采用IGBT400HZ航空中頻電源設計

1、成都偉翔航空技術有限公司電源部分明細表中頻靜變電源是專為航空及軍用電子電氣設備設計制造的400Hz中頻靜止變頻電源，可用于飛機及機載設備、雷達、導航等軍用電子設備，以及其它需要400Hz中頻電源的場合，是機組式變頻電源的換代產(chǎn)品。本產(chǎn)品電壓、頻率均有20%的調(diào)節(jié)范圍，適用于三相平衡及任意不平衡負載，也可作為單相電源使用。采用IGBT的正弦波航空中頻靜變電源 用IGBT作主功率器件的航空中頻靜變電源，對電路的工作原理進行了詳盡的分析。 IGBT全名雙極性絕緣柵三極管，是在MOS管的基礎上發(fā)展起來的，新一代復合型電力電子器件，具有MOSH玎高輸入阻抗和類似于雙極型晶體管的低通態(tài)壓降，并且有象晶體管

2、似的反相電壓阻斷能力，它的控制級為絕緣柵控場效應晶體管，輸出級為雙極功率晶體管，因而它兼有兩者的優(yōu)點而克服了兩者的缺點，如高的輸入阻抗；高的開關頻率；很小的驅(qū)動功率；通態(tài)壓降?。浑娏髅芏却蟮?。 400Hz中頻靜變電源，廣泛應用于飛機、艦船、雷達、通信、導彈、車輛等領域，其技術要求高，正向著高可靠性、輕量化、智能化模塊電源方向發(fā)展。逆變電源控制方法的實現(xiàn)可以采用數(shù)字控制，這是實現(xiàn)智能化和高可靠性的前提。而且可以方便的實現(xiàn)模塊化，對于產(chǎn)品的系列化生產(chǎn)具有很好的借鑒。數(shù)字控制系統(tǒng)具有通用性好、抗干擾能力強、控制規(guī)律靈活、可實現(xiàn)先進控制算法和便于實時控制等優(yōu)點。 400Hz中頻靜變電源是專為航空及軍用

3、電子電氣設備設計制造的，在工業(yè)、國防、航海、航空等領域中應用非常廣泛,可用于飛機及機載設備、雷達、導航等軍用電子設備，以及其它需要400Hz中頻電源的場合，是機組式變頻電源的換代產(chǎn)品。本產(chǎn)品電壓、頻率均有20%的調(diào)節(jié)范圍，適用于三相平衡及任意不平衡負載，也可作為單相電源使用,中頻電源在。目前在我國，400Hz中頻供電系統(tǒng)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）做為主功率開關器件的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，是中頻機組的理想替代新產(chǎn)品。 400Hz中頻靜變電源采用數(shù)字控制，

4、具有以下明顯優(yōu)點： (1)減少控制元件數(shù)量，提高系統(tǒng)抗干擾能力。 (21控制系統(tǒng)的可靠性提高，易于標準化，系統(tǒng)的一致性較好，便于調(diào)試、安裝等。 (3)有利于大規(guī)模逆變電源組成并聯(lián)運行系統(tǒng)。從而實現(xiàn)高可靠性、高冗余度的逆變電源并聯(lián)運行系統(tǒng)。 (4)易于采用先進的控制方法和智能控制策略，使得逆變電源的智能化程度更高，性能更完美，輸出電能質(zhì)量好，可靠性高，便于實現(xiàn)智能控制。 1 系統(tǒng)組成及工作原理 1.1 逆變電源主電路 以下以一臺三相輸入，單相輸出為例作為介紹，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為空氣開關。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

5、。K2，K3為接觸器，K2的作用是在系統(tǒng)啟動時緩起主電路電源，以達到給整流后電解電容緩慢充電的效果，通過電阻R1緩慢地對電容C1及C2充電，防止直接啟動時由于電容器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，接觸器K2動作，其觸點將電阻R1短接。K4用于將電源輸出與負載隔開，等系統(tǒng)啟動成功后再將負載接通，以保證電源系統(tǒng)順利啟動及保護用電設備。濾波電容C1及C2用來對整流后的電壓進行濾波，以保證提供給逆變橋的電壓為平直的直流電壓。R3及R4電阻阻值相同分別并于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，并且在關機后放掉

6、電容上電。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。V1V4為4只IGBT，構成橋式逆變電路。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,選用無感電容，保證主功率開關器件IGBT不因承受過高的尖峰脈沖電壓而擊穿損壞。在經(jīng)變壓器T1隔離后為負載提供合適幅值的電壓，經(jīng)過C2濾波，是輸出波形諧波含量減小。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,大功率可以選擇十二脈沖整流，是輸出直流紋波減小，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

