CN101127490A - 一种大功率晶体管变频电源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大功率晶体管变频电源，主要由三相全桥整流电路、平波滤波电路、组合逆变桥电路以及控制保护电路等组成，与输出功率用负载电路相联接完成由三相工频交流电转换成直流电，再由直流电逆变成单相高频率的交流电的过程。本发明的大功率晶体管变频电源采用新型的大功率电力电子器件，保证变频电源具有频率使用范围宽，输出功率大、工作频率高的特点，可以最大限度地满足现代热处理工艺要求。本发明的晶体管电源的工作频率能覆盖中频和超音频的频段，不需专门的启动线路，逆变效率高，因此应用的前景非常的广泛。

Description

一种大功率晶体管变频电源

技术领域：

本发明涉及一种电源，特别涉及一种大功率晶体管变频电源。

背景技术：

随着现代电力电子元器件制造工艺和技术的不断进步和提高，一种全新的开关器件正在得到广泛的应用，特别是在感应加热领域的应用，使得金属材料及部件的热处理技术得到很大的提高，这种开关器件就是绝缘门极晶体管，简称IGBT。这种器件具有输入阻抗高、开关速度快、热稳定性好、驱动电路简单的特点，又具有通态电压低、耐压高和承受大电流的特点，在现代逆变技术中得到广泛的应用。

本发明涉及的应用主要为金属材料的表面热处理技术领域，要求感应加热设备具有输出频率高、输出功率大且输出的效率高的特点，而且要求启动的成功率为100％。传统的晶闸管变频电源需要设置专门的启动线路，需要强制换流且开关时间长，开关损耗大，效率低，开关频率低(不超过8000赫兹)，启动成功率不高，因此不能满足现代金属热处理工艺的要求。另外一种传统的电子管超音频电源设备由于效率低、能耗大、输出为高电压危险程度高，正在逐步被更新换代。

发明内容：

本发明的一个目的是提供一种能够克服以上缺陷的大功率晶体管变频电源。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是一种大功率晶体管变频电源，其特征在于它包括三相全桥整流模块，与三相工频交流电源连接，用于将三相工频交流电整流成单相脉动直流电；平波滤波电路，与三相全桥整流模块的输出端连接，用于将单向脉动直流电转换成恒定的直流电流源；逆变桥电路，与平波滤波电路连接，用于将直流电逆变成交流电；负载振荡器，与逆变桥电路的输出端连接，用于产生单相高频交流电；保护电路，连接在平波滤波电路和逆变桥电路之间，用于在工作异常时，将平波滤波电路中的储能快速释放；整流控制电路，用于控制三相全桥整流模块的整流工作；信号采集电路，对逆变桥电路的输出端进行电流检测和电压检测；逆变控制电路，将检测到的电流信号作为初始信号，将检测到的电压信号作为反馈信号，经过处理后用于控制逆变桥电路；信号反馈电路，将检测到的电流信号和电压信号与工频电流信号叠加后分别反馈给控制保护电路、整流控制电路和逆变控制电路。

本发明的大功率晶体管变频电源采用新型的大功率电力电子器件，保证变频电源具有频率使用范围宽，输出功率大、工作频率高的特点，可以最大限度地满足现代热处理工艺要求。本发明的晶体管电源的工作频率能覆盖中频和超音频的频段，不需专门的启动线路，逆变效率高，因此应用的前景非常的广泛。

