2Ws分量卻增加了。 PWM時(shí)，利用線電壓進(jìn)行控制可以提高直流電源的利用率，并且減小開(kāi)關(guān)頻率。 PWM性能也起著至關(guān)重要的作用。若載波與參考波的相位不同步，則相鄰參考波周期內(nèi)的脈沖將是不同的。當(dāng)載波頻率大大小 于參考波頻率時(shí)，這種不同步造成的影響可以忽略 。當(dāng)兩者頻率接近時(shí)，此時(shí)應(yīng)該用鎖相電路，使參考波與載波之間有固定的相位關(guān)系來(lái)克服頻率跳動(dòng)。 傳統(tǒng)的 PWM技術(shù)重點(diǎn)研究如何通過(guò)恰當(dāng)設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)模式來(lái)實(shí)現(xiàn)逆變電源輸出頻譜的優(yōu)化，并沒(méi)有考慮信號(hào)傳輸過(guò)程中開(kāi)關(guān)點(diǎn)的變化，而且通常只能通過(guò)反饋控制來(lái) 2kVA高頻逆變電源設(shè)計(jì) 3 調(diào)節(jié)輸出電壓的有效值或平均值。 在閉環(huán)調(diào)節(jié)脈寬調(diào)制的逆變電源系統(tǒng)中，要求能在瞬時(shí)或周期性的負(fù)載變動(dòng)下，輸出低諧波含量的波形 :最有效地改善輸出波形及其動(dòng)態(tài)性能的方案是根據(jù)輸出波形的變化情況來(lái)對(duì) 1 鄧加開(kāi)關(guān) 點(diǎn)加以調(diào)整，從而抑制開(kāi)關(guān)死區(qū)和負(fù)載諧波電流對(duì)輸出電壓的影響。近年來(lái)，主要有以下幾種方案來(lái)研究 : l)電流控制兩態(tài)調(diào)制技術(shù)‘ 2)無(wú)差拍控制法 3)自適應(yīng)控制法 4)實(shí)時(shí)消除諧波控制法 電流控制兩態(tài)調(diào)制技術(shù)即 CCTSM(Currt Controlled Two State Modulation)控制技術(shù)，該方法是讓輸出端的電壓、電流跟蹤給定參考電壓、 電流，最終輸出誤差信號(hào)去控制開(kāi)關(guān)器件，使輸出電壓、電流在給定值的附 近變化，與給定值的誤差取決于滯環(huán)比 較器的滯環(huán)寬度。電流控制兩態(tài)調(diào)制技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn) : 1)電流控制兩態(tài)調(diào)制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)電路簡(jiǎn)單，而且性能很好。 2)基于這種技術(shù)控制的電源系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)定性。由于采用了兩個(gè)反饋環(huán) :電流內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)，使得調(diào)制系統(tǒng)對(duì)電路參數(shù)的敏感性大大降低，魯棒性明顯提高 。而且，由于內(nèi)環(huán)的高度穩(wěn)定性，及電 壓環(huán)的高增益，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能也得到了提高。 3)采用這種系統(tǒng)的逆變器可以很好地并聯(lián)運(yùn)行。只需要簡(jiǎn)單地將其中 一個(gè)誤差放大器的輸出作其它并聯(lián)的受控電流放大器的輸入，電流內(nèi)環(huán)就能保證各并聯(lián)裝置平均分配工作 電流。 4)這種系統(tǒng)具有內(nèi)在的限流保護(hù)能力。由于功率開(kāi)關(guān)上的電流被直接反 饋回去調(diào)節(jié)功率開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，并且由于電流內(nèi)環(huán)的快速響應(yīng)能力，使 得功率開(kāi)關(guān)上的電流完全受控于電流內(nèi)環(huán)的給定值，而這個(gè)給定值由 限幅放大器輸出，因此流過(guò)功率開(kāi)關(guān)的最大電流正比于限幅放大器的 限定值，可以使功率開(kāi)關(guān)在系統(tǒng)過(guò)載甚至短路時(shí)得到保護(hù)，可靠性大 大提高。 