CN102570850B - 交流中频开关电源消除谐振方法及交流中频开关电源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种有效减小交流中频开关电源输出侧专用负载谐振的电路。它经过对开关电源中核心器件IGBT工作状态的控制方式的改变，在不增加任何元器件的前提下，有效的降低了专用中频感性负载、补偿电容与电源内部滤波电容及线路等效电感形成的谐振电压、电流，避免了开关电源停机后，因感容负载谐振造成高电压、大电流而使负载损坏的可能性。从而提高整个系统运行的可靠性，保障了专用负载使用寿命。

Description

交流中频开关电源消除谐振方法及交流中频开关电源

技术领域

本电路涉及特种行业供电系统可靠运行的技术问题，特别涉及对特殊负载的安全隐患问题，本发明方法及电路设备依托为专为特种行业定制交流中频开关电源。

背景技术

交流中频开关电源专为特种工业设备研制，功率180kVA，输入为380V/50Hz市电，输出为380V/1280Hz正弦波。电路拓扑为三相全桥整流电路、直流LC滤波、三个单相全桥逆变电路、输出LC滤波。

本电源所连接负载为感性，功率因数0.3左右，通过电容补偿，功率因数可提高至0.9。负载侧补偿电容，可提高负载侧功率因数。

该交流中频开关电源运行状态下，为负载提供380V/1280Hz的电能，使负载正常运行。正常原因或故障原因停机时，由于负载输出侧滤波电容、电源内部滤波电容与感性负载形成无功交换，谐振出高电压，由于电压高达AC800V左右，超出负载承受的正常电压范围之外，所以成为安全隐患，有可能烧毁负载。

由于负载侧需要波形品质稳定良好的正弦波，所以开关电源方案采取了SPWM控制并对逆变输出波形进行LC滤波处理，经验证，波形品质完全达到负载使用要求。但输出滤波电容改变了负载侧感容谐振的状态，并造成了较高的谐振点。通常破坏谐振的方案可以通过在负载两端并联电阻的方式进行。但该方案会带来诸多问题，比如中频开关的设计与选取，电阻的散热问题等，同时设备的体积、成本均有所增加，都不是低成本、可靠的解决方案。

发明内容

本发明的目的是寻求在不对成熟电源产品电路拓扑进行改动、不影响设备体积、不增加成本的前提下，解决电源停机时负载侧谐振带来高压的问题，从而避免负载可能因高压烧毁的可能性，提高整个供电系统运行的可靠性。

本发明的技术解决方案是：

一种交流中频开关电源消除谐振方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

1】将停机指令或故障指令进行处理后分别将SPWM12与SPWM34控制波形瞬间箝位至负电平，同时根据停机指令或故障指令生成延迟的滞后停机封锁信号Lock1；

2】SPWM12信号变为负电平后使SPWM1信号为低电平，SPWM1信号使其对应的IGBTN1关断；

SPWM12信号变为负电平后使SPWM2信号为高电平，SPWM2信号使其对应的IGBTN2开通；

SPWM34信号变为负电平后使SPWM3信号为低电平，SPWM3信号使其对应的IGBTN3关断；

SPWM34信号变为负电平后使SPWM4信号为高电平，SPWM4信号使其对应的IGBTN4开通；

3】输出电感经单相逆变电路中的IGBT及其并联二极管最终并联至谐振的电容及感性负载两端从而改变谐振点，并泄放能量，最终消除谐振；

4】延迟的滞后停机封锁信号Lock1停止IGBTN2、IGBTN4，交流中频开关电源停机进入待机状态。

一种交流中频开关电源，包括控制电路、3组三相整流电路、直流LC滤波器、单相逆变全桥、输出LC滤波电路，

其特殊之处在于：

所述控制电路包括停机逻辑处理电路和SPWM信号处理电路；

所述停机逻辑处理电路包括指令接收电路、钳位信号生成电路、钳位电路和延迟封锁电路；所述指令接收电路用于接收停机指令或故障指令LOCK，所述钳位信号生成电路根据停机指令或故障指令LOCK生成钳位信号；所述钳位电路根据钳位信号分别将SPWM12与SPWM34控制波形瞬间箝位至负电平；所述延迟封锁电路根据接收停机指令或故障指令LOCK生成可使交流中频开关电源延迟停机的滞后停机封锁信号Lock1；

所述SPWM信号处理电路包括四路比较电路和相应的关断电路；所述比较电路可根据箝位至负电平的SPWM12与SPWM34控制波形使SPWM1信号为低电平、SPWM2信号为高电平、SPWM3信号为低电平、SPWM4信号为高电平；所述关断电路将SPWM1信号、SPWM2信号、SPWM3信号、SPWM4信号驱动后使IGBT N1关断、IGBTN2开通、IGBTN3关断、IGBTN4开通,所述IGBT N1和IGBT N2串联构成第一个桥臂，IGBT N3和IGBT N4串联构成第二个桥臂，两个桥臂进行并联构成单相逆变全桥。

