CN206379896U - 一种数字式大功率逆变电源 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于电力电子技术领域，具体涉及一种数字式大功率逆变电源。本实用新型提供了一种拓扑结构新颖的，数控式输出功率范围内连续可调、数控式逆变桥开关频率范围内连续可调、数控式输出方波脉宽及占空比范围内连续可调的可触摸屏数控数字式大功率逆变电源。同时，在控制系统的控制下，电流主回路协调工作使得该逆变电源的故障保护功能完善，输出电压范围宽，控制性能优良。

Description

一种数字式大功率逆变电源

【技术领域】

本实用新型属于电力电子技术领域，具体涉及一种数字式大功率逆变电源。

【背景技术】

目前，逆变电源的种类繁多，广泛应用于电力、通讯、医疗、工业设备、军用车载、船舶、新能源发电等领域，但大多数种类的逆变电源输出功率无法大范围的可控调节，而且输出脉冲脉宽和占空比也不能范围内连续可调，这就无法满足特定设备的供电需求。

【发明内容】

本实用新型的目的是为了解决现有技术中大多数种类的逆变电源输出功率无法大范围的可控调节的问题，提出一种可触摸屏数控数字式大功率逆变电源。

本实用新型的优选方案还为数字式大功率逆变电源提供一种防止短路、过压、干扰的辅助电路，解决了数字式大功率逆变电源中的Boost电路和Buck电路IGBT关断时电压尖峰过高的问题。

为解决上述技术问题，本实用新型提出一种数字式大功率逆变电源，包括电流主回路及其配套的控制系统。

电流主回路包括三相全桥整流器、软启动装置、Boost升压电路、Buck降压电路、功率开关器件组成的全桥逆变电路。

优选的，Boost升压电路，包括电感、IGBT半桥模块、IGBT驱动器、直流母线支撑电容；IGBT半桥模块中的一个IGBT管处于常闭状态，作传统Boost电路中的二极管用，另一个IGBT管通过控制算法控制其开通信号的占空比来实现直流母线的升压；直流母线支撑电容用于为后续的电路提供一个相对稳定的直流电压。

优选的，Buck降压电路，包括IGBT半桥模块、IGBT驱动器、电感、直流母线支撑电容，IGBT半桥模块中的一个IGBT管处于常闭状态，作传统Boost电路中的二极管用，另一个IGBT管通过控制算法控制其开通信号的占空比来实现直流母线的升压；直流母线电容用于为后续的逆变电路提供一个相对稳定的直流电压。

优选的，IGBT半桥模块，还可以用一个可控功率开关管和一个功率二极管组合来代替实现。

优选的，功率开关器件组成的全桥逆变电路，包括组成全桥的四个功率开关管及其驱动电路。

优选的，全桥逆变电路是IGBT全桥逆变电路，其包括两个IGBT半桥模块、相对应的两个IGBT驱动器。

优选的，配套的控制系统包括辅助电源、散热风机、电压电流监测、实现控制方式的触摸屏、信号转接板、控制板。

优选的，配套的控制系统的触摸屏用于与控制板进行通讯数据的传输，电网电压显示、设备主要功能器件的工作状态显示、数字式调控输出功率、数字式调控IGBT开关频率、数字式调控输出方波脉宽及占空比、数显关键器件的温度。

优选的，配套的控制系统的信号转接板用于电压电流信号采样、控制电源转换及分配、风机启停、IGBT温度信号采样及过温保护、与IGBT驱动板信号传输、与控制板信号传输。

优选的，配套的控制系统的控制板利用双DSP+FPGA作为控制核心，AD对采样信号作模数转换。

本公开提供了一种拓扑结构新颖的可触摸屏数控数字式大功率逆变电源。控制板的软件控制方式包括功率调节功能，采用功率/电压双闭环PI调节算法实现逆变电源在数控式输出功率范围内连续可调；逆变桥开关频率的调节实现逆变电源在数控式逆变桥开关频率范围内连续可调；输出脉冲宽度及占空比可调功能实现逆变电源在数控式输出方波脉宽及占空比范围内连续可调。同时，在控制系统的控制下，电流主回路协调工作使得该逆变电源的故障保护功能完善，输出电压范围宽，控制性能优良。