無(wú)差拍控制方法是、一種基于微機(jī)實(shí)現(xiàn)的 PWM 方案。其控制的基本思想是 : 將輸出正弦參考波等間隔地 劃分為若干個(gè)取樣周期，根據(jù)電路在每一取樣周期的起始值，用電路理論計(jì)算出關(guān)于取樣周期中心對(duì)稱(chēng)的方一波脈沖作用下，負(fù)載輸 2kVA高頻逆變電源設(shè)計(jì) 4 出在取樣周期末尾時(shí)的值。這個(gè)輸出值的大小，與方波脈沖的極性與寬度有關(guān)，適當(dāng)控制力一波脈沖的極性與寬度，就能使負(fù)載上的輸出在取樣周期的末后與輸出參考波形相重合。不斷調(diào)整每一取樣周期內(nèi)力一波脈沖的極性與寬度，就能在負(fù)載上獲得諧波失真小的輸出。 無(wú)差拍控制方法具有以下優(yōu)點(diǎn) : l)快速消除系統(tǒng)誤差。它能在負(fù)載發(fā)生突變時(shí)實(shí)時(shí)地修正取樣周期內(nèi)方 波脈沖的寬度，以期在取樣周期的末尾盡可 能地接近 輸出波形。由此可見(jiàn)，這種方法調(diào)節(jié)時(shí)間僅為一個(gè)取樣周期，對(duì)誤差消除動(dòng)作非?？?。 2)由于無(wú)差拍控制方程中包含有直流電源電壓 E的作用，這為消除直流電源彎化給逆變器輸出造成的影響提供了可能性。 自適應(yīng)控制技術(shù)是指具有適應(yīng)能力的控制器，它適用于系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型未 知，或者運(yùn)行過(guò)程中會(huì)發(fā)生變化的情況。在具體工作中，控制器通過(guò)連續(xù)地 或周期地對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行在線辨識(shí)，然后根據(jù)所獲得的信息，將當(dāng)前的系統(tǒng) 性能與期望的或者最優(yōu)的性能相比較，判斷決定所需的控制器參數(shù)或所需的 控制信號(hào)，最后通過(guò)修正裝置實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)決策， 從而使系統(tǒng)趨向所期望的性能。 自適應(yīng)控制具有以下優(yōu)點(diǎn) : l)自適應(yīng)控制能有效地消除由于周期性的未知的系統(tǒng)特性參數(shù)變化而對(duì) 系統(tǒng)輸出造成的影響。 2)自適應(yīng)校正控制具有較快的誤差收斂速度，而且能夠保證系統(tǒng)在人的 負(fù)載擾動(dòng)下的穩(wěn)定性 C 3)自適應(yīng)控制在設(shè)計(jì)時(shí)不必知道被控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，而只需要在應(yīng)用中用實(shí)時(shí)辨識(shí)的模型代林，這使得這種控制方案尤其適用那些系統(tǒng)模型未知或者運(yùn)行過(guò)程中會(huì)發(fā)生變化的情況。 自適應(yīng)控制具有以下優(yōu)點(diǎn) : 實(shí)時(shí)消諧 PWM 控 制是一種經(jīng)過(guò)計(jì)算的控制策略，其基本方 法是 :通過(guò) PWM 控制的傅立葉級(jí)數(shù)分析，得出傅立葉級(jí)數(shù)展開(kāi)式，以脈沖相位角為未知數(shù)，令某此特定的諧波為零，便得到一個(gè) 非線性 方程組，該方程組即為消諧 PWM 模型。按模型求解的結(jié)果進(jìn)行控制，則輸出不含這些特定的低次諧波。 實(shí)時(shí)消諧策略，只需要較少的開(kāi)關(guān)脈沖數(shù)即可完全消除容量較大的低階高次諧波，取得很好地濾波效果，同時(shí)具有開(kāi)關(guān)頻率低、開(kāi)關(guān)損耗小、電壓利用率高、濾波容量小等許多優(yōu)點(diǎn)。和其它 1 擬從控制技術(shù)相比，一方面能夠克服高頻 p 叫技術(shù)為消除低次諧波而導(dǎo)致開(kāi)關(guān)頻率高的缺點(diǎn) 。