大功率变频可调电源的设计与实现

正弦脉宽调制和变频调速技术在工业控制领域的应用日见广泛。许多电力测试仪器都要求大功率、高性能以满足电力设备的测试要求。目前，市场上的大功率开关电源，其核心功率器件大都采用MOSFET半导体场效应晶体管和双极型功率晶体管，它们都不能满足小型、高频、高效率的要求。本文介绍了用正弦脉宽调制（SPWM）技术实现调频调幅输出的串联谐振式电源的工作原理。该电源采用了IGBT模块构成的半桥逆变电路，它具有IGBT驱动、过压、过流、过热保护及故障锁定功能。 【大功率变频可调电源的设计与实现】 随着工业控制领域的发展，正弦脉宽调制（SPWM）技术和变频调速技术的应用越来越广泛。这些技术在电力测试仪器中的需求日益增长，要求电源具备大功率和高性能。然而，目前市场上的大功率开关电源主要依赖于MOSFET和双极型功率晶体管，但它们无法同时满足小型化、高频化和高效化的标准。针对这一问题，本文提出了一种采用正弦脉宽调制技术的串联谐振式电源，该电源的核心是IGBT模块组成的半桥逆变电路。 IGBT，即绝缘栅双极型功率晶体管，结合了MOSFET的电压型控制和双极型晶体管的电流驱动能力，拥有高速开关、低输入阻抗、小驱动功率以及高工作频率的优势。因此，使用IGBT作为逆变元件，可以实现高效率、高性能和小体积的电源设计。 电源的工作原理主要包括高频逆变、数字信号发生器、SPWM调制和串联谐振输出。通过数字信号发生器生成的正弦波被25kHz的三角波调制，产生SPWM波形，进而驱动IGBT。通过调整正弦波的频率和幅度，可以实现调频调幅输出。逆变输出的串联谐振式设计能够滤除高频载波，提供所需频率的纯净正弦波。同时，电源还配备了时序控制电路，确保上电时的电流平滑，防止非零点开关带来的冲击，并具备故障锁定功能，一旦发生故障，会立即阻止IGBT的开通，保护电源免受损害。 控制与驱动电路部分，主要由主控电路（包括SPWM波形产生、占空比调节和故障锁定）和IGBT驱动模块组成。驱动电路采用三菱公司的EXB840，这款驱动模块适用于驱动高容量的IGBT，具有微秒级的延迟，适合高速开关操作。在实际应用中，需要确保栅射极回路的连接长度不超过1M，并使用绞线进行驱动连接。 逆变与缓冲电路采用了半桥结构的串联谐振逆变，这种设计可以有效处理IGBT开关动作时产生的浪涌尖峰电压。缓冲电路的设计至关重要，它能降低线路杂散电感引起的电流突变（di/dt），保护IGBT免受损害。在VT2开通时，缓冲电容C1通过VT1的反并联二极管VD1、VT2和缓冲电阻R2放电，减小线路杂散电感电流IL和di/dt的影响。而VT1关闭时，缓冲二极管VD1导通，将线路杂散电感的储能转移到缓冲电路中，防止Uce的显著上升。 在选择缓冲元件时，需要考虑开关频率、开关电流上升时间和最大开关电流等因素。电容应选用高耐压产品，二极管应选择快恢复二极管以提高性能，而电阻则需使用无感电阻以减少损耗。 这种大功率变频可调电源已在大功率电力测试仪器中得到成功应用，相较于传统方法，它能提供更高的测量精度，提升工作效率，增强安全性，并降低劳动强度。