一種大功率電晶體變頻電源的製作方法

2023-04-25 08:13:46 1

專利名稱：一種大功率電晶體變頻電源的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種電源，特別涉及一種大功率電晶體變頻電源。
背景技術：
隨著現代電力電子元器件製造工藝和技術的不斷進步和提高，一 種全新的開關器件正在得到廣泛的應用，特別是在感應加熱領域的應 用，使得金屬材料及部件的熱處理技術得到很大的提高，這種開關器 件就是絕緣門極電晶體，簡稱IGBT。這種器件具有輸入阻抗高、開 關速度快、熱穩定性好、驅動電路簡單的特點，又具有通態電壓低、 耐壓高和承受大電流的特點，在現代逆變技術中得到廣泛的應用。本發明涉及的應用主要為金屬材料的表面熱處理技術領域，要求 感應加熱設備具有輸出頻率高、輸出功率大且輸出的效率高的特點， 而且要求啟動的成功率為100%。傳統的晶閘管變頻電源需要設置專 門的啟動線路，需要強制換流且開關時間長，開關損耗大，效率低，開關頻率低(不超過8000赫茲)，啟動成功率不高，因此不能滿足現 代金屬熱處理工藝的要求。另外一種傳統的電子管超音頻電源設備由 於效率低、能耗大、輸出為高電壓危險程度高，正在逐步被更新換代。

發明內容
本發明的一個目的是提供一種能夠克服以上缺陷的大功率晶體 管變頻電源。為了實現上述目的，本發明的技術方案是一種大功率電晶體變頻 電源，其特徵在於它包括三相全橋整流模塊，與三相工頻交流電源連接，用於將三相工頻交流電整流成單相脈動直流電；平波濾波電路， 與三相全橋整流模塊的輸出端連接，用於將單向脈動直流電轉換成恆 定的直流電流源；逆變橋電路，與平波濾波電路連接，用於將直流電 逆變成交流電；負載振蕩器，與逆變橋電路的輸出端連接，用於產生 單相高頻交流電；保護電路，連接在平波濾波電路和逆變橋電路之間， 用於在工作異常時，將平波濾波電路中的儲能快速釋放；整流控制電 路，用於控制三相全橋整流模塊的整流工作；信號採集電路，對逆變 橋電路的輸出端進行電流檢測和電壓檢測；逆變控制電路，將檢測到 的電流信號作為初始信號，將檢測到的電壓信號作為反饋信號，經過
處理後用於控制逆變橋電路；信號反饋電路，將檢測到的電流信號和 電壓信號與工頻電流信號疊加後分別反饋給控制保護電路、整流控制 電路和逆變控制電路。本發明的大功率電晶體變頻電源採用新型的大功率電力電子器 件，保證變頻電源具有頻率使用範圍寬，輸出功率大、工作頻率高的 特點，可以最大限度地滿足現代熱處理工藝要求。本發明的電晶體電 源的工作頻率能覆蓋中頻和超音頻的頻段，不需專門的啟動線路，逆 變效率高，因此應用的前景非常的廣泛。


圖1為本發明一實施例的電路框2為其中整流控制電路的電路3為信號反饋電路的電路4為逆變控制電路的電路5為IGBT驅動電路
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明進一步的描述。 一種大功率電晶體變頻電源，其特徵在於它包括三相全橋整流模 塊2，與三相工頻交流電源1連接，用於將三相工頻交流電整流成單 相脈動直流電；平波濾波電路3，與三相全橋整流模塊2的輸出端連 接，用於將單向脈動直流電轉換成恆定的直流電流源；逆變橋電路4， 與平波濾波電路3連接，用於將直流電逆變成交流電；負載振蕩器5， 與逆變橋電路4的輸出端連接，用於產生單相高頻交流電；保護電路 6，連接在平波濾波電路3和逆變橋電路4之間，用於在工作異常時， 將平波濾波電路3中的儲能快速釋放；整流控制電路7，用於控制三 相全橋整流模塊2的整流工作；信號採集電路8，對逆變橋電路4的 輸出端進行電流檢測和電壓檢測；逆變控制電路9，將檢測到的電流 信號作為初始信號，將檢測到的電壓信號作為反饋信號，經過處理後 用於控制逆變橋電路4;信號反饋電路IO，將檢測到的電流信號和電 壓信號與工頻電流信號疊加後分別反饋給控制保護電路6、整流控制 電路7和逆變控制電路9。