基于串联谐振式IGBT逆变的变频电源技术作者：微叶科技 时间：2015-05-19 15:56
图1-1 串联谐振式逆变电源的主电路
串联谐振式逆变电源的功率控制多采用调压调功的方式，主要有晶闸管可控整流和二极管直流斩波两种调压调功方式。下面分别予以介绍。晶闸管可控整流串联谐振式JGBT逆变的变频电源的廉睦悟如图1-2所示。从图中可以看出，该变频电源主要由晶闸管可控整流电路、LC滤波电路、IGBT逆变电路、串联谐振型负载电路和控制电路组成。Vr1-Vr6为晶闸管可控整流电路，Vz为续流二极管。Lz和Cz组成滤波电路。整流滤波电路输出的直流电压作为IGBT逆变电流的直流侧输入电压。Vl -V4组成IGBT 全桥逆变电路，Vl-l ~V4-l为各IGBT 体内的反并联二极管，(Rs1、Csl、V1-2) ~ (Rs4、Cs4、V4-2)组成RCD缓冲电路。Ro（等效负载电阻）与Lo、Co组成串联谐振电路，其中Lo还包括变压器 T的漏感。 控制电路的主要功能是稳定输出电压（电流或功率）和频率自动跟踪。稳定输出电压（电流或功率）已在前面各章中做过详细描述，这里重点介绍频率自动跟踪的问题。 频率自动跟踪的目的是实现负载谐振频率与驱动脉冲频率的同步。锁相环技术常用于频率自动跟踪，锁相环电路的原理框图如图1-3所示。图中，输入信号（驱动脉冲）频率?r与输出信号频率?a在相位比较器中进行比较，得到频率为△?＝∣?r—?o∣的电压信号，该电压信号与△?成比例关系，在它通过低通滤波器后，将其△?附近的其他频率信号抑制掉，减小了对压控振荡器的干扰，使压控振荡器的输出信号频率精确跟踪输人信号频率，从而实现输出信号与输入信号频率相等，锁相电路处于锁定状态。 
图1-2 晶闸管可控整流串联谐振式IGBT逆变的变频电源的原理图
图1-4为基于集成锁相环CD4046B的频率跟踪电路的原理框图。图中点画线内的CD4046B锁相环与图1-3中的锁相环电路的结构和作用相同。在图1-4所示的系统采用电流互感器进行负载电流检测，负载谐振频率为?r，与压控振荡器输出频率?o比较，在锁相环锁定时， ?o与?r相等。
图1-3 锁相环电路的原理框图
图1-4 基于集成锁相环CD4046B的频率跟踪电路的原理框图
集成锁相环CD4046B的内部原理图如图1-5所示。图中，PC1和PC2是两个独立的签相。其中PC1是异或门鉴相器，而PC2是边沿触发型鉴相器。PC2 由受逻辑门控制的4个边沿触发器和三态输出电路组成。由于PC2 鉴相器有非常高的增益，能保证输出信号与输入信号严格同步，其最大锁定范围与输入信号波形的占空比无关，应用PC2 鉴相器可以做到锁相环路捕捉范围与低通滤波器的RC时间常数无关，一般可以做到锁定范围等于捕捉范围。利用鉴相器PC2可以做到锁相环输出信号与输入信号的频率跟踪。
图1-5 CD4046B的内部原理图
压控振荡器(VCO)的输出信号频率除与其输入信号电压有关外，还与引脚6与引脚7之问外接电容Cl以及接在引脚12上的电阻Ri和接在引脚11上的电阻R2有关。其最高输出频率?max和最低输出频率?min分别为
 引脚l（相位脉冲输出端）的功能是指示输入和输出信号之间的锁定状态，当两信号处于锁定状态时，引脚1输出高电平。 图1-6给出了变频器频率跟踪控制电路的原理图。 
图1-6 变频器频率跟踪控制电路的原理图
图1-2所示的晶闸管整流串联谐振式IGBT逆变的变频电源是通过调节晶闸管的导通角来实现调压调功的。其主要缺点是输入电流波形失真严重，电流谐波成分很大，对电网有严重的污染，且输入功率因数很低。另外，系统的动态响应慢，使其应用受到 限制。而二极管整流直流斩波串联谐振式IGBT逆变的变频电源可以克服以上缺点，从而得到广泛的应用。二极管整流直流斩波串联谐振式IGBT逆变的变频电源的原理框图如图1-7所示。图1-8为二极管整流直流斩波串联谐振式IGBT逆变电源主电路的原理图。从图1-8与图1-2的比较中可以看出，除了二极管整流直流斩波取代了晶闸管可控整流以外，两者基本是相同的。图1-8中的Vz、VZ-1、V0和Cz1组成直流斩波电路。 
图1-7 二极管整流直流斩波串联谐振式IGBT逆变的变频电源的原理框图
图1-8 二极管整流直流斩波串联谐振式IGBT逆变电源主电路的原理图
图1-9为直流斩波调压控制电路的原理图。图的ICIA构成F-I调节器，RP1用于调节IP调节器的参数。ICIB构成PID调节器，RP2用于调节ICIB的输出电压，RP3用于限制最大输出电压，控制TL494(IC2)的输入电压范围。TL494是一种PWM 电源集成电路，其输出的PWM脉冲通过驱动电路(EXB841)，驱动图1-8中的Vz。
图1-9 直流斩波调压控制电路的原理图
图1-10为变频器频率跟踪控制 电路的原理图。图中的电流采样信号来自检测谐振回路电流的电流互感器，经Cl和R2组成的超前相位补偿电路，送至零电压比较器 ICI进行比较。IC1输出的方波脉冲信号的频率与谐振回路电流信号的频率相同。IC1的输出经IC2和IC3组成的倍频电路后，IC3 D(引脚11)输出两倍于谐振频率的窄脉冲信号，通过IC4 (SG3525)的SYNC端（引脚3）控制SG3525的引脚14 (OutB）)和引脚11( OutA)输出驱动脉冲，经驱动电路驱动图1-8中的IGBT开关管Vl～V4。这样，驱动信号频率完全由谐振回路电流的频率所决定，从而达到频率跟踪的目的。但是，二极管整流直流斩波串联谐振式IGBT逆变的变频电源也有不足之处。即直流斩波电路处于硬开关工作状态，开关损耗的增加，影响了电源效率的提高。 除上述的调压调功电路和频率跟踪电路以外，目前广泛采用的电路结构还有PFM调频控制电路和PWM移相调频调功控制电路等。图1-11和图1-12分别给出了这两种控制电路的原理图。 
图1-10 变频器频率跟踪控制电路的原理图
图1-11PFM调频控制电路的原理图
图1-12 PWM移相调频调控制电路的原理图
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