專(zhuān)利名稱(chēng)：用igbt串并聯(lián)混合來(lái)實(shí)現(xiàn)低紋波的直流穩(wěn)流電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于自動(dòng)控制技術(shù)和電力電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于大容量IGBT 器件的功率變換電路，具體說(shuō)是可用于對(duì)長(zhǎng)期電流穩(wěn)定度、電壓(電流)紋波、 響應(yīng)快速性、調(diào)節(jié)精度等性能有高要求的場(chǎng)合一種用IGBT (Insalated-Gate Bipolar Transistor,絕緣柵雙極晶體管)串并聯(lián)混合來(lái)實(shí)現(xiàn)低紋波的直流穩(wěn)流 電源。
背景技術(shù)：
在基礎(chǔ)科學(xué)研究、醫(yī)療衛(wèi)生、軌道交通、國(guó)防工業(yè)等重要領(lǐng)域，通常需要 用大電流的穩(wěn)流電源向磁鐵供給勵(lì)磁電流，這些應(yīng)用中都對(duì)磁場(chǎng)的穩(wěn)定度提出 了嚴(yán)格要求。要保證磁場(chǎng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定，就是要保證穩(wěn)流電源的輸出電流具有很 高的穩(wěn)定度和極低的電壓(電流)紋波。目前，已知的該類(lèi)電源一般多采用晶 閘管相控整流電源，它由晶閘管整流、無(wú)源濾波、調(diào)節(jié)控制等環(huán)節(jié)組成，這種 常規(guī)的電源具有容量大、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可控器件價(jià)格低和易實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)能量回 饋的特點(diǎn)。但交流電網(wǎng)電壓的不平衡、整流元件開(kāi)通/關(guān)斷特性的不一致、元器 件特性不理想等因素，均會(huì)產(chǎn)生非特征次電壓(電流)諧波，直接表現(xiàn)為輸出 電壓(電流)紋波大。若采用無(wú)源濾波器消除電壓(電流)特征和非特征次諧 波，會(huì)導(dǎo)致無(wú)源濾波器體積龐大，增加了電源的成本，并且會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性 能惡化。
為了解決晶閘管相控整流電源輸出電壓(電流)紋波大的問(wèn)題，己有的電 源產(chǎn)品多采用在主電路中串聯(lián)線性調(diào)整管(大功率三極管)的方法，圖1示出 了這種方法的電路簡(jiǎn)圖。圖1中，三相交流電源U、 V、 W經(jīng)進(jìn)線電抗器L1接到 三相晶閘管整流單元A1，整流輸出接濾波電感L2 (共模扼流線圈)之后接到電 容Cl兩端，電容C2和電阻Rl串連起來(lái)后和Cl并聯(lián)。L2、 Cl、 C2、 Rl組成無(wú) 源濾波器對(duì)三相整流的特征次諧波進(jìn)行濾波。Cl正端和線性調(diào)整管VI的集電極 c相連，VI的發(fā)射極e的導(dǎo)線穿過(guò)電流傳感器U1后和負(fù)載相連，負(fù)載的另一端 連接到Cl的負(fù)端。Ul輸出的電流反饋信號(hào)送入誤差放大器A2同電流給定基準(zhǔn) 信號(hào)進(jìn)行比較，A2的輸出信號(hào)連接到V1的基極b，驅(qū)動(dòng)線性調(diào)整管工作。VI工 作在線性區(qū)，相當(dāng)于一個(gè)可變電阻，無(wú)源濾波器之后的輸出電壓紋波靠線性調(diào)整管VI集電極c-發(fā)射極e的電壓降Vc;e吸收。其直流輸出電流由于輸入電壓升 高或負(fù)載阻抗減小而升高時(shí)，線性調(diào)整管V1基極電壓下降，其等效電阻阻值加
大，使輸出電流降低，從而保持電流反饋信號(hào)等于電流給定基準(zhǔn)信號(hào)。這種負(fù) 反饋控制在輸出電流由于輸入電壓下降或負(fù)載阻抗增加而下降時(shí)也同樣起作
用。此時(shí)，誤差放大器輸出會(huì)使VI基極電壓上升，集-射極電阻減小，直流輸
出電流升高，使電流反饋信號(hào)等于電流給定基準(zhǔn)信號(hào)。因此這類(lèi)電源的優(yōu)點(diǎn)是 紋波小、穩(wěn)定度高，缺點(diǎn)是線性調(diào)整管的功耗大、效率低、體積大、可靠性差。 另一種可行的辦法是采用有源濾波技術(shù)，可以有效Afe抵消特征和非特征次
諧波，圖2示出了這種方法的電路簡(jiǎn)圖。圖2中，三相交流電源U、 V、 W經(jīng)進(jìn) 線電抗器L3接到三相晶閘管整流單元A3，整流輸出接濾波電感L4 (共模扼流 線圈)之后接到電容C3兩端，電容C4和電阻R2串連起來(lái)后和C3并聯(lián)。L4、 C3、 C4、 R2組成無(wú)源濾波器對(duì)二相整流的特征次諧波進(jìn)行濾波。C3兩端還并聯(lián) 著有源濾波器(Active Filter,由IGBT單相全橋逆變電路組成)A4的輸出， 外接AC220V電源為A4供電。C3的正極的導(dǎo)線穿過(guò)電流傳感器U2后和負(fù)載相連， 負(fù)載的另一端連接到C3的負(fù)端。U2輸出的電流信號(hào)送入誤差放大器A5同電流 給定基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行比較，A5的輸出信號(hào)經(jīng)隔離、放大連接到A4中IGBT的柵極， 驅(qū)動(dòng)有源濾波器工作。