【附图说明】

图1是本实用新型实施例1的整机系统电气拓扑图。

其中，1是电源保护及滤波电路结构；2是整流桥结构；3是软启动装置结构；4是Boost电路结构；5是Buck电路结构；6是逆变电路结构；7是变压器结构。

图2是本实用新型实施例1的电源保护及滤波电路示意图。

图3是本实用新型实施例1的整流桥示意图。

图4是本实用新型实施例1的软启动装置结构示意图。

图5是本实用新型实施例1的Boost电路结构示意图。

图6是本实用新型实施例1的Buck电路结构示意图。

图7是本实用新型实施例1的逆变电路结构示意图。

图8是本实用新型实施例1的变压器结构示意图。

图9是本实用新型实施例1的控制系统功能框图。

图10是本实用新型实施例2的软件控制的功率调节控制流程图。

图11是本实用新型实施例3的逆变桥开关频率调节功能控制流程图。

图12是本实用新型实施例4的输出脉冲宽度及占空比可调功能控制流程图。

图13是本实用新型实施例5的整机软件控制方法流程图。

【具体实施方式】

本发明提供拓扑结构新颖的可触摸屏数控数字式大功率逆变电源。该逆变电源包括电流主回路及其配套的控制系统，电流主回路包括三相全桥整流器、软启动装置、Boost升压电路、Buck降压电路、功率开关器件组成的全桥逆变电路；控制系统包括辅助电源、散热风机、电压电流监测、实现控制方式的触摸屏、信号转接板、控制板。在控制系统控制下，可以实现逆变电源在数控式输出功率范围内连续可调、数控式逆变桥开关频率范围内连续可调、数控式输出方波脉宽及占空比范围内连续可调。下面结合实施例和说明书附图对本实用新型做进一步说明，但不限于此。

实施例1

如图1所示，本实用新型提出一种数字式大功率逆变电源，包括电流主回路及其配套的控制系统。

电流主回路包括三相全桥整流器、软启动装置、Boost升压电路、Buck降压电路、功率开关器件组成的全桥逆变电路。

软启动装置，包括旁路接触器和启动电阻。

Boost升压电路，包括电感、IGBT半桥模块、IGBT驱动器、直流母线支撑电容；IGBT半桥模块中的一个IGBT管处于常闭状态，作传统Boost电路中的二极管用，另一个IGBT管通过控制算法控制其开通信号的占空比来实现直流母线的升压；直流母线支撑电容用于为后续的电路提供一个相对稳定的直流电压。

Buck降压电路，包括IGBT半桥模块、IGBT驱动器、电感、直流母线支撑电容，IGBT半桥模块中的一个IGBT管处于常闭状态，作传统Boost电路中的二极管用，另一个IGBT管通过控制算法控制其开通信号的占空比来实现直流母线的升压；直流母线电容用于为后续的逆变电路提供一个相对稳定的直流电压。

IGBT半桥模块，还可以用一个可控功率开关管和一个功率二极管组合来代替实现。

功率开关器件组成的全桥逆变电路，包括组成全桥的四个功率开关管及其驱动电路。

全桥逆变电路是IGBT全桥逆变电路，其包括两个IGBT半桥模块、相对应的两个IGBT驱动器。

配套的控制系统包括辅助电源、散热风机、电压电流监测、实现控制方式的触摸屏、信号转接板、控制板。

配套的控制系统的触摸屏用于与控制板进行通讯数据的传输，电网电压显示、设备主要功能器件的工作状态显示、数字式调控输出功率、数字式调控IGBT开关频率、数字式调控输出方波脉宽及占空比、数显关键器件的温度。