上述指令接收电路为RC滤波电路(R32、C23)；

所述钳位信号生成电路包括与RC滤波电路输出端相连的非门(D2A)、与非门输出端相连的与非门(D1B)、与与非门输出端相连的比较器A5；

所述钳位电路包括与比较器输出端相连的两个二极管(VD13、VD14)；所述二极管的负极接比较器的输出端，其正极分别为SPWM12与SPWM34控制波形；

所述延迟封锁电路包括与与非门输出端连接的比较器A3、与比较器A3输出端连接的RC延时电路(R18、C24)、与RC延时电路输出端连接的比较器A4，所述比较器A4的输出为滞后停机封锁信号Lock1；

所述比较电路包括与钳位电路输出端相连的三个串联的比较器，所述三个串联的比较器为比较器A6、比较器A8、比较器A10或者比较器A7、比较器A9、比较器A11或者比较器A16、比较器A18、比较器A20或者比较器A17、比较器A19、比较器A21。

本发明的优点：本发明是一种不增加成本，不增加设备体积，同时不对主电路拓扑进行任何更改的一种简单易行的可靠方案。经实际试验，本发明可以大大降低谐振电压，完全消除负载安全运行隐患。

附图说明

图1是本发明交流中频开关电源消除谐振电路及相应的负载和补偿电容的电路原理图。

图2是本发明交流中频开关电源消除谐振电路中单相逆变全桥、负载、补偿电容及线路阻抗的等效电路。

图3是消除谐振电路中SPWM信号部分电路图。

图4是消除谐振电路中逻辑处理部分电路图。

图5是加入消除谐振电路之前的负载侧波形。

图6是加入消除谐振电路之后的负载侧波形。

具体实施方式

参见图1、2，交流中频开关电源消除谐振电路由控制电路、3组三相整流电路、直流LC滤波器、单相逆变全桥、输出LC滤波电路构成，其中，单相逆变全桥由典型的IGBT驱动电路及IGBT构成。图2是单路输出的等效电路，可以更容易的理解工作过程。

控制电路由停机逻辑处理电路和SPWM信号处理电路构成。停机逻辑电路由一个非门、比较器、二极管、电阻、电容构成；SPWM信号处理电路由比较器、二极管、电容、电阻构成。

参见图3、4，停机逻辑电路(R31、R32、C23)接收停机指令或故障指令(LOCK)，送入非门(D2A)，通过与非门(D1B)电平翻转后经比较器A5使2个二极管(VD13、VD14)导通，同时与非门(D1B)输出经另一比较器A3翻转电平后，经RC(R18、C24)充电延时，与阀值比较后，经比较器A4形成约3s左右的滞后停机封锁信号(Lock1)。封锁信号(Lock1)将最终停止IGBTN2、IGBTN4工作，代表消除谐振电路停止工作。二极管(VD13、VD14)导通后，将SPWM12与SPWM34控制波形瞬间箝位至负电平(-15V)。SPWM12信号变为负电平后经过比较器A6、比较器A8、比较器A10使SPWM1信号为低电平，SPWM1信号通过驱动电路使其对应的IGBTN1关断。同理SPWM12信号变为负电平后经过比较器A7、比较器A9、比较器A11使SPWM2信号为高电平，SPWM2信号通过驱动电路使其对应的IGBTN2开通。SPWM34信号变为负电平后经过比较器A16、比较器A18、比较器A20使SPWM3信号为低电平，SPWM3信号通过驱动电路使其对应的IGBTN3关断。同理SPWM34信号变为负电平后经过比较器A17、比较器A19、比较器A21使SPWM4信号为高电平，SPWM4信号通过驱动电路使其对应的IGBTN4开通。此时输出电感经单相逆变电路中的IGBT及其并联二极管最终并联至谐振的电容及感性负载两端从而改变谐振点，并泄放能量，最终完成消除谐振的功能。约3s左右后，封锁信号(Lock1)将最终停止IGBTN2、IGBTN4，交流中频开关电源停机进入待机状态。

本发明原理：

本发明通过改变停机瞬间IGBT的工作状态，利用电源内部的滤波电感改变谐振状态，达到消除谐振降低电压幅值的目的。

具体来说，在谐振电路的控制下，正常停机或故障停机的瞬间，消除谐振电路开始工作。利用2个导通的二极管将SPWM控制信号置低，控制逆变全桥电路中下桥臂2只IGBT保持一定时间开通，从而使输出滤波电感并联至负载及补偿电容两端，改变谐振点，降低谐振幅值，达到消除谐振目的。