附图说明：

图1为本发明一实施例的电路框图

图2为其中整流控制电路的电路图

图3为信号反馈电路的电路图

图4为逆变控制电路的电路图

图5为IGBT驱动电路

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明进一步的描述。

一种大功率晶体管变频电源，其特征在于它包括三相全桥整流模块2，与三相工频交流电源1连接，用于将三相工频交流电整流成单相脉动直流电；平波滤波电路3，与三相全桥整流模块2的输出端连接，用于将单向脉动直流电转换成恒定的直流电流源；逆变桥电路4，与平波滤波电路3连接，用于将直流电逆变成交流电；负载振荡器5，与逆变桥电路4的输出端连接，用于产生单相高频交流电；保护电路6，连接在平波滤波电路3和逆变桥电路4之间，用于在工作异常时，将平波滤波电路3中的储能快速释放；整流控制电路7，用于控制三相全桥整流模块2的整流工作；信号采集电路8，对逆变桥电路4的输出端进行电流检测和电压检测；逆变控制电路9，将检测到的电流信号作为初始信号，将检测到的电压信号作为反馈信号，经过处理后用于控制逆变桥电路4；信号反馈电路10，将检测到的电流信号和电压信号与工频电流信号叠加后分别反馈给控制保护电路6、整流控制电路7和逆变控制电路9。

其中三相全桥整流模块2的电路如下所述：第一可控硅SCR1的正极与三相工频交流电源1的第一输入端A连接，第三可控硅SCR3的正极与三相工频交流电源1的第二输入端B连接，第五可控硅SCR5的正极与三相工频交流电源1的第三输入端C连接，第一可控硅SCR1、第三可控硅SCR3和第五可控硅SCR5的负极相互连接并与平波滤波电路3的正输入端连接，第二可控硅SCR2的负端与三相工频交流电源1的第一输入端A连接，第四可控硅SCR4的负端与三相工频交流电源1的第一输入端B连接，第六可控硅SCR6的负端与三相工频交流电源1的第一输入端C连接，第二可控硅SCR2、第四可控硅SCR4和第六可控硅SCR6的负极相互连接并与平波滤波电路3的负输入端连接，第一可控硅SCR1、第二可控硅SCR2、第三可控硅SCR3、第四可控硅SCR4、第五可控硅SCR5和第六可控硅SCR6的控制端分别与整流控制电路7的输出端连接。

其中平波滤波电路3包括与三相全桥整流模块正输出端连接的第一平波滤波电感L1，以及与三相全桥整流模块负输出端连接的第二平波滤波电感L2。

其中逆变桥电路4的电路图如下所述：第一快速二极管D1的正极与平波滤波电路3的正输出端连接，第一快速二极管D1的负极与第一绝缘门极晶体管V1的漏极连接，第一绝缘门极晶体管V1的源极与第三绝缘门极晶体管V3的漏极连接，第三绝缘门极晶体管V3的源极与第三快速二极管D3的正极连接，第三快速二极管D3的负极与平波滤波电路3的负输出端连接，第二快速二极管D2的正极与平波滤波电路3的正输出端连接，第二快速二极管D2的负极与第二绝缘门极晶体管V2的漏极连接，第二绝缘门极晶体管V2的源极与第四绝缘门极晶体管V4的漏极连接，第四绝缘门极晶体管V4的源极与第四快速二极管D4的正极连接，第四快速二极管D4的负极与平波滤波电路3的负输出端连接，每个绝缘门极晶体管的栅极分别与一个IGBT驱动电路11的输出端连接，每个IGBT驱动电路11的输入端与逆变控制电路9的相应输出端连接。

其中保护电路6的电路如下：第五二极管D5的正极与平波滤波电路3正输入端连接，第五二极管D5的负极与限流电感L3的一端连接，限流电感L3的另一端与保护可控硅SCR7的正极连接，保护可控硅SCR7的负极与平波滤波电路3的负输入端连接，保护可控硅SCR7的控制端与信号反馈电路10的输出端连接。

其中负载振荡器5采用并联谐振电路的工作方式，其电路如下：补偿电容器C的一端与第二绝缘门极晶体管V2的源极连接，补偿电容器C的另一端与第一绝缘门极晶体管V1的源极连接，补偿电容器C的一端还与耦合输出变压器T的一个输入端连接，补偿电容器C的另一端还与耦合输出变压器T的另一个输入端连接，耦合输出变压器T的输出端与负载连接。

其中信号采集电路8的电路如下：电流互感器12与逆变桥电路4的输出端相耦合，电流互感器12的输出端连接到信号反馈电路10，信号采集变压器13的输入端与逆变桥电路4的输出端相连接，信号采集变压器13的输出端与信号反馈电路10连接。