另一方面能克 服大功率逆變電源中運(yùn)用的波形重構(gòu)技術(shù)為降低諧波含量而導(dǎo)致主電路和控制電路復(fù)雜的缺 2kVA高頻逆變電源設(shè)計(jì) 5 點(diǎn)。 但是，上述控制方案也有一此不足之處，主要表現(xiàn)在 : 電流控制兩態(tài)調(diào)制技術(shù)，電路的開(kāi)關(guān)頻率較高，且隨精度要求的提高而提高，而且開(kāi)關(guān)頻率隨其跟隨的輸出幅值變化而變化，諧波成分隨機(jī)分布，故不利于在大功率逆變器中應(yīng)用。無(wú)差拍控制方法是基于電路計(jì)算的一種方法，因而對(duì)電路中元器件參數(shù)的精度要求很高，故不適于應(yīng)用在負(fù)載經(jīng)常變動(dòng)的場(chǎng)合。自適應(yīng)控制由于是一種非線性控制方案，其反饋控制的設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，系統(tǒng)模型及穩(wěn)定性分析也非常困難。實(shí)時(shí)消諧控制技術(shù)由于要求實(shí)時(shí)求解消諧模型，因而對(duì)控制器的運(yùn)算速度要求極高，目前還未有實(shí)際應(yīng)用。 七十年代以來(lái)，飛速發(fā)展的集成電路微細(xì)加工技術(shù)被引入到電力半導(dǎo)體器件制造中來(lái)，是使之同高電壓、大電流的設(shè)計(jì)制造技術(shù)相結(jié)合，跨入了功率集成 的層次，從而使以晶閘管應(yīng)用為代表的低頻電力電子技術(shù)發(fā)展到高頻電力電子技術(shù)，成為舉世矚目的一種節(jié)能省財(cái)?shù)母呒夹g(shù)?？梢哉f(shuō)， 70 年代電力電子器件的主要標(biāo)準(zhǔn)是大容量，即電流 *電壓。 80 年代電力電子器件發(fā)展的主要目標(biāo)是高頻化，評(píng)價(jià)期的標(biāo)準(zhǔn)是功率 *頻率。到 90年代電力電子器件發(fā)展的主要標(biāo)準(zhǔn)則是高性能，即大容量、高頻率、易驅(qū)動(dòng)、低損耗。因此，評(píng)價(jià)器件的主要標(biāo)準(zhǔn)是容量、開(kāi)關(guān)速度、驅(qū)動(dòng)功率、通態(tài)壓降、芯片利用率。 [1][2] 作為在國(guó)際上已取得廣泛應(yīng)用電力電子期的前期產(chǎn)品 GTO、 GTR、 MOSFET 正向著產(chǎn)品多樣化、結(jié)構(gòu)模塊 化、復(fù)合化，特性參數(shù)高電壓、大電流等特點(diǎn)發(fā)展，適用于大容量設(shè)備，但由于其電流增益太低，所需驅(qū)動(dòng)功率也較大，驅(qū)動(dòng)復(fù)雜，應(yīng)用受到一定局限。GTR 器件已模塊化，在中小容量裝置中得到推廣，但其驅(qū)動(dòng)功率也較大，開(kāi)關(guān)速度慢，影響了逆變器的工作頻率與輸出波形； MOSFET 器件開(kāi)關(guān)速度快，驅(qū)動(dòng)功率小，但器件功率等級(jí)低，導(dǎo)通壓降大，限制了逆變器的容量。 隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了各種新型的功率電子元件。絕緣柵雙集型晶體管IGBT（ Insulated Gate Bipolar Transistor）便是在 GTR 和 MOSFET 之間取其長(zhǎng)，避其短而出現(xiàn)的新器件。它實(shí)際上是用 MOSFET 驅(qū)動(dòng)雙集型晶體管，兼有 MOSFET 的高輸入阻抗和 GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。即高電壓、大電流、開(kāi)關(guān)速度快、電壓驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)功率小，可采用低成本的集成驅(qū)動(dòng)電路控制，具有安全工作區(qū)寬，較高的耐短路電流的能力，是一種理想的新型電力電子器件。由于 IGBT 的特點(diǎn)，其應(yīng)用領(lǐng)域迅速擴(kuò)大。所有這些表明，對(duì)于需要高中壓大電流密度并且開(kāi)關(guān)頻率在 20 至 5