該電路的工作原理是用電流傳感器U2采集直流輸出線 上的電流，將所得的電流信號(hào)進(jìn)行紋波分離處理，得到紋波參考信號(hào)，將此作 為P麗(Pulse Width Modulation,脈寬調(diào)制)的調(diào)制信號(hào)，與二角波相比較， 從而得到開(kāi)關(guān)信號(hào)，用此開(kāi)關(guān)信號(hào)去控制IGBT單相橋。根據(jù)P麗技術(shù)的原理， 將上下橋臂的開(kāi)關(guān)信號(hào)反接，就可得到與線上紋波信號(hào)大小相等、方向相反的 紋波電流，將線上的紋波電流抵消掉，這是前饋控制部分。如果需要進(jìn)一步提 高濾波效果，再將有源濾波器接入點(diǎn)后的線上電流的紋波分量反饋回來(lái)，作為 調(diào)節(jié)器的輸入，調(diào)整前饋控制的誤差。整個(gè)系統(tǒng)中有源濾波器A4和無(wú)源濾波器 配合使用，即無(wú)源濾波器進(jìn)行大容量的濾波補(bǔ)償，有源濾波器進(jìn)行微調(diào)，以進(jìn) 一步抑制輸出電壓(電流)紋波，達(dá)到最佳濾波的目的。但這種方案由于非特 征次諧波頻譜復(fù)雜，造成控制系統(tǒng)的選頻網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)計(jì)算困難，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試工作量 極大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是消除上述方案的缺點(diǎn)和不足，設(shè)計(jì)一種長(zhǎng)期電流穩(wěn)定度高、電壓(電流)紋波低、響應(yīng)快、調(diào)節(jié)精度高、體積小、效率高的用IGBT串并聯(lián)混 合來(lái)實(shí)現(xiàn)低紋波的直流穩(wěn)流電源。
為解決上述的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案
一種用IGBT串并聯(lián)混合來(lái)實(shí)現(xiàn)低紋波的直流穩(wěn)流電源，包括
用以衰減電網(wǎng)與電源對(duì)彼此的噪聲干擾的進(jìn)線濾波電路；
用以將進(jìn)線濾波電路處理過(guò)的電信號(hào)產(chǎn)生移相15°的移相電路；
用以將已移相的電信號(hào)整流濾波的輸入端整流濾波電路；
用以構(gòu)成兩路電壓源的儲(chǔ)能電路；
由儲(chǔ)能電路供電的前級(jí)降壓斬波電路；
用以抑制前級(jí)降壓斬波電路輸出紋波的前無(wú)源濾波電路；
由前無(wú)源濾波電路供電的后級(jí)降壓斬波電路；
用以抑制后級(jí)降壓斬波電路輸出紋波的后無(wú)源濾波電路；
用以抑制總輸出紋波的輸出端無(wú)源濾波電路；
用以對(duì)前級(jí)降壓斬波電路的輸出電壓取樣并反饋到前級(jí)降壓斬波電路的電 壓傳感器電路；
用以對(duì)后級(jí)降壓斬波電路的輸出電流取樣并反饋到后級(jí)降壓斬波電路的電 流傳感器電路；
用以對(duì)總輸出電流取樣并反饋到后級(jí)降壓斬波電路的電流傳感器電路； 用以控制整體電路工作的控制電路。
所述進(jìn)線濾波電路由分別與每一 電網(wǎng)線相接的濾波器組成。
所述輸入端整流濾波電路包括三相整流橋及濾波電感。
所述三相整流橋包括Al、 A2、 A3、 A4整流橋，其中Al、 A2串聯(lián)，A3、 A4 串聯(lián)分別構(gòu)成12脈波整流，從電網(wǎng)側(cè)觀察這兩個(gè)12脈波整流則是組成了 24脈 波整流。
所述前級(jí)降壓斬波電路采用降壓斬波電路橋式結(jié)構(gòu)，至少2個(gè)降壓斬波電 路并聯(lián)，每個(gè)降壓斬波電路的輸出端均與前無(wú)源濾波電路相接。 所述前無(wú)源濾波電路由高頻電感和濾波電容組成。
所述后級(jí)降壓斬波電路采用降壓斬波電路橋式結(jié)構(gòu)，至少2個(gè)降壓斬波電 路并聯(lián)，每個(gè)降壓斬波電路的輸出端均與后無(wú)源濾波電路相接。 所述后無(wú)源濾波電路輸出端設(shè)有電流傳感器。所述控制電路的輸入端與電流傳感器和電壓傳感器的輸出聯(lián)接，控制電路
的輸出分別聯(lián)接前級(jí)降壓斬波電路和后級(jí)降壓斬波電路中IGBT的柵極。
所述控制電路包括電流給定基準(zhǔn)，總電流閉環(huán)調(diào)節(jié)器，均流閉環(huán)調(diào)節(jié)器， 振蕩器，分頻一移相電路，脈沖形成電路，比例器，電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)器，三角波 發(fā)生電路，脈沖形成電路，減法器。
本發(fā)明可采用水冷卻或強(qiáng)迫風(fēng)冷，優(yōu)點(diǎn)在于本電il^長(zhǎng)期電流穩(wěn)定度高、
電壓(電流)紋波低、響應(yīng)快、調(diào)節(jié)精度高，其裝置的體積小、效率高、噪音 小。


圖1是已知的采用了晶閘管相控整流加串聯(lián)的線性調(diào)整管的大功率電源的
電路簡(jiǎn)圖2是已知的采用了晶閘管相控整流加有源濾波器的大功率電源的電路簡(jiǎn)
圖3為本發(fā)明的電路簡(jiǎn)圖4為本發(fā)明的控制電路方框圖。 .