配套的控制系统的信号转接板用于电压电流信号采样、控制电源转换及分配、风机启停、IGBT温度信号采样及过温保护、与IGBT驱动板信号传输、与控制板信号传输。

配套的控制系统的控制板利用双DSP+FPGA作为控制核心，AD对采样信号作模数转换。

如图2所示，三相输入端电源保护及滤波电路包括了一个具有短路保护功能、额定电流125A的三相小型断路器QF，推荐使用型号“施耐德EA9AH3C125NEW”；三个接于两相之间的压敏电阻R1、R2、R3，主要用于电路承受过压时进行电压嵌位，吸收多余的电流来保护后级器件，选用时压敏电压值应大于实际电路电压值的1.5倍，在线电压380V的三相交流系统中，一般选用680V的压敏电阻即可，推荐使用型号“陕西华星MYG20G20K681”；三个接个于两相之间的X1电容，用来消除电源中的差模干扰，如图中CX所示；三个接于每相到地的Y1电容，用来消除电源中共模干扰，如图中CY所示。

如图3所示，三相全桥整流器，为满足达到80kW瞬时功率的要求，选用200A的模块，推荐使用型号“上晶整流器MDS200A/1600V”。

如图4所示，软启动装置包括旁路接触器KM和启动电阻R4，工作原理是当电源上电时，直流母线电容通过启动电阻来充电，直到直流母线电容电压到达预设值，软启动接触器闭合，将启动电阻旁路，以此来防止直流母线中大容量电容在电源上电瞬间受到过冲电流而损坏。

如图5所示，Boost升压电路包括电感L1、T1和T2管组成的IGBT半桥模块、IGBT驱动器G1、IGBT模块吸收电容C1、直流母线支撑电容C2，其中电感L1选用额定频率12.8kHz、额定电流200A、0.3mH的磁环电感，可通过并联实现；IGBT驱动电路使用青铜剑科技2QP0115T12-C驱动器，具有短路保护，有源箝位等功能，使IGBT工作更加安全可靠；IGBT模块为满足系统要求选用300A/1200V的模块，推荐使用型号“英飞凌FF300R12ME4”，其中T1管处于常闭状态，通过控制算法控制T2管的通断来实现直流母线的升压；C1用来吸收IGBT模块工作时产生的尖峰电压；C2也称为平波电容，为后续的电路提供一个相对稳定的直流电压；因大功率整流桥工作时会导致电网电流的畸变(电流波形主要表现为脉冲)，这种电流会对电网造成污染并降低系统的功率因数，同时系统输出电压范围要求比较大，所以在系统前级加入一个BOOST电路，一方面可提高直流母线侧的电压(800V)，增大电压输出范围，另一方面可以通过控制算法来提升系统功率因数。

如图6所示，Buck降压电路包括T3和T4管组成的IGBT半桥模块、IGBT驱动器G2、IGBT模块吸收电容C3、电感L2、直流母线支撑电容C4，其中IGBT模块为满足系统要求选用300A/1200V的模块，推荐使用型号“英飞凌FF300R12ME4”，其中T4管处于常闭状态，通过控制算法控制T3管的通断来实现直流母线的降压；IGBT驱动电路使用青铜剑科技2QP0115T12-C驱动器，具有短路保护，有源箝位等功能，使IGBT工作更加安全可靠；电感L2选用额定频率12.8kHz、额定电流200A、0.3mH的磁环电感，可通过并联实现；C4也称为平波电容，可以为后续的逆变电路提供一个相对稳定的直流电压，避免因直流电压的大幅度波动引起控制系统失效；逆变桥的开关频率较高，需达到35kHz，对电容的纹波电流和寄生电感要求很高，因此选用1100V/500uF等级的薄膜电容器并联使用；因为本设备要求的输出范围比较宽，为了变压器制作方便和降低成本，通过Buck降压电路改变直流电压的方式来实现输出电压的控制。