本电路的工作过程：参见图2、3、4，停机瞬间，与非门D1的13端口形成高电平，比较器输出A5的7端输出负电平(-15V)，二极管(VD13、VD14)导通，SPWM12、SPWM34信号为-15V(消除谐振电路开始工作)。与非门D1的13端形成高电平同时使另一比较器A3的7端输出变为开路状态，C24正极通过R18开始充电，约3.4s后，该电位超过比较器A4的2端阀值，使输出比较器A4的7端低电平(Lock1)，从而封锁比较器A8、比较器A9、比较器A18、比较器A19，驱动芯片停止工作，主回路所有IGBT断开，整个消除谐振电路停止工作。

SPWM12、SPWM34变为-15V后，比较器A6的7端为低电平，比较器A8的7端输出为高电平，比较器A10的7端输出为低电平，从而驱动器对应的IGBTN1停止工作。同理，IBGTN2保持开通，IBGTN3停止工作，IBGTN4保持开通。

此时，若输出负载两端为上正下负，则输出滤波电感的1端经IGBTN2以及IBGTN4的反并联二极管并联至负载两端。若输出负载两端为上负下正，则输出滤波电感的1端经IGBTN4以及IBGTN2的反并联二极管并联至负载两端。如此，输出滤波电感均可在停机后至消除谐振电路停止工作前，并联至负载及补偿电容两端，从而改变谐振点，降低直至消除负载侧谐振高电压的目的。

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)：绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降的优点。

Claims (3)

1.一种交流中频开关电源消除谐振方法，其特征在于：包括以下步骤：

1】将停机指令或故障指令进行处理后分别将SPWM12与SPWM34控制波形瞬间箝位至负电平，同时根据停机指令或故障指令生成延迟的滞后停机封锁信号Lock1；

2】SPWM12信号变为负电平后使SPWM1信号为低电平，SPWM1信号使其对应的IGBT N1关断；

SPWM12信号变为负电平后使SPWM2信号为高电平，SPWM2信号使其对应的IGBT N2开通；

SPWM34信号变为负电平后使SPWM3信号为低电平，SPWM3信号使其对应的IGBT N3关断；

SPWM34信号变为负电平后使SPWM4信号为高电平，SPWM4信号使其对应的IGBT N4开通；

3】输出电感经单相逆变电路中的IGBT及其并联二极管最终并联至谐振的电容及感性负载两端从而改变谐振点，并泄放能量，最终消除谐振；

4】延迟的滞后停机封锁信号Lock1瞬时停止IGBTN2、IGBTN4，交流中频开关电源停机进入待机状态；

所述IGBT N1、IGBT N2、IGBT N3、IGBT N4组成单相逆变电路。

2.一种交流中频开关电源，包括控制电路、3组三相整流电路、直流LC滤波器、单相逆变全桥、输出LC滤波电路，

其特征在于：

所述控制电路包括停机逻辑处理电路和SPWM信号处理电路；

所述停机逻辑处理电路包括指令接收电路、钳位信号生成电路、钳位电路和延迟封锁电路；

所述指令接收电路用于接收停机指令或故障指令LOCK，

所述钳位信号生成电路根据停机指令或故障指令LOCK生成钳位信号；

所述钳位电路根据钳位信号分别将SPWM12与SPWM34控制波形瞬间箝位至负电平；

所述延迟封锁电路根据接收停机指令或故障指令LOCK生成可使交流中频开关电源延迟停机的滞后停机封锁信号Lock1；

所述SPWM信号处理电路包括四路比较电路和相应的关断电路；

所述比较电路可根据箝位至负电平的SPWM12与SPWM34控制波形使SPWM1信号为低电平、SPWM2信号为高电平、SPWM3信号为低电平、SPWM4信号为高电平；所述关断电路将SPWM1信号、SPWM2信号、SPWM3信号、SPWM4信号驱动后使IGBT N1关断、IGBT N2开通、IGBT N3关断、IGBT N4开通，封锁信号(Lock1)将最终停止IGBT N2、IGBT N4工作，所述IGBT N1和IGBT N2串联构成第一个桥臂，IGBT N3和IGBT N4串联构成第二个桥臂，两个桥臂进行并联构成单相逆变全桥。

3.根据权利要求2所述的交流中频开关电源，其特征在于：

所述指令接收电路为RC滤波电路(R32、C23)；

所述钳位信号生成电路包括与RC滤波电路输出端相连的非门(D2A)、与非门输出端相连的与非门(D1B)、与与非门输出端相连的比较器A5；

所述钳位电路包括与比较器输出端相连的两个二极管(VD13、VD14)；所述二极管的负极接比较器的输出端，其正极分别为SPWM12与SPWM34控制波形；

所述延迟封锁电路包括与与非门输出端连接的比较器A3、与比较器A3输出端连接的RC延时电路(R18、C24)、与RC延时电路输出端连接的比较器A4，所述比较器A 4的输出为滞后停机封锁信号Lock1；

所述比较电路包括与钳位电路输出端相连的三个串联的比较器，所述三个串联的比较器为比较器A6、比较器A8、比较器A10或者比较器A7、比较器A9、比较器A11或者比较器A16、比较器A18、比较器A20或者比较器A17、比较器A19、比较器A21。