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明 用IGBT串并聯(lián)混合來(lái)實(shí)現(xiàn)低紋波的直流穩(wěn)流電源，包括
用以衰減電網(wǎng)與電源對(duì)彼此的噪聲干擾的進(jìn)線濾波電路，進(jìn)線濾波電路由 進(jìn)線濾波器U11 U14構(gòu)成；
用以將進(jìn)線濾波電路處理過(guò)的電信號(hào)產(chǎn)生移相15°的移相電路；由變壓器
T1 T4副邊繞組彼此移相15° ;
用以將已移相的電信號(hào)整流濾波的輸入端整流濾波電路，包括三相整流器
Al、 A2串聯(lián)構(gòu)成12脈波整流，A3、 A4串聯(lián)也構(gòu)成12脈波整流，從電網(wǎng)側(cè)觀察 這兩個(gè)12脈波整流則是組成了 24脈波整流；
用以構(gòu)成兩路電壓源的儲(chǔ)能電路，由濾波電感L1、 L2，儲(chǔ)能電容C11 C14 一起構(gòu)成；
由儲(chǔ)能電路供電的前級(jí)降壓斬波電路，前級(jí)降壓斬波電路采用降壓斬波電 路橋式結(jié)構(gòu)，至少2個(gè)降壓斬波電路并聯(lián)；
用以抑制前級(jí)降壓斬波電路輸出紋波的前無(wú)源濾波電路，前無(wú)源濾波電路由高頻電感和濾波電容組成。
由前無(wú)源濾波電路供電的后級(jí)降壓斬波電路，后級(jí)降壓斬波電路采用降壓 斬波電路橋式結(jié)構(gòu)，至少2個(gè)降壓斬波電路并聯(lián)；
用以抑制后級(jí)降壓斬波電路輸出紋波的后無(wú)源濾波電路，后無(wú)源濾波電路 由高頻電感和濾波電容組成，后無(wú)源濾波電路輸出端設(shè)有電流傳感器。
用以抑制總輸出紋波的輸出端無(wú)源濾波電路，輸出端無(wú)源濾波電路由濾波
電感Lll、 L12，電容C9、 CIO，電阻R1構(gòu)成。
用以對(duì)前級(jí)降壓斬波電路的輸出電壓取樣并反饋到前級(jí)降壓斬波電路的電 壓傳感器電路；
用以對(duì)后級(jí)降壓斬波電路的輸出電流取樣并反饋到后級(jí)降壓斬波電路的電 流傳感器電路；
用以對(duì)總輸出電流取樣并反饋到后級(jí)降壓斬波電路的電流傳感器電路； 用以控制整體電路工作的控制電路。 .