其中图1为主电路框图。三相工频交流电1的A、B、C输送到三相全桥整流模块回路2整流后，变成单相脉动直流电，经平波滤波电感L1、L2后变成恒定的直流电流源，输送至逆变桥电路4，通过负载振荡器，逆变成单相高频交流电，并通过耦合输出变压器T，将高频电能传输至所需要加热的零件上。

逆变桥电路4由四只IGBT(V1、V2、V3、V4)组成，每只IGBT的桥臂上都串联有一只快速二极管，每一只IGBT都有一套驱动电路11，驱动电路11的输入端与逆变控制电路9的相应输出端连接，驱动电路11的输出端与IGBT的栅极连接。其中V1和V4的脉冲同相位，V2和V3的脉冲同相位。由逆变控制电路9分别控制V1/V4和V2/V3的交替导通工作，就将直流电变成交流电。在每个桥臂两端都并联有阻容吸收回路，以吸收IGBT关断时由寄生电感产生的浪涌电压。

在平波电感L1、L2后的直流电两端并联有一直流保护回路6，由限流电感L3，整流二极管D5以及保护可控硅组成。当逆变回路工作异常时，及时停机并将平波电感L1、L2中的储能快速泄放掉，以防止逆变器件因过压而损坏。

图2为整流电路控制原理图。三相交流电A、B、C经三只同步变压器取样出同步电压信号，传输至三只可控硅集成脉冲控制电路芯片KJ004的同步电压取样输入端，输出六路单脉冲信号传输至脉冲合成电路芯片KJ041输入端，叠加形成六路双窄脉冲，经功放三极管放大后传输至触发脉冲变压器，以控制整流可控硅的导通工作。

整流桥的输出直流电压的高低由可控硅的导通角的大小来决定，而导通角的大小由可控硅集成脉冲控制电路芯片KJ004的第四引脚的输入电平-移相电平S2来控制。移相电平S2由信号反馈电路给出，主要由设置在控制柜外端的调功电位器来决定，同时引入电压、电流反馈，以保持整流桥输出的稳定。

图3为信号反馈电路图。整流桥前端的工频电流信号经电流互感器起出后经过全桥整流，经取样电阻R1输出电压信号，经过运放TL084的U1A、U1B电处理传输至加法器电阻R13的一端。

振荡器的振荡电压信号经电压互感器取出后经过全桥整流，经过滤波电容C1传输电阻R4、R8后，再次经滤波电容C4滤波取样电阻R9后，将电压信号传输至加法器电阻R10的一端。

振荡器的振荡电流信号经电流互感器12取出后经过全桥整流，经取样电阻R6输出电压信号，经过运放电路TL084的U1C、U1D处理传输至加法器电阻R18的一端。同时电流反馈信号经传输电阻R30输出到逆变控制电路9。

起始电流的大小由一电压调整电路给出，由信号继电器KAO控制接通，经分压电阻R21与调整电位器RS1构成分压器，所取出的电压经过运放TL084的U2C、U2D电路处理传输至加法器电阻R29的一端。当整流回路开始工作时，由这个调整好的给定电压发出一定大小的移相电平，整流器工作并提供正的直流电压给逆变回路，逆变器起振并维持振荡，同时检测到工频电流、振荡电压、振荡电流信号反馈，将移相电平稳定在一个电压值。当逆变器起振成功后，通过信号继电器KAO控制切换，将外部调功电位器RS2的设定值引入，控制功率的输出。

图4为逆变控制电路图。逆变控制板提供IGBT晶体管的控制脉冲以及相位控制，逆变控制电路的核心部分为锁相技术及函数发生器的应用，其用检测到的振荡电流信号作为初始相位信号，同时检测振荡电路的电压信号作为反馈信号，通过相位调整电路调整电压及电流的相位差，用以调整逆变器的工作效率，同时调整触发脉冲的频率，以保证稳定跟随负载的变化。