7、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，在由變壓器隔離、變壓（升壓或降壓）后提供給負載，并可以根據(jù)負載特點在輸出增加相應的EMC或EMI濾波，濾掉高頻諧波，得到更加純凈的中頻正弦波。 1.2 主控制電路 主控制部分采用SPWM控制，SPWM正弦脈寬調(diào)制法(Sinusioidal PWM)是調(diào)制波為正弦波、載波為三角波或鋸齒波的一種脈寬調(diào)制法，由于三角載波的頻率通常較高，因而理論上其輸出電壓波形的諧波頻率主要集中在較高的頻率段上，所以經(jīng)過很小的濾波器就可以得到比較理想的正弦波輸出電壓。這也是正弦脈寬調(diào)制技術得到廣泛應用的原因之一。其工作原理是采用正弦控制信號與高頻三角波載波信號相交截，

8、產(chǎn)生正弦脈寬調(diào)制信號，再經(jīng)過邏輯變換、功率放大等環(huán)節(jié)，得到功率管的驅(qū)動信號，驅(qū)動功率管開通關斷，從而在逆變器的輸出端得到正弦調(diào)制輸出。SPWM正弦脈寬調(diào)制根據(jù)每發(fā)生一次開關過程中，橋臂輸出電壓的脈沖極性的變化不同可分為雙極性脈寬調(diào)SfJ(bipolar PWM)方式和單極性脈寬調(diào)Sr(unipolarPWM)方式。這項技術的特點是原理簡單，通用住強，控制和調(diào)節(jié)性能好，具有消除諧波、調(diào)節(jié)和穩(wěn)定輸出電壓的多重作用，是一種較好的波形改善方法，它的出現(xiàn)為中小型逆變器的發(fā)展起了重要作用。 主控制部分的原理框圖如圖2所示。它采用單片機27C64作為控制核心。該單片機主要用于控制和數(shù)據(jù)處理，并具有脈寬調(diào)制信

9、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(diào)制信號端口輸出，通過驅(qū)動電路加到IGBT的柵極，控制逆變電路正確工作，同時，根據(jù)電壓和電流的反饋值調(diào)整SPWM脈沖信號的脈寬以保持輸出信號幅度的穩(wěn)定，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。為了保證系統(tǒng)安全可靠地運行，由主控制電路對系統(tǒng)的關鍵器件和關鍵參數(shù)，進行反饋調(diào)整，增加相應功能，例如過壓、欠壓、截流、過載、輸出短路、內(nèi)部過熱等進行實時監(jiān)控，實現(xiàn)對系統(tǒng)工作狀態(tài)的自診斷并對故障進行相應的聲光報警。圖2 主控制電路原理框圖 1.3 驅(qū)動電

10、路 IGBT的柵極驅(qū)動電壓可由不同的驅(qū)動電路提供，選擇驅(qū)動電路時，應考慮驅(qū)動電路的電源要求，器件關斷偏置的要求，柵極電荷的要求，耐固性要求，保護功能等因素。驅(qū)動電路的性能不僅直接關系到IGBT器件本身的工作性能和運行安全，而且影響到整個系統(tǒng)的性能和安全，驅(qū)動電路需要產(chǎn)生+15V導通電壓和-10V關斷電壓。 以下是幾種用57959或57962驅(qū)動原理1 57959或57962單電源供電時2 57959或57962雙電源供電時3 57959或57962帶放大驅(qū)動 當然選擇驅(qū)動電路時，還要考慮IGBT大小及生產(chǎn)廠家，RG驅(qū)動電阻，實際情況，成本問題，單電源供電還是雙電源供電等。過流保護是驅(qū)動電路具有

11、的重要功能之一，57962/57959采用監(jiān)測IGBT集射極電壓VCE來測控過流，原理圖見圖4。VCE測控電路同時監(jiān)視柵極輸入信號和集射極電壓，當輸入信號為高電位，并且在35s后，VCE較正常飽和值（3.55.5V）高，則認為過流，關斷脈沖信號，給出故障報警信號。這是一種較先進的過流測控方式。 圖4 57962/57959的短路測控原理圖 57962/57959驅(qū)動器是針對IGBT和MOS特性而設計的，是性能較為完善的一種驅(qū)動器。 1.4 輔助控制電路 輔助控制電路的作用是根據(jù)主控電路發(fā)出的控制信號，依次控制接觸器K2的吸合及分斷，保證主電路依正確的順序加電，在保護電路工作時切斷主電路的供電電