在本發(fā)明中，進(jìn)線濾波器U11 U14用來(lái)衰減電網(wǎng)與電源對(duì)彼此的噪聲干擾。 變壓器T1 T4副邊繞組彼此移相15° ，三相整流器A1、 A2串聯(lián)構(gòu)成12脈波整 流，A3、 A4串聯(lián)也構(gòu)成12脈波整流，從電網(wǎng)側(cè)觀察這兩個(gè)12脈波整流則是組 成了24脈波整流，這將大大減少電網(wǎng)側(cè)交流輸入電流的諧波、提高功率因數(shù)， 從而減小整流電路對(duì)供電電網(wǎng)的干擾。三相整流器A1 A4和濾波電感L1、 L2， 儲(chǔ)能電容C11 C14 一起構(gòu)成兩路電壓源，為前級(jí)降壓斬波電路A5 A8供電。 前級(jí)降壓斬波電路采用Buck Chopper橋式結(jié)構(gòu)，4個(gè)Buck Chopper并聯(lián)，每個(gè) Buck Chopper的輸出端均接有高頻電感和濾波電容組成的無(wú)源濾波器，來(lái)濾除 降壓斬波電路的輸出紋波。如圖4所示，其輸出電壓由傳感器U7、 U8測(cè)量，分 別反饋到電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)器，從而抑制電網(wǎng)電壓波動(dòng)和三相整流器產(chǎn)生的低次諧 波對(duì)前級(jí)降壓斬波電路的輸出電壓的影響，保證了供給后級(jí)降壓斬波電路的電 壓源是高穩(wěn)定度的。
后級(jí)降壓斬波電路A9 A12也采用Buck Chopper橋式結(jié)構(gòu)，4個(gè)Buck Ch叩per并聯(lián)，每個(gè)Buck Chopper的輸出端均接有高頻電感和濾波電容組成的 無(wú)源濾波器，來(lái)濾除降壓斬波電路的輸出紋波。如圖4所示，其輸出電流由傳 感器U3、 U4、 U5、 U6測(cè)量，分別反饋到均流閉環(huán)調(diào)節(jié)器。因?yàn)?個(gè)均流閉環(huán)調(diào) 節(jié)器的給定值都來(lái)自總電流閉環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出，所以4個(gè)Buck Chopper都輸出相同大小的電流，具有很好的均流特性，避免了自然均流時(shí)功率器件容量的浪
費(fèi)，同時(shí)其響應(yīng)快、調(diào)節(jié)精度高。后級(jí)4個(gè)Buck Chopper利用移相倍頻控制技 術(shù)，輸出頻率是IGBT工作頻率的4倍。這樣可以減小輸出電壓(電流)紋波， 減輕無(wú)源濾波的負(fù)擔(dān)，提高電源調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。總電流閉環(huán)調(diào)節(jié)由專(zhuān)門(mén) 針對(duì)此類(lèi)電源的特點(diǎn)而設(shè)計(jì)的性能穩(wěn)定、低溫漂、高精度的電流負(fù)反饋閉環(huán)控 制器完成，使電源的輸出電流具有很高的穩(wěn)定度。，
這種兩級(jí)Buck Chopper串聯(lián)，多個(gè)Buck Chopper并聯(lián)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，前級(jí) 采用PID(Proportional-Integral-Differential,比例-積分-微分運(yùn)算)閉環(huán)電 壓控制，后級(jí)采用總電流和均流兩個(gè)電流閉環(huán)控制、倍頻P麗移相控制。前級(jí) Buck Chopper的作用是抑制電網(wǎng)電壓波動(dòng)和三相整流器產(chǎn)生的低次諧波對(duì)后級(jí) 電路的影響，保證供給后級(jí)降壓斬波電路的電壓源是高^(guò)l定度的，有利于減小 輸出電壓(電流)紋波。后級(jí)BuckCh叩per占空比被全程控制在85%以上，合 成輸出頻率達(dá)數(shù)十千赫茲。本發(fā)明的輸出電流長(zhǎng)期穩(wěn)定度《士1X10—4/8小時(shí)， 輸出電壓紋波《士1X10—3。
圖3所示為本發(fā)明的電路原理圖。它包括進(jìn)線斷路器Q、進(jìn)線濾波器Ull、 U12、 U13、 U14，移相變壓器Tl、 T2、 T3、 T4，三相整流橋Al、 A2、 A3、 A4， 濾波電感L1、L2，儲(chǔ)能電容C11、C12、C13、C14，前級(jí)降壓斬波電路(Buck Chopper) A5、 A6、 A7、 A8 (由IGBT和二極管組成)，前級(jí)高頻電感L3、 L4、 L5、 L6，前 級(jí)濾波電容C1、C2、C3、C4，電壓傳感器U7、U8，后級(jí)降壓斬波電路(Buck Chopper) A9、 A10、 All、 A12 (由IGBT和二極管組成)，后級(jí)高頻電感L7、 L8、 L9、 L10， 后級(jí)濾波電容C5、 C6、 C7、 C8，電流傳感器U3、 U4、 U5、 U6，輸出濾波電感Lll、 L12，輸出端無(wú)源濾波器C9、 C10、 Rl，電流傳感器Ul和負(fù)載Load、控制電路1。
