一种采用智能功率模块的调压调频高压电源

图1　系统要求的输出波形

1　系统结构

　　系统结构见图2。其主回路为交流—直流—交流的电压型变频电路，由调压模块、低频整流滤波模块、IPM逆变模块、中频滤波模块、中频变压器隔离升压模块以及中频高压整流模块等组成。

图2　系统结构框图

　　控制系统采用8031单片微机和PWM专用控制芯片SG3524。单片机系统对系统电路中出现的过压、过流及短路等故障进行检测和控制，若系统出现故障，单片机立即发出故障信号封锁PWM芯片SG3524的输出，并显示故障标志。PWM芯片SG3524输出一对互补的脉宽调制信号，经过光耦隔离后形成两对互补的脉宽调制信号去触发IPM。
2　控制电路

2.1　软启动调压单元
　　如图3，其工作过程为：当电源开关S1接通时，将调压旋钮回零，内部控制电路使输出开关S2自动接通，此时，调压旋钮再离开零位时，S2由一保持控制系统使其仍保持闭合，故输入电压经调压模块后能够正常输出。若电源开关S1接通时，调压旋钮没有回零，控制系统将使输出开关S2处于断开状态。使调压模块没有电压输出，可防止调压旋钮没有回零而电源突然开通时产生的过大电流对电路的冲击。

图3　软启动调压示意图

2.2　脉宽调制电路
　　采用Silion General公司生产的PWM芯片SG3524。此芯片内部具有5 V、50 mA的基准电压及短路保护电压稳压器，为内部电路提供电源及外部基准。它还提供了一个稳定的振荡器，其频率由外接电阻R和外接电容C设置，f=1.1/RC。SG3524的输出级为NPN晶体管，能提供100 mA的最大电流及相位差为180°的信号，不允许集电极和发射极开路。其输出脚12，13分开使用时，输出脉冲的占空比为0～45%，脉冲频率等于振荡器频率的1/2，并且这两路脉冲相位差180°。当关断端10脚加高电平时，可实现对输出脉冲的封锁。
　　由以上原理，设计了一个简单实用的脉宽调制电路(见图4)。R为芯片内部振荡器频率的调节电阻。将SG3524芯片内部误差放大器接成射极跟随器的形式，即将1脚和9脚相连，则补偿端9(即误差放大器和限流放大器的输出端)的电压与输入端2的电压相同。从基准电压端16脚通过调节R_p获一理想的电平信号(这需要和IPM输出的滤波环节协调操作，以获得理想的正弦波输出)，将此信号加到SG3524的2脚上，与SG3524内部产生的锯齿波调制信号比较后，得到一对反相的脉宽调制信号，再经光耦隔离得出所要的四路脉宽调制信号。

图4　脉宽调制电路

　　SG3524的控制输入端是一个可调的电平信号，通过与逆变器输出滤波环节的协调，能得到较理想的正弦波，此方法简单实用。若采用正弦波与SG3524内部的锯齿波调制产生脉冲，因比较器存在抖动问题，输出脉冲的波形将不稳定。要得到稳定的波形，须附设去抖电路，实施较复杂。
　　R3=10 kΩ，R_p＝20 kΩ时，输出电压波形比较理想。输出电压波形主要取决于频率的变化，实验发现，在设定参数下，系统工作频率8～10 kHz范围内对输出电压波形的影响不明显。
　　实验证明，这种采用协调控制端输入电平和逆变器输出滤波环节电感电容的方法简便有效。

3　控制电路与智能功率模块IPM的连接

　　IPM智能功率模块选用三菱公司生产的PM10CSJ060。其最高工作电压为600 V，最大电流为10 A，工作频率为5～20 kHz，由两个单元构成。其内部直接集成了高速、低功耗的IGBT芯片和优化的栅极驱动与保护电路，可以连续、自动地监测功率器件的电流，实现高速的过流保护和短路保护。其内部还直接集成了欠压和过热保护电路。
　　注意到此模块的输入端与输出端之间没有完全隔离，其控制端各相电源应相互独立(即Vupl, Vvpl, Vwpl, Vnl应接独立的电源)。
　　PWM脉宽调制信号与PM10CSJ060的连接见图5。PM10CSJ060内部有6个IGBT单元，因制作单相电源，只需4个单元即可。选用了U、V两相的控制输入与输出端。图中2脚(U_FO)、6脚(V_FO)和18脚(F_O)为故障输出信号(即过流、短路、欠压和过热等)，将这些信号送入8031单片机中。当故障发生时，8031单片机将显示故障标志并立即封锁PWM芯片SG3524的输出，起到快速保护的作用。

图5　脉宽调制信号与PM10CSJ060的连接图

4　故障报警电路

　　如图6，因8031内部无程序存储器，其P0和P2口只能作地址总线用，外接程序存储器，不能作为普通的I/O口使用。输入的故障信号有两类：一类是主回路过压过流信号，另一类是智能功率模块的故障信号(短路、过流、欠压、过热等)。当单片机检测到有故障信号时，将立即封锁SG3524的触发输出(在SG3524的第10脚加一个高电平即可)，同时输出声光报警，为了保证系统的可靠性，应将主回路的输入电压切断，查出故障并排除后，再接通主回路。

图6　单片机组成的故障报警电路

5　输出回路

　　IPM输出电压经过L和C滤波后送到中频变压器TP升压，再经全波整流后送往负载。为了使输出波形达到要求(如图1的波形)，在输出端并联一个电阻R₀，其阻值应选择合适。若R₀很大，将导致放电时间常数R₀C₀(C₀为输出端分布电容)很大，使得输出电压不能降到零，而形成了一个如图7所示的波形。若R₀太小，会导致R₀上消耗的功率过大。当负载电阻较小时，R₀可去掉。

图7　电阻R₀很大时的输出电压波形

6　仪器性能及结论

　　由上述原理和方法，制作了一台单相调压调频高压电源，其主要技术指标如下：
　　输入电压：50 Hz,AC200～240 V。
　　输出电压、频率：单相正弦半波(见图8)电压峰值0～10 kV可调；频率8～10 kHz可调。

图8　电阻R₀合适时输出电压波形

　　过载能力：120%，10 min。
　　负载性质：很小的电容或很大的电阻。
　　使用环境：温度为-10～+35℃，相对湿度<85%。
　　此电源具有性能稳定、控制简单、操作方便和成本低等优点，使用效果良好。■

作者简介：吴为民　1942年生，1964年西安交通大学毕业，教授，从事电压技术研究。
作者单位：吴为民(大连理工大学　大连　116023)
　　　　　夏勇(大连理工大学　大连　116023)
　　　　　许东卫(大连理工大学　大连　116023)
　　　　　孙建军(大连理工大学　大连　116023)

参考文献：

［1］吴保芳，罗文杰，姚国顺等.通用型IGBT变频电源的研制.电力电子技术，1998，(4)：51
［2］陈特放，黄志武，蒋新华等.50 kVA IPM变频调速系统.电力电子技术，1998，(4)：75
［3］三菱电机.第三代IGBT和智能功率模块应用手册.1996
［4］张立，赵永健.现代电力电子技术.北京：科学出版社，1995