12、源。輔助控制電路還為風扇提供電源。 1.5 顯示及按鍵控制電路 顯示及按鍵控制電路的功能是在主控電路的控制下，顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)，電壓、電流、頻率等，并可通過按鍵改變輸出電壓的幅度（改變范圍為額定輸出電壓的10）和輸出電壓的頻率（400Hz30Hz）。當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時對故障進行顯示和報警，報警信號包括過流、過載、短路、過熱、輸入過壓欠壓、驅(qū)動報警等,也可以采用市場上現(xiàn)有的表，品種多樣外觀漂亮的就可以。 1.6 軟件控制 在算法上采用SPWM和PID算法、動態(tài)查表法，使系統(tǒng)響應更快，保護功能更強，可靠性大大提高，或者采用DSP控制,DSP的功能更加強大，以下對DSP做簡單介紹。 DSP芯片也稱數(shù)

13、字信號處理芯片，是一種特別適合進行數(shù)字信號處理的微處理器，其主要應用是在實現(xiàn)各種快速實時的實時信號處理算法。根據(jù)數(shù)字信號處理的要求，DSP芯片具有精度高、可靠性高、集成度高、接口方便、靈活性好、保密性好、時分復用等特點外，與一般單片機相比，還有具有以下特點：一個指令周期內(nèi)可完成一次乘法和一次加法。程序和數(shù)據(jù)空間分開，可以同時訪問數(shù)據(jù)和程序。具有單周期內(nèi)操作的多個硬件地址產(chǎn)生器?？梢圆⑿袌?zhí)行多個操作。以流水線方式操作，使取指，澤碼和執(zhí)行等操作可以重疊執(zhí)行。綜上所述，DSP系統(tǒng)無論是在性能上、成本上，還是在經(jīng)濟效益上，在許多場合與模擬系統(tǒng)比較起來，都有明顯的優(yōu)勢。隨著DSP技術、計算機與微電子技術

14、的發(fā)展和先進工藝的不斷采用，可以峰信DSP技術將獲得更加廣泛的應用。 1.7 其他 采用關鍵器件降額設計，軟啟動設計、自動保護設計等措施，保證電路在環(huán)境應力較大的情況下能可靠工作；采用可靠性熱設計、三防處理、結構件加固處理等辦法，保證產(chǎn)品在惡劣的氣候應力和機械應力條件下的可靠性；對于艦載裝備配套的本產(chǎn)品，采用復合型減震器和導向件結構，保證產(chǎn)品的抗沖擊、抗振動性能。強化產(chǎn)品的絕緣設計，確保產(chǎn)品的安全性。 結語 1）大功率IGBT因具有工作頻率較高，驅(qū)動電路功率小，工作損耗小等優(yōu)點，加之有專用的驅(qū)動電路可使驅(qū)動電路的設計簡化，可靠性提高，因此，可方便地用于變頻電源中。 2）在正弦波逆變電源系統(tǒng)中應

15、用單片機27C64來產(chǎn)生系統(tǒng)所需的SPWM脈沖信號，是非常方便實用的，可使硬件電路大大簡化，可靠性提高，同時可利用單片機的強大控制功能，實時地對系統(tǒng)的關鍵器件和關鍵參數(shù)進行監(jiān)控，實現(xiàn)對系統(tǒng)工作狀態(tài)的自診斷。 3）大功率IGBT逆變器的保護電路設計對其可靠工作具有非常重要的作用，應充分重視。IGBT也可以并聯(lián)使用，IGBT模塊的吸收電容C3及C4須選用無感電容，如聚丙烯電容或類似的低介電損耗膜的電容，安裝時應盡可能地靠近模塊。 4）正弦波逆變電源輸出正弦波的失真度與輸出濾波器的參數(shù)有密切關系，設計中應合理地選取濾波器的截止頻率，并照顧逆變電源最高輸出頻率的需要。 5）由IGBT做功率開關器件構成的中頻逆變電源體積小，重量輕，噪音低，工作可靠，使用、維護方便，在工業(yè)、國防、航天等領域有廣闊的應用前景，是中頻變頻機組的理想替代產(chǎn)品。 潘甲郵箱 PJM_114163.COM序號名稱容量（單相或三相）備注1400Hz航空中頻靜變電源1KW輸出電壓0-135V可調(diào)2400Hz航空中頻靜變電源2KW3400Hz航空中頻靜變電源3KW4400Hz航空中頻靜變電源6KW5400Hz航空中頻靜變電源10KW6400Hz航空中頻靜變電源15KW7400Hz航空中頻靜變電源30KW8