它們之間的連接關(guān)系是三相電源U、 V、 W經(jīng)三相斷路器Q接入進(jìn)線濾波 器U11 U14，其后分別連接到移相變壓器T1 T4的原邊，移相變壓器副邊(彼 此移相15° )分別接入三相整流橋A1 A4。
Al的輸出正端接濾波電感Ll，輸出負(fù)端和A2的輸出正端相連，A2的輸出 負(fù)端和儲(chǔ)能電容Cll、 C12的負(fù)端相連，Cll、 C12的正端和濾波電感L1的另一 端相連。并聯(lián)在儲(chǔ)能電容Cll、 C12后面的是前級(jí)降壓斬波電路A5、 A6 (由IGBT 和—極管組成)。A5輸出的正端接高頻電感L3，輸出的負(fù)端接濾波電容C1的負(fù) 端，Cl的正端和高頻電感L3的另一端相連。A6輸出的正端接高頻電感L4，輸出的負(fù)端接濾波電容C2的負(fù)端，C2的正端和高頻電感L4的另一端相連。Cl、 C2并聯(lián)起來(lái)，其兩端接電壓傳感器U7，再接后級(jí)降壓斬波電路A9、 A10 (由IGBT 和二極管組成)。A9輸出的正端接高頻電感L7，輸出的負(fù)端接濾波電容C5的負(fù) 端，C5的正端和高頻電感L7的另一端相連，然后用引出導(dǎo)線穿過(guò)電流傳感器 U3接輸出濾波電感Lll。 A10輸出的正端接高頻電感L8，輸出的負(fù)端接濾波電 容C6的負(fù)端，C6的正端和高頻電感L8的另一端相連，然后用引出導(dǎo)線穿過(guò)電 流傳感器U4接輸出濾波電感Lll。
和上述電路的結(jié)構(gòu)相同，A3的輸出正端接濾波電感L2，輸出負(fù)端和A4的 輸出正端相連，A4的輸出負(fù)端和儲(chǔ)能電容Q3、 C14的負(fù)端相連，C13、 C14的 正端和濾波電感L2的另一端相連。并聯(lián)在儲(chǔ)能電容Q3、 C14后面的是前級(jí)降 壓斬波電路A7、 A8 (由IGBT和二極管組成)。A7輸出的正端接高頻電感L5，輸 出的負(fù)端接濾波電容C3的負(fù)端，C3的正端和高頻電感L5的另一端相連。A8輸 出的正端接高頻電感L6，輸出的負(fù)端接濾波電容C4的負(fù)端，C4的正端和高頻 電感L6的另一端相連。C3、 C4并聯(lián)起來(lái)，其兩端接電壓傳感器U8，再接后級(jí) 降壓斬波電路All、 A12 (由IGBT和二極管組成)。All輸出的正端接高頻電感 L9，輸出的負(fù)端接濾波電容C7的負(fù)端，C7的正端和高頻電感L9的另一端相連， 然后用引出導(dǎo)線穿過(guò)電流傳感器U5接輸出濾波電感L12。 A12輸出的正端接高 頻電感LIO，輸出的負(fù)端接濾波電容C8的負(fù)端，C8的正端和高頻電感L10的另 一端相連，然后用引出導(dǎo)線穿過(guò)電流傳感器U6接輸出濾波電感L12。
Lll、 L12的輸出并聯(lián)后接電容C9的正端，C5、 C6、 C7、 C8的負(fù)端并聯(lián)起 來(lái)后接電容C9的負(fù)端。電容C10和電阻R1串連起來(lái)后和C9并聯(lián)，構(gòu)成無(wú)源濾 波器。C9的正極的導(dǎo)線穿過(guò)電流傳感器U1后和負(fù)載相連，負(fù)載的另一端連接到 C9的負(fù)端。電流傳感器U1、 U3、 U4、 U5、 U6和電壓傳感器U7、 U8的輸出都聯(lián) 接到控制電路1，控制電路1的輸出分別聯(lián)接前級(jí)降壓斬波電路A5、 A6、 A7、 A8和后級(jí)降壓斬波電路A9、 AIO、 All、 A12中IGBT的柵極。
參見(jiàn)圖4，控制電路1包括電流給定基準(zhǔn)32，總電流閉環(huán)調(diào)節(jié)器2，均流閉 環(huán)調(diào)節(jié)器3、 4、 5、 6，振蕩器7，分頻一移相電路8，脈沖形成電路9、 10、 11、 12，比例器17，電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)器18、 19，三角波發(fā)生電路20，脈沖形成電路 21、 22，減法器25、 26、 27、 28、 29、 30、 31。
它們之間的連接關(guān)系是電流給定基準(zhǔn)32的輸出端分別接在比例器17的輸入端和減法器25的正輸入端，電流傳感器Ul的輸出端接在減法器25的負(fù)輸 入端，減法器25的輸出端接在總電流閉環(huán)調(diào)節(jié)器2的輸入端，總電流閉環(huán)調(diào)節(jié) 器2的輸出端分別接減法器26、 27、 28、 29的正輸入端，電流傳感器U3、 U4、 U5、 U6的輸出端依次分別接在減法器26、 27、 28、 29的負(fù)輸入端，減法器26、 27、 28、 29的輸出端依次分別接在均流閉環(huán)調(diào)節(jié)器3、 4、 5、 6的輸入端，均流 閉環(huán)調(diào)節(jié)器3、 4、 5、 6的輸出端依次分別接在脈沖形成電路9、 10、 11、 12的 一個(gè)輸入端。振蕩器7的輸出端接在分頻一移相電路8的輸入端，分頻—移相 電路8的四個(gè)輸出端依次分別接在脈沖形成電路9、 10、 11、 12的另一個(gè)輸入 端。脈沖形成電路9、 10、 11、 12的輸出端依次分別接在后級(jí)降壓斬波電路A9、 AIO、 All、 A12中IGBT的柵極。