其中三相全橋整流模塊2的電路如下所述第一可控矽SCR1的 正極與三相工頻交流電源1的第一輸入端A連接，第三可控矽SCR3 的正極與三相工頻交流電源1的第二輸入端B連接，第五可控矽SCR5 的正極與三相工頻交流電源1的第三輸入端C連接，第一可控矽SCR1、 第三可控矽SCR3和第五可控矽SCR5的負極相互連接並與平波濾波電 路3的正輸入端連接，第二可控矽SCR2的負端與三相工頻交流電源 1的第一輸入端A連接，第四可控矽SCR4的負端與三相工頻交流電 源1的第一輸入端B連接，第六可控矽SCR6的負端與三相工頻交流
電源l的第一輸入端C連接，第二可控矽SCR2、第四可控矽SCR4和 第六可控矽SCR6的負極相互連接並與平波濾波電路3的負輸入端連 接，第一可控矽SCR1、第二可控矽SCR2、第三可控矽SCR3、第四可 控矽SCR4、第五可控矽SCR5和第六可控矽SCR6的控制端分別與整 流控制電路7的輸出端連接。其中平波濾波電路3包括與三相全橋整流模塊正輸出端連接的 第一平波濾波電感Ll，以及與三相全橋整流模塊負輸出端連接的第 二平波濾波電感L2。其中逆變橋電路4的電路圖如下所述第一快速二極體Dl的正 極與平波濾波電路3的正輸出端連接，第一快速二極體Dl的負極與 第一絕緣門極電晶體V1的漏極連接，第一絕緣門極電晶體V1的源極 與第三絕緣門極電晶體V3的漏極連接，第三絕緣門極電晶體V3的源 極與第三快速二極體D3的正極連接，第三快速二極體D3的負極與平 波濾波電路3的負輸出端連接，第二快速二極體D2的正極與平波濾 波電路3的正輸出端連接，第二快速二極體D2的負極與第二絕緣門 極電晶體V2的漏極連接，第二絕緣門極電晶體V2的源極與第四絕緣 門極電晶體V4的漏極連接，第四絕緣門極電晶體V4的源極與第四快 速二極體D4的正極連接，第四快速二極體D4的負極與平波濾波電路 3的負輸出端連接，每個絕緣門極電晶體的柵極分別與一個IGBT驅 動電路11的輸出端連接，每個IGBT驅動電路11的輸入端與逆變控 制電路9的相應輸出端連接。其中保護電路6的電路如下第五二極體D5的正極與平波濾波 電路3正輸入端連接，第五二極體D5的負極與限流電感L3的一端連 接，限流電感L3的另一端與保護可控矽SCR7的正極連接，保護可控 矽SCR7的負極與平波濾波電路3的負輸入端連接，保護可控矽SCR7 的控制端與信號反饋電路10的輸出端連接。其中負載振蕩器5採用並聯諧振電路的工作方式，其電路如下 補償電容器C的一端與第二絕緣門極電晶體V2的源極連接，補償電 容器C的另一端與第一絕緣門極電晶體VI的源極連接，補償電容器 C的一端還與耦合輸出變壓器T的一個輸入端連接，補償電容器C的 另一端還與耦合輸出變壓器T的另一個輸入端連接，耦合輸出變壓器 T的輸出端與負載連接。其中信號採集電路8的電路如下電流互感器12與逆變橋電路 4的輸出端相耦合，電流互感器12的輸出端連接到信號反饋電路10， 信號採集變壓器13的輸入端與逆變橋電路4的輸出端相連接，信號 採集變壓器13的輸出端與信號反饋電路10連接。其中圖l為主電路框圖。三相工頻交流電1的A、 B、 C輸送到三 相全橋整流模塊迴路2整流後，變成單相脈動直流電，經平波濾波電