如图7所示，IGBT全桥逆变电路包括两个IGBT半桥模块、相对应的两个IGBT驱动器G3和G4、四个IGBT管的并联电容C5、C6、C7、C8，其中IGBT模块为满足系统要求选用300A/1200V的模块，推荐使用型号“英飞凌FF300R12ME4”；IGBT驱动器为满足35kHz的开关频率使用青铜剑科技2QD0435T12-C驱动器，具有单通道4W的驱动能力，并有短路保护，有源箝位等功能，使IGBT工作更加安全可靠；每个IGBT管配备一个并联电容，此电容能够与变压器的漏感及线路电感产生谐振，使IGBT管在零电压下导通，实现恒频移项全桥软开关的控制方式，以此来提升电源的整体效率、功率密度和EMI性能。

如图8所示，单相变压器输出端口采用固定变比1:4的变压器，因为本设备要求的输出范围比较宽(1000VAC～3500VAC)，通过改变直流电压的方式来实现输出电压的控制，逆变器侧的直流电压范围设为250V～750V，这样通过变压器后系统的输出电压范围为1000V～3000V。

如图9所示，模组控制系统的辅助电源采用开关电源给每相IGBT模块的控制及驱动模块供电，因为本设备是三相三线制，故选用电源380VAC/24VDC开关电源，输入输出耐压3kV，结合驱动器功率及风机功率，开关电源功率不小于200W。

散热风机承担着整机的散热功能，避免IGBT模块等功率器件过热而损坏，考虑到系统功率较大，器件发热严重，经计算本设计选用6个功率20W的风机抽风式散热；

电压电流监测电路包括电源输入的三相电压监测(Vab、Vbc、Vac)、Boost电路输出的直流母线电压监测(Vdc1)、Buck电路输出的直流母线电压监测(Vdc2)、三相整流后的电流监测(A1)和逆变输出的电流监测(A2)，其中Vab、Vbc、Vac监测主要用来监测设备的电源输入端，即电网电压的实时变化；Vdc1和A1监测主要是用来Boost电路的PFC控制及过压过流保护；Vdc2监测主要是用来控制Buck电路的输出电压及过压保护；A2监测主要是用来显示输出电流的实时变化及过流保护。

实现控制方式的触摸屏与控制板通过RS485的通信方式进行数据的传输，主要功能有电网电压显示、设备主要功能器件的工作状态(“正常”或“故障”)显示、数字式调控输出功率、数字式调控IGBT开关频率、数字式调控输出方波脉宽及占空比、数显关键器件的温度等。

信号转接板主要功能有上述提到的各项电压电流信号采样、控制电源转换及分配、风机启停、IGBT温度信号采样及过温保护、与IGBT驱动板信号传输、与控制板信号传输等。

控制板，利用双DSP+FPGA作为控制核心、AD对采样信号作模数转换，具有运算速度快、精度高、稳定性好、可编程能力强等特点。

实施例2

如图10所示，软件控制方式包括功率调节功能控制。该功率算法为功率/电压双闭环PI调节算法，PI外环为功率调节环，PI内环为电压调节环。功率给定值Pref由上位机给定，实际功率P由电压电流采样计算得出。功率差值经外环PI调节器得出PI内环直流母线2的电压给定值，直流母线2电压实际值由AD采样得出，母线电压差值经内环PI调节器得出脉冲调制电压，经SPWM脉冲调制算法得出驱动Buck电路中IGBT所需的PWM脉冲信号。

实施例3

如图11所示，逆变桥开关频率的调节体现在SPWM脉冲调制算法中三角波的最大计数值上，由于逆变桥的开关频率与脉冲调制时三角波的频率一致，因此在FPGA中相同时间内，改变三角波的最大计数值即可改变相应的开关频率，开关频率给定值Fref由上位机给定。