比例器17的輸出端分別接在減法器30、 31的正輸入端，電壓傳感器U7、 U8的輸出端依次分別接在減法器30、 31的負(fù)輸入端，減法器30、 31的輸出端 依次分別接在電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)器18、 19的輸入端，電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)器18、 19的輸 出端依次分別接在脈沖形成電路21、 22的一個(gè)輸入端。三角波發(fā)生電路20的 輸出端分別接在脈沖形成電路21、 22的另一個(gè)輸入端，'脈沖形成電路21、 22 的輸出端依次分別接在前級(jí)降壓斬波電路A5、 A6、 A7、 A8中IGBT的柵極。
本發(fā)明的工作原理是進(jìn)線濾波器U11 U14用來(lái)衰減電網(wǎng)與電源對(duì)彼此的 噪聲干擾。變壓器T1 T4副邊繞組彼此移相15° ，三相整流器A1、 A2串聯(lián)構(gòu) 成12脈波整流，A3、 A4串聯(lián)也構(gòu)成12脈波整流，從電網(wǎng)側(cè)觀察這兩個(gè)12脈波 整流則是組成了24脈波整流，這將大大減少電網(wǎng)側(cè)交流輸入電流的諧波、提高 功率因數(shù)，從而減小整流電路對(duì)供電電網(wǎng)的干擾。三相整流器A1 A4和濾波電 感L1、 L2，儲(chǔ)能電容C11 C14一起構(gòu)成兩路電壓源，為前級(jí)降壓斬波電路A5 A8供電。
前級(jí)降壓斬波電路采用Buck Chopper橋式結(jié)構(gòu)，四個(gè)Buck Chopper并聯(lián)， 每個(gè)Buck Ch叩per的輸出端均接有高頻電感和濾波電容組成的無(wú)源濾波器，來(lái) 濾除降壓斬波電路的輸出紋波。如圖4所示，其輸出電壓由電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)器18、 19控制，正是通過(guò)這種電壓負(fù)反饋PID閉環(huán)控制，抑制了電網(wǎng)電壓波動(dòng)和三相 整流器產(chǎn)生的低次諧波對(duì)后級(jí)降壓斬波電路的影響，保證了供給后級(jí)降壓斬波 電路的電壓源是高穩(wěn)定度的。
對(duì)于后級(jí)降壓斬波電路，用高精度電流傳感器Ul采集直流輸出線上的電流，將所得的信號(hào)送入總電流閉環(huán)PID調(diào)節(jié)器，同電流給定基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行比較?？?br> 電流閉環(huán)PID調(diào)節(jié)器的輸出作為均流閉環(huán)PI (Proportional-Integral,比例-積 分運(yùn)算)調(diào)節(jié)器的參考信號(hào)，電流傳感器U3、 U4、 U5、 U6輸出的電流信號(hào)分別 作為均流閉環(huán)PI調(diào)節(jié)器的反饋信號(hào)，與參考信號(hào)進(jìn)行比較。均流閉環(huán)PI調(diào)節(jié) 器的輸出接入脈沖形成電路，作為脈寬調(diào)制的調(diào)制信號(hào)，與四路彼此相移為1/4 周期的三角波相比較，從而得到四路PWM信號(hào)，用此四路PWM信號(hào)去控制后級(jí) 降壓斬波電路中的IGBT進(jìn)行斬波。該四路P麗信號(hào)的占空比被全程控制在85 %以上，合成輸出頻率達(dá)數(shù)十千赫茲。 '
用上述方法產(chǎn)生的四路P麗信號(hào)彼此相移為1/4周期，若每路P麗信號(hào)的 頻率為10kHz，則圖3中在C9正端疊加得到的開(kāi)關(guān)頻率為40kHz，這種方法被 稱(chēng)為移相倍頻控制技術(shù)。因?yàn)樗穆稰麗信號(hào)彼此相移為1/4周期，而在疊加點(diǎn)呈 四倍頻率，這樣就增加了輸出電壓的脈動(dòng)數(shù)，而減小了輸出電壓(電流)紋波， 加快了電源的調(diào)節(jié)響應(yīng)速度。因?yàn)楸额l技術(shù)的應(yīng)用，無(wú)源濾波器的工作頻率得 到大幅度的提高(如從每路的10kHz增加到輸出端的40kHz)。根據(jù)電磁學(xué)知識(shí) 可知，這樣既降低了無(wú)源濾波器的容量，又減小了其體積。
同時(shí)，本發(fā)明對(duì)四路后級(jí)降壓斬波電路的輸出電流由傳感器U3、 U4、 U5、 U6進(jìn)行測(cè)量，分別反饋到均流閉環(huán)調(diào)節(jié)器。因?yàn)?個(gè)均流閉環(huán)調(diào)節(jié)器的給定值 都來(lái)自總電流閉環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出，所以4個(gè)Buck Chopper都輸出相同大小的電 流，具有很好的均流特性，這樣有利于充分發(fā)揮每個(gè)Buck Chopper橋的輸出能 力，避免自然均流時(shí)功率器件容量的浪費(fèi)，降低了采購(gòu)成本，同時(shí)其響應(yīng)快、 調(diào)節(jié)精度高。對(duì)于功率較大的電源裝置，IGBT開(kāi)通關(guān)斷會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的輻射干擾 和傳導(dǎo)干擾，這給系統(tǒng)的電磁兼容設(shè)計(jì)提出了嚴(yán)格要求。本發(fā)明在裝置的結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)中使主功率電路的儲(chǔ)能電容、IGBT等均壓接在疊層銅母排下，且進(jìn)、出線 母排也疊層行線，從而有效減小了線路雜散電感，減弱了高頻電流的趨膚效應(yīng) 和鄰近效應(yīng)，減小了傳導(dǎo)干擾和輻射干擾。