感Ll、 L2後變成恆定的直流電流源，輸送至逆變橋電路4，通過負 載振蕩器，逆變成單相高頻交流電，並通過耦合輸出變壓器T，將高 頻電能傳輸至所需要加熱的零件上。逆變橋電路4由四隻IGBT (Vl、 V2、 V3、 V4)組成，每隻IGBT 的橋臂上都串聯有一隻快速二極體，每一隻IGBT都有一套驅動電路 11，驅動電路ll的輸入端與逆變控制電路9的相應輸出端連接，驅 動電路11的輸出端與IGBT的柵極連接。其中VI和V4的脈衝同相位， V2和V3的脈衝同相位。由逆變控制電路9分別控制Vl/V4和V2/V3 的交替導通工作，就將直流電變成交流電。在每個橋臂兩端都並聯有 阻容吸收回路，以吸收IGBT關斷時由寄生電感產生的浪湧電壓。在平波電感Ll、 L2後的直流電兩端並聯有一直流保護迴路6， 由限流電感L3，整流二極體D5以及保護可控矽組成。當逆變迴路工 作異常時，及時停機並將平波電感Ll、 L2中的儲能快速洩放掉，以 防止逆變器件因過壓而損壞。圖2為整流電路控制原理圖。三相交流電A、 B、 C經三隻同步變壓器取樣出同步電壓信號，傳輸至三隻可控矽集成脈衝控制電路晶片 KJ004的同步電壓取樣輸入端，輸出六路單脈衝信號傳輸至脈衝合成 電路晶片KJ041輸入端，疊加形成六路雙窄脈衝，經功放三極體放大 後傳輸至觸發脈衝變壓器，以控制整流可控矽的導通工作。整流橋的輸出直流電壓的高低由可控矽的導通角的大小來決定， 而導通角的大小由可控矽集成脈衝控制電路晶片KJ004的第四引腳 的輸入電平一移相電平S2來控制。移相電平S2由信號反饋電路給出， 主要由設置在控制櫃外端的調功電位器來決定，同時引入電壓、電流 反饋，以保持整流橋輸出的穩定。圖3為信號反饋電路圖。整流橋前端的工頻電流信號經電流互感 器起出後經過全橋整流，經取樣電阻Rl輸出電壓信號，經過運放 TL084的U1A、 U1B電處理傳輸至加法器電阻R13的一端。振蕩器的振蕩電壓信號經電壓互感器取出後經過全橋整流，經過 濾波電容C1傳輸電阻R4、 R8後，再次經濾波電容C4濾波取樣電阻R9後，將電壓信號傳輸至加法器電阻R10的一端。振蕩器的振蕩電流信號經電流互感器12取出後經過全橋整流， 經取樣電阻R6輸出電壓信號，經過運放電路TL084的U1C、 U1D處理 傳輸至加法器電阻R18的一端。同時電流反饋信號經傳輸電阻R30輸 出到逆變控制電路9。起始電流的大小由一電壓調整電路給出，由信號繼電器KAO控制 接通，經分壓電阻R21與調整電位器RS1構成分壓器，所取出的電壓 經過運放TL084的U2C、 U2D電路處理傳輸至加法器電阻R29的一端。 當整流迴路開始工作時，由這個調整好的給定電壓發出一定大小的移相電平，整流器工作並提供正的直流電壓給逆變迴路，逆變器起振並 維持振蕩，同時檢測到工頻電流、振蕩電壓、振蕩電流信號反饋，將 移相電平穩定在一個電壓值。當逆變器起振成功後，通過信號繼電器KA0控制切換，將外部調功電位器RS2的設定值引入，控制功率的輸 出。圖4為逆變控制電路圖。逆變控制板提供IGBT電晶體的控制脈 衝以及相位控制，逆變控制電路的核心部分為鎖相技術及函數發生器 的應用，其用檢測到的振蕩電流信號作為初始相位信號，同時檢測振 蕩電路的電壓信號作為反饋信號，通過相位調整電路調整電壓及電流 的相位差，用以調整逆變器的工作效率，同時調整觸發脈衝的頻率， 以保證穩定跟隨負載的變化。電壓信號輸入到電阻Rl的一端，經取樣至比較器U1-LM311與 P0T1端的固定門限電壓進行比較，取出脈衝信號，經跟隨器U2-TL084 輸入到鎖相器U5-4046的比較端A，同時此脈衝信號又加到雙施密特 比較器U4-4583的AIN信號端；同樣電流信號輸入至電阻R7的一端， 經取樣至比較器U3-TL081與固定門限電壓進行比較，取出脈衝信號， 經跟隨器輸入到鎖相器U5-4046的比較端B，鎖相器的輸出信號與雙 施密特比較器U4-4583的輸出信號進行比較，將兩者的相位差經運放 變成反饋電壓信號，與由分壓電阻R51及調整電位器R50產生的初始 脈衝的電壓信號疊加，並輸入至函數發生器8038的電壓調頻控制端 7，由控制端3輸出的鋸齒波壓頻信號，經U10-TL081跟隨器將鋸齒 波壓頻信號傳輸至比較器U11-LM311的一端，輸出方波脈衝。