实施例4

如图12所示，算法中脉冲宽度、脉冲占空比、开关频率及脉冲计数使能由上位机给定。当脉冲计数使能时，开始脉冲计数，计数步长为开关周期即1/Fref。若脉冲技术时间小于脉冲宽度与脉冲占空比的乘积即在一定的脉冲宽度范围内系统输出脉冲所占时间比，系统输出50％固定占空比的方波；否则，系统PWM输出关闭即方波输出停止。若脉冲计数时间超过脉冲宽度时间，脉冲计数清零。

实施例5

如图13所示，整机控制流程先检测系统故障是否存在，若不存在则开启Boost算法控制IGBT，将直流母线1电压升至800V；若无故障，则检测上位机是否给定功率控制使能，若功率控制使能，系统进行功率控制算法控制Buck电路及逆变桥IGBT，逆变桥输出经高频变压器得出系统要求的电压输出。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种数字式大功率逆变电源，包括电流主回路及其配套的控制系统；

所述电流主回路包括三相全桥整流器、软启动装置、Boost升压电路、Buck降压电路、功率开关器件组成的全桥逆变电路；三相全桥整流器设置于电源之后；软启动装置用于连接三相全桥整流器和Boost升压电路；Buck降压电路设置于Boost升压电路之后；全桥逆变电路设置于Buck降压电路之后。

2.如权利要求1所述的数字式大功率逆变电源，其特征在于，所述Boost升压电路包括电感、IGBT半桥模块、IGBT驱动器、直流母线支撑电容；IGBT半桥模块中的一个IGBT管处于常闭状态，作传统Boost电路中的二极管用，另一个IGBT管通过控制算法控制其开通信号的占空比来实现直流母线的升压；直流母线支撑电容用于为后续的电路提供一个相对稳定的直流电压。

3.如权利要求1所述的数字式大功率逆变电源，其特征在于，所述Buck降压电路包括IGBT半桥模块、IGBT驱动器、电感、直流母线支撑电容，IGBT半桥模块中的一个IGBT管处于常闭状态，作传统Boost电路中的二极管用，另一个IGBT管通过控制算法控制其开通信号的占空比来实现直流母线的升压；直流母线电容用于为后续的逆变电路提供一个相对稳定的直流电压。

4.如权利要求3所述的数字式大功率逆变电源，其特征在于，所述IGBT半桥模块用一个可控功率开关管和一个功率二极管组合来代替。

5.如权利要求1所述的数字式大功率逆变电源，其特征在于，功率开关器件组成的全桥逆变电路包括组成全桥的四个功率开关管及其驱动电路。

6.如权利要求1-5任一所述的数字式大功率逆变电源，其特征在于，功率开关器件组成的全桥逆变电路是IGBT全桥逆变电路，包括两个IGBT半桥模块、相对应的两个IGBT驱动器。

7.如权利要求1所述的数字式大功率逆变电源，其特征在于，所述配套的控制系统包括辅助电源、散热风机、电压电流监测、实现控制方式的触摸屏、信号转接板、控制板。

8.如权利要求7所述的数字式大功率逆变电源，其特征在于，所述配套的控制系统的触摸屏用于与控制板进行通讯数据的传输，电网电压显示、设备主要功能器件的工作状态显示、数字式调控输出功率、数字式调控IGBT开关频率、数字式调控输出方波脉宽及占空比、数显关键器件的温度。

9.如权利要求7所述的数字式大功率逆变电源，其特征在于，所述配套的控制系统的信号转接板用于电压电流信号采样、控制电源转换及分配、风机启停、IGBT温度信号采样及过温保护、与IGBT驱动板信号传输、与控制板信号传输。

10.如权利要求7所述的数字式大功率逆变电源，其特征在于，所述的配套的控制系统的控制板利用双DSP+FPGA作为控制核心，AD对采样信号作模数转换。