电压信号输入到电阻R1的一端，经取样至比较器U1-LM311与POT1端的固定门限电压进行比较，取出脉冲信号，经跟随器U2-TL084输入到锁相器U5-4046的比较端A，同时此脉冲信号又加到双施密特比较器U4-4583的AIN信号端；同样电流信号输入至电阻R7的一端，经取样至比较器U3-TL081与固定门限电压进行比较，取出脉冲信号，经跟随器输入到锁相器U5-4046的比较端B，锁相器的输出信号与双施密特比较器U4-4583的输出信号进行比较，将两者的相位差经运放变成反馈电压信号，与由分压电阻R51及调整电位器R50产生的初始脉冲的电压信号叠加，并输入至函数发生器8038的电压调频控制端7，由控制端3输出的锯齿波压频信号，经U10-TL081跟随器将锯齿波压频信号传输至比较器U11-LM311的一端，输出方波脉冲。此方波脉冲经过U12-4001的转化为两路交叉脉冲，经U13-4049隔离输出至每只IGBT的驱动板。实际输出的脉冲频率已经调整到负载的固有谐振频率的范围内，能使逆变器稳定的工作。

图5为IGBT驱动电路。逆变控制板提供IGBT晶体管驱动脉冲信号经光电隔离器TLP559隔离传送到对称功放管T1、T2，经过大功率MOS开关管放大，提供较大的驱动电流给IGBT管的门极，使IGBT管在大电流输出时有充足的开通能力。

本发明中采用的IGBT晶体管为高压、大电流、高速型的新一代产品，使用独特光电隔离驱动技术，采用全集成化控制线路，数字化程度高，具有控制精度高、可靠性强、调整方便等特点。控制系统实行电压、电流双闭环调节，采用恒流工作方式，控制系统具有过压、过流、换相监控、频率过高过低、多点电子温度监控等多种保护功能，实施微秒级监控并对设备实施保护。

根据本发明的一个实施例，IGBT模块采用的是SEIMIKON公司的400A，1700V的IGBT模块，四只模块组成一组逆变桥路，采用两组桥并联，能承受大的冲击电流和输出功率。正常工作时最大输出直流电压为500伏，最大输出直流电流400安培，输出功率200KW。根据负载感应器的直径大小，调整负载耦合变压器的匝比数及补偿电容的微法数，可以选择8~30K赫兹的工作频率，而IGBT晶体管变频电源的参数不需要作任何调整，即能跟随负载振荡器的变化稳定工作。

本发明在感应加热应用时必须有一个功率输出负载，一般采用的并联谐振的工作方式，即LC并联谐振。其中C为功率补偿电容器，L为一个隔离耦合变压器，且初级的电感可调。这种变压器的磁芯采用特殊材料，工作频率能够含盖中频和超音频的频段。根据频率的计算公式，我们可以通过调整补偿电容的微法数以及调整隔离耦合变压器的初级线圈的匝数，获得所需要的工作频率；同时由于在加热的过程中工件由冷态到热态的变化，感抗也逐渐变小，工作频率也会升高，因此要求这种变频电源有很宽的频带适应范围。

由于IGBT晶体管为一种压控开关器件，只需要提供高低电平即可以控制晶体管的导通和关断，因此由控制线路产生一组方波脉冲，经过相位调整及功率放大电路传输至晶体管的驱动脉冲板，来控制IGBT晶体管的导通和截止。由于驱动脉冲的频率跟随负载振荡器的固有频率的变化，始终保持一致，因此驱动脉冲的相位和振荡器的振荡电流的相位是一致的。同时通过检测振荡器的振荡电压信号，形成一路脉冲信号，与驱动脉冲的前一级信号进行相位比较，产生相位差信号经调整运放反馈电路，传输至脉冲形成电路，调整输出的脉冲的频率，保持振荡器的振荡电流和电压的相位稳定，以保证逆变的效率稳定。

Claims (6)