控制電路工作原理是
首先，電流給定基準(zhǔn)32的信號(hào)送入比例器17,比例器17的輸出信號(hào)被分 別送入減法器30、 31，與電壓傳感器U7、 U8輸出的信號(hào)進(jìn)行比較，得到一誤差 信號(hào)，將該誤差信號(hào)用電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)器18、 19放大，然后送入脈沖形成電路21、 22和三角波發(fā)生電路20的輸出信號(hào)進(jìn)行比較，形成P麗信號(hào)，將該P(yáng)麗信號(hào)聯(lián)接到前級(jí)降壓斬波電路A5、 A6、 A7、 A8中IGBT的柵極，驅(qū)動(dòng)前級(jí)降壓斬波電 路工作。
振蕩器7產(chǎn)生一高頻時(shí)鐘信號(hào)，經(jīng)分頻一移相電路8處理成四路彼此相移 為1/4周期的三角波。電流給定基準(zhǔn)32的信號(hào)送入減法器25，與電流傳感器 Ul輸出的信號(hào)進(jìn)行比較，得到一誤差信號(hào)，將該誤差信號(hào)用總電流閉環(huán)調(diào)節(jié)器 2放大，然后分別送入減法器26、 27、 28、 29，與電流傳感器U3、 U4、 U5、 U6 輸出的信號(hào)進(jìn)行比較，得到四個(gè)誤差信號(hào)，將該四個(gè)誤差信號(hào)分別用均流閉環(huán) 調(diào)節(jié)器3、 4、 5、 6放大，然后分別送入脈沖形成電路9、 10、 11、 12，。和前述 四路彼此相移為1/4周期的三角波進(jìn)行比較，形成P麵信號(hào)，將該P(yáng)麗信號(hào)聯(lián) 接到后級(jí)降壓斬波電路A9、 AIO、 All、 A12中IGBT的li極，驅(qū)動(dòng)前級(jí)降壓斬波 電路工作。
當(dāng)直流輸出電流由于輸入電壓升高或負(fù)載阻抗減小而升高時(shí)，總電流閉環(huán) 調(diào)節(jié)器的輸出減小，均流閉環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出也減小，P麵信號(hào)的脈寬減小使輸出 電壓下降、輸出電流降低，從而保持電流反饋信號(hào)等于電流給定基準(zhǔn)信號(hào)。這 種負(fù)反饋控制在輸出電流由于輸入電壓下降或負(fù)載阻抗增加而下降時(shí)也同樣起 作用。此時(shí)，總電流閉環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出增大，均流閉環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出也增大， PWM信號(hào)的脈寬增大使輸出電壓上升、輸出電流增大，從而保持電流反饋信號(hào)等 于電流給定基準(zhǔn)信號(hào)?？傠娏鏖]環(huán)調(diào)節(jié)由專(zhuān)門(mén)針對(duì)此類(lèi)電源的特點(diǎn)而設(shè)計(jì)的性 能穩(wěn)定、低溫漂、高精度的電流負(fù)反饋閉環(huán)控制器完成，使電源的輸出電流具 有很高的穩(wěn)定度。
權(quán)利要求
1、一種用IGBT串并聯(lián)混合來(lái)實(shí)現(xiàn)低紋波的直流穩(wěn)流電源，其特征在于，所述電源包括用以衰減電網(wǎng)與電源對(duì)彼此的噪聲干擾的進(jìn)線濾波電路；用以將進(jìn)線濾波電路處理過(guò)的電信號(hào)產(chǎn)生移相15°的移相電路；用以將已移相的電信號(hào)整流濾波的輸入端整流濾波電路；用以構(gòu)成兩路電壓源的儲(chǔ)能電路；由儲(chǔ)能電路供電的前級(jí)降壓斬波電路；用以抑制前級(jí)降壓斬波電路輸出紋波的前無(wú)源濾波電路；由前無(wú)源濾波電路供電的后級(jí)降壓斬波電路；用以抑制后級(jí)降壓斬波電路輸出紋波的后無(wú)源濾波電路；用以抑制總輸出紋波的輸出端無(wú)源濾波電路；用以對(duì)前級(jí)降壓斬波電路的輸出電壓取樣并反饋到前級(jí)降壓斬波電路的電壓傳感器電路；用以對(duì)后級(jí)降壓斬波電路的輸出電流取樣并反饋到后級(jí)降壓斬波電路的電流傳感器電路；用以對(duì)總輸出電流取樣并反饋到后級(jí)降壓斬波電路的電流傳感器電路；用以控制整體電路工作的控制電路。