此方波 脈衝經過U12-4001的轉化為兩路交叉脈衝，經U13-4049隔離輸出至 每隻IGBT的驅動板。實際輸出的脈衝頻率已經調整到負載的固有諧 振頻率的範圍內，能使逆變器穩定的工作。圖5為IGBT驅動電路。逆變控制板提供IGBT電晶體驅動脈衝信 號經光電隔離器TLP559隔離傳送到對稱功放管T1、 T2，經過大功率 MOS開關管放大，提供較大的驅動電流給IGBT管的門極，使IGBT管 在大電流輸出時有充足的開通能力。本發明中採用的IGBT電晶體為高壓、大電流、高速型的新一代 產品，使用獨特光電隔離驅動技術，釆用全集成化控制線路，數位化 程度高，具有控制精度高、可靠性強、調整方便等特點。控制系統實 行電壓、電流雙閉環調節，採用恆流工作方式，控制系統具有過壓、 過流、換相監控、頻率過高過低、多點電子溫度監控等多種保護功能， 實施微秒級監控並對設備實施保護。根據本發明的一個實施例，IGBT模塊採用的是SEIMIKON公司的 400A, 1700V的IGBT模塊，四隻模塊組成一組逆變橋路，採用兩組 橋並聯，能承受大的衝擊電流和輸出功率。正常工作時最大輸出直流
電壓為500伏，最大輸出直流電流400安培，輸出功率200KW。根據 負載感應器的直徑大小，調整負載耦合變壓器的匝比數及補償電容的 微法數，可以選擇8 30K赫茲的工作頻率，而IGBT電晶體變頻電源 的參數不需要作任何調整，即能跟隨負載振蕩器的變化穩定工作。本發明在感應加熱應用時必須有一個功率輸出負載， 一般採用的 並聯諧振的工作方式，即LC並聯諧振。其中C為功率補償電容器，L 為一個隔離耦合變壓器，且初級的電感可調。這種變壓器的磁芯釆用 特殊材料，工作頻率能夠含蓋中頻和超音頻的頻段。根據頻率的計算 公式，我們可以通過調整補償電容的微法數以及調整隔離耦合變壓器 的初級線圈的匝數，獲得所需要的工作頻率；同時由於在加熱的過程 中工件由冷態到熱態的變化，感抗也逐漸變小，工作頻率也會升高， 因此要求這種變頻電源有很寬的頻帶適應範圍。由於IGBT電晶體為一種壓控開關器件，只需要提供高低電平即 可以控制電晶體的導通和關斷，因此由控制線路產生一組方波脈衝， 經過相位調整及功率放大電路傳輸至電晶體的驅動脈衝板，來控制 IGBT電晶體的導通和截止。由於驅動脈衝的頻率跟隨負載振蕩器的 固有頻率的變化，始終保持一致，因此驅動脈衝的相位和振蕩器的振 蕩電流的相位是一致的。同時通過檢測振蕩器的振蕩電壓信號，形成 一路脈衝信號，與驅動脈衝的前一級信號進行相位比較，產生相位差 信號經調整運放反饋電路，傳輸至脈衝形成電路，調整輸出的脈衝的 頻率，保持振蕩器的振蕩電流和電壓的相位穩定，以保證逆變的效率 穩定。
權利要求
1、一種大功率電晶體變頻電源，其特徵在於它包括三相全橋整流模塊，與三相工頻交流電源連接，用於將三相工頻交流電整流成單相脈動直流電；平波濾波電路，與三相全橋整流模塊的輸出端連接，用於將單向脈動直流電轉換成恆定的直流電流源；逆變橋電路，與平波濾波電路連接，用於將直流電逆變成交流電；負載振蕩器，與逆變橋電路的輸出端連接，用於產生單相高頻交流電；保護電路，連接在平波濾波電路和逆變橋電路之間，用於在工作異常時，將平波濾波電路中的儲能快速釋放；整流控制電路，用於控制三相全橋整流模塊的整流工作；信號採集電路，對逆變橋電路的輸出端進行電流檢測和電壓檢測；逆變控制電路，將檢測到的電流信號作為初始信號，將檢測到的電壓信號作為反饋信號，經過處理後用於控制逆變橋電路；信號反饋電路，將檢測到的電流信號和電壓信號與工頻電流信號疊加後分別反饋給控制保護電路、整流控制電路和逆變控制電路。