1.一种大功率晶体管变频电源，其特征在于它包括三相全桥整流模块，与三相工频交流电源连接，用于将三相工频交流电整流成单相脉动直流电；平波滤波电路，与三相全桥整流模块的输出端连接，用于将单向脉动直流电转换成恒定的直流电流源；逆变桥电路，与平波滤波电路连接，用于将直流电逆变成交流电；负载振荡器，与逆变桥电路的输出端连接，用于产生单相高频交流电；保护电路，连接在平波滤波电路和逆变桥电路之间，用于在工作异常时，将平波滤波电路中的储能快速释放；整流控制电路，用于控制三相全桥整流模块的整流工作；信号采集电路，对逆变桥电路的输出端进行电流检测和电压检测；逆变控制电路，将检测到的电流信号作为初始信号，将检测到的电压信号作为反馈信号，经过处理后用于控制逆变桥电路；信号反馈电路，将检测到的电流信号和电压信号与工频电流信号叠加后分别反馈给控制保护电路、整流控制电路和逆变控制电路。

2.如权利要求1所述的大功率晶体管变频电源，其特征在于逆变桥电路的电路如下所述：第一快速二极管的正极与平波滤波电路的正输出端连接，第一快速二极管的负极与第一绝缘门极晶体管的漏极连接，第一绝缘门极晶体管的源极与第三绝缘门极晶体管的漏极连接，第三绝缘门极晶体管的源极与第三快速二极管的正极连接，第三快速二极管的负极与平波滤波电路的负输出端连接，第二快速二极管的正极与平波滤波电路的正输出端连接，第二快速二极管的负极与第二绝缘门极晶体管的漏极连接，第二绝缘门极晶体管的源极与第四绝缘门极晶体管的漏极连接，第四绝缘门极晶体管的源极与第四快速二极管的正极连接，第四快速二极管的负极与平波滤波电路的负输出端连接，每个绝缘门极晶体管的栅极分别与一个驱动电路的输出端连接，第一IGBT驱动电路的输入端与逆变控制电路的相应输出端连接。

3.如权利要求2所述的大功率晶体管变频电源，其特征在于三相全桥整流模块的电路如下所述：第一可控硅的正极与三相工频交流电源的第一输入端连接，第三可控硅的正极与三相工频交流电源的第二输入端连接，第五可控硅的正极与三相工频交流电源的第三输入端连接，第一可控硅、第三可控硅和第五可控硅的负极相互连接并与平波滤波电路的正输入端连接，第二可控硅的负端与三相工频交流电源的第一输入端连接，第四可控硅的负端与三相工频交流电源的第一输入端连接，第六可控硅的负端与三相工频交流电源的第一输入端连接，第二可控硅、第四可控硅和第六可控硅的负极相互连接并与平波滤波电路的负输入端连接，第一可控硅、第二可控硅、第三可控硅、第四可控硅、第五可控硅和第六可控硅的控制端分别与整流控制电路的输出端连接。

4.如权利要求3所述的大功率晶体管变频电源，其特征在于平波滤波电路包括与三相全桥整流模块正输出端连接的第一平波滤波电感，以及与三相全桥整流模块负输出端连接的第二平波滤波电感。

5.如权利要求4所述的大功率晶体管变频电源，其特征在于其中保护电路的电路如下：第一二极管的正极与平波滤波电路正输入端连接，第一二极管的负极与限流电感的一端连接，限流电感的另一端与保护可控硅的正极连接，保护可控硅的负极与平波滤波电路的负输入端连接，保护可控硅的控制端与信号反馈电路的输出端连接。

6.如权利要求5所述的大功率晶体管变频电源，其特征在于其中负载振荡器采用并联谐振电路的工作方式，其电路如下：补偿电容器的一端与第二绝缘门极晶体管的源极连接，补偿电容器的另一端与第一绝缘门极晶体管的源极连接，补偿电容器的一端还与耦合输出变压器的一个输入端连接，补偿电容器的另一端还与耦合输出变压器的另一个输入端连接，耦合输出变压器的输出端与负载连接。

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