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用IGBT串并聯(lián)混合來(lái)實(shí)現(xiàn)、低紋波的直流穩(wěn)流 電源，其特征在于，所述進(jìn)線濾波電路由分別與每一電網(wǎng)線相接的濾波器組成。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用IGBT串并聯(lián)混合來(lái)實(shí)現(xiàn)、低紋波的直流穩(wěn)流 電源，其特征在于，所述輸入端整流濾波電路包括三相整流橋及濾波電感。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的用IGBT串并聯(lián)混合來(lái)實(shí)現(xiàn)、低紋波的直流穩(wěn)流 電源，其特征在于，所述三相整流橋包括A1、 A2、 A3、 A4整流橋，其中A1、 A2 串聯(lián)，A3、 A4串聯(lián)分別構(gòu)成12脈波整流，從電網(wǎng)側(cè)觀察這兩個(gè)12脈波整流則 是組成了 24脈波整流。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用IGBT串并聯(lián)混合來(lái)實(shí)現(xiàn)、低紋波的直流穩(wěn)流 電源，其特征在于，所述前級(jí)降壓斬波電路采用降壓斬波電路橋式結(jié)構(gòu)，至少2 個(gè)降壓斬波電路并聯(lián)，每個(gè)降壓斬波電路的輸出端均與前無(wú)源濾波電路相接。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用IGBT串并聯(lián)混合來(lái)實(shí)現(xiàn)、低紋波的直流穩(wěn)流 電源，其特征在于，所述前無(wú)源濾波電路由高頻電感和濾波電容組成。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用IGBT串并聯(lián)混合來(lái)實(shí)現(xiàn)、低紋波的直流穩(wěn)流 電源，其特征在于，所述后級(jí)降壓斬波電路采用降壓斬波電路橋式結(jié)構(gòu)，至少2 個(gè)降壓斬波電路并聯(lián)，每個(gè)降壓斬波電路的輸出端均與后無(wú)源濾波電路相接。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用IGBT串并聯(lián)混合來(lái)實(shí)現(xiàn)、低紋波的直流穩(wěn)流 電源，其特征在于，所述后無(wú)源濾波電路輸出端設(shè)有電流傳感器。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用IGBT串并聯(lián)混合來(lái)實(shí)現(xiàn)、低紋波的直流穩(wěn)流 電源，其特征在于，所述控制電路的輸入端與電流傳感器和電壓傳感器的輸出 聯(lián)接，控制電路的輸出分別聯(lián)接前級(jí)降壓斬波電路和后級(jí)降壓斬波電路中IGBT 的柵極。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1或9所述的用IGBT串并聯(lián)混合來(lái)實(shí)現(xiàn)、低紋波的直流 穩(wěn)流電源，其特征在于，所述控制電路包括電流給定基準(zhǔn)(32)，總電流閉環(huán)調(diào) 節(jié)器(2)，均流閉環(huán)調(diào)節(jié)器(3)、 (4)、 (5)、 (6)，振蕩器(7)，分頻一移相電 路(8)，脈沖形成電路(9)、 (10)、 (11)、 (12)，比例器(17)，電壓閉環(huán)調(diào)節(jié) 器(18)、 (19)，三角波發(fā)生電路(20)，脈沖形成電路(21)、 (22)，減法器(25)、(26)、 (27)、 (28)、 (29)、 (30)、 (31)。
全文摘要
一種用IGBT串并聯(lián)混合來(lái)實(shí)現(xiàn)低紋波的直流穩(wěn)流電源，屬于自動(dòng)控制技術(shù)和電力電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于大容量IGBT器件的功率變換電路，包括進(jìn)線濾波電路、移相電路；輸入端整流濾波電路；儲(chǔ)能電路；前級(jí)降壓斬波電路；前無(wú)源濾波電路；后級(jí)降壓斬波電路；后無(wú)源濾波電路；輸出端無(wú)源濾波電路；電壓傳感器電路；電流傳感器電路；用以控制整體電路工作的控制電路。本發(fā)明可采用水冷卻或強(qiáng)迫風(fēng)冷，優(yōu)點(diǎn)在于本電源長(zhǎng)期電流穩(wěn)定度高、電壓(電流)紋波低、響應(yīng)快、調(diào)節(jié)精度高，其裝置的體積小、效率高、噪音小。
文檔編號(hào)G05F1/10GK101414788SQ20081023238
公開(kāi)日2009年4月22日 申請(qǐng)日期2008年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月25日
發(fā)明者丁軍懷, 黨懷東, 吳保寧, 燕偉康, 王有云, 石立峰, 馬紅霞 申請(qǐng)人:天水電氣傳動(dòng)研究所有限責(zé)任公司