2、 如權利要求1所述的大功率電晶體變頻電源，其特徵在於逆 變橋電路的電路如下所述第一快速二極體的正極與平波濾波電路的 正輸出端連接，第一快速二極體的負極與第一絕緣門極電晶體的漏極 連接，第一絕緣門極電晶體的源極與第三絕緣門極電晶體的漏極連 接，第三絕緣門極電晶體的源極與第三快速二極體的正極連接，第三 快速二極體的負極與平波濾波電路的負輸出端連接，第二快速二極體 的正極與平波濾波電路的正輸出端連接，第二快速二極體的負極與第 二絕緣門極電晶體的漏極連接，第二絕緣門極電晶體的源極與第四絕 緣門極電晶體的漏極連接，第四絕緣門極電晶體的源極與第四快速二 極管的正極連接，第四快速二極體的負極與平波濾波電路的負輸出端 連接，每個絕緣門極電晶體的柵極分別與一個驅動電路的輸出端連 接，第一 IGBT驅動電路的輸入端與逆變控制電路的相應輸出端連接。
3、 如權利要求2所述的大功率電晶體變頻電源，其特徵在於三 相全橋整流模塊的電路如下所述第一可控矽的正極與三相工頻交流 電源的第一輸入端連接，第三可控矽的正極與三相工頻交流電源的第 二輸入端連接，第五可控矽的正極與三相工頻交流電源的第三輸入端 連接，第一可控矽、第三可控矽和第五可控矽的負極相互連接並與平 波濾波電路的正輸入端連接，第二可控矽的負端與三相工頻交流電源 的第一輸入端連接，第四可控矽的負端與三相工頻交流電源的第一輸 入端連接，第六可控矽的負端與三相工頻交流電源的第一輸入端連 接，第二可控矽、第四可控矽和第六可控矽的負極相互連接並與平波 濾波電路的負輸入端連接，第一可控矽、第二可控矽、第三可控矽、 第四可控矽、第五可控矽和第六可控矽的控制端分別與整流控制電路 的輸出端連接。
4、 如權利要求3所述的大功率電晶體變頻電源，其特徵在於平 波濾波電路包括與三相全橋整流模塊正輸出端連接的第一平波濾波 電感，以及與三相全橋整流模塊負輸出端連接的第二平波濾波電感。
5、 如權利要求4所述的大功率電晶體變頻電源，其特徵在於其 中保護電路的電路如下第一二極體的正極與平波濾波電路正輸入端 連接，第一二極體的負極與限流電感的一端連接，限流電感的另一端 與保護可控矽的正極連接，保護可控矽的負極與平波濾波電路的負輸 入端連接，保護可控矽的控制端與信號反饋電路的輸出端連接。
6、 如權利要求5所述的大功率電晶體變頻電源，其特徵在於其 中負載振蕩器採用並聯諧振電路的工作方式，其電路如下補償電容 器的一端與第二絕緣門極電晶體的源極連接，補償電容器的另一端與 第一絕緣門極電晶體的源極連接，補償電容器的一端還與耦合輸出變 壓器的一個輸入端連接，補償電容器的另一端還與耦合輸出變壓器的 另一個輸入端連接，耦合輸出變壓器的輸出端與負載連接。
全文摘要
本發明公開了一種大功率電晶體變頻電源，主要由三相全橋整流電路、平波濾波電路、組合逆變橋電路以及控制保護電路等組成，與輸出功率用負載電路相聯接完成由三相工頻交流電轉換成直流電，再由直流電逆變成單相高頻率的交流電的過程。本發明的大功率電晶體變頻電源採用新型的大功率電力電子器件，保證變頻電源具有頻率使用範圍寬，輸出功率大、工作頻率高的特點，可以最大限度地滿足現代熱處理工藝要求。本發明的電晶體電源的工作頻率能覆蓋中頻和超音頻的頻段，不需專門的啟動線路，逆變效率高，因此應用的前景非常的廣泛。
文檔編號H02M7/5387GK101127490SQ20061002492
公開日2008年2月20日 申請日期2006年3月21日 優先權日2006年3月21日
發明者劉又紅, 江國清, 旭 韓, 高傳德 申請人:上海恆精機電設備有限公司