采用IGBT的正弦波中频逆变电源

耗不随温度正比增加，正温度特性曲线。鉴于此，选用西门康公司的SKM系列IGBT作为逆变电源的主功率开关器件。为充分利用IGBT的优良性能，保证系统能安全可靠地工作，驱动电路也选用西门康公司的SKHI系列驱动器。该系列驱动器只需一个非隔离的＋15V电源；具有高dv/dt容量；保护功能完善；故障记忆，通过ERROR信号告知控制系统；上下互锁，避免同一桥臂两只IGBT同时开通；栅极电阻外部可调，使得使用不同功率容量的IGBT时都能工作于较高的开关频率，并得到高的转换效率。

作为电压型控制的IGBT不需要栅极驱动电流，但由于栅极输入端有一个大电容，使在驱动时形成一很窄的脉冲栅极驱动电流，且IGBT容量越大，该脉冲电流的峰值越大，例如，200A/1200V的IGBT的开通电流的脉冲峰值约达到1.5A。SKHI驱动器既能承受这种高峰值栅极电流又不降低VGE。为?高开通和关断速度，减少驱动器损耗，SKHI驱动器的输出级采用MOSFET对管以减少连接线路上的电阻。影响开关速度的另一个重要因素是栅极电阻R_G，减小R_G可以降低IGBT的开关损耗，但由于杂散电感的存在，使得IGBT关断时的集射极间的尖峰电压增大，SKHI驱动器将R_G分成R_GON和R_GOFF（见图3），这样两个参数可分别控制，并可根据IGBT容量的不同，分别调整R_GON和R_GOFF，以获得最佳驱动效果。

图3 SKHI的输出级

过流保护是驱动电路具有的重要功能之一，SKHI采用监测IGBT集射极电压V_CE来测控过流，原理图见图4。V_CE测控电路同时监视栅极输入信号和集射极电压，当输入信号为高电位，并且在3～5μs后，V_CE较正常饱和值（3.5～5.5V）高，则认为过流，关断脉冲信号，给出故障报警信号。这是一种较先进的过流测控方式。

图4 SKHI的短路测控原理图

SKHI驱动器是针对IGBT和MOS特性而设计的，是性能较为完善的一种驱动器。

1.4 辅助控制电路

辅助控制电路的作用是根据主控电路发出的控制信号，依次控制接触器K₂，K₃，K₄的吸合及分断，保证主电路依正确的顺序加电，在保护电路工作时切断主电路的供电电源。辅助控制电路还为风扇提供电源。

1.5 显示及按键控制电路

显示及按键控制电路的功能是在主控电路的控制下，显示系统的工作状态，如电压、电流、频率等，并可通过按键改变输出电压的幅度（改变范围为额定输出电压的±10％）和输出电压的频率（400Hz±30Hz）。当系统出现故障时对故障进行显示和报警，报警信号包括过流、过载、短路、过热、输入过压欠压、驱动报警等。

1.6 软件控制

在算法上采用SPWMT和PID算法以及模糊控制逻辑、动态查表法，使系统响应更快，保护功能更强，可靠性大大提高。

1.7 其他

采用关键器件降额设计，软启动设计、自动保护设计等措施，保证电路在环境应力较大的情况下能可靠工作；采用可靠性热设计、三防处理、结构件加固处理等办法，保证产品在恶劣的气候应力和机械应力条件下的可靠性；对于舰载装备配套的本产品，采用复合型减震器和导向件结构，保证产品的抗冲击、抗振动性能。强化产品的绝缘设计，确保产品的安全性。

2 实用效果

根据上述正弦波中频逆变电源方案，已成功开发出系列正弦波中频逆变电源，经实测在额定负载时输出正弦波的失真度3％，MTBF>20000h，各项技术指标均达到设计要求。通过了海装电子部组织的专家鉴定，还通过了中国电子产品可靠性与环境试验研究所质量检测中心（即信息产为部五所）的可靠性和电磁兼容性鉴定、环境试验检测。电源经海军多个部队和基地、军工单位、研究所的实际使用，取得了令人满意的效果。

3 结语

1）大功率IGBT因具有工作频率较高，驱动电路功率小，工作损耗小等优点，加之有专用的驱动电路可使驱动电路的设计简化，可靠性提高，因此，可方便地用于变频电源中。

2）在正弦波逆变电源系统中应用16位单片机87C196MC来产生系统所需的SPWM脉冲信号，是非常方便实用的，可使硬件电路大大简化，可靠性提高，同时可利用单片机的强大控制功能，实时地对系统的关键器件和关键参数进行监控，实现对系统工作状态的自诊断。

3）大功率IGBT逆变器的保护电路设计对其可靠工作具有非常重要的作用，应充分重视。IGBT模块的吸收电容C3及C4须选用低感电容，如聚丙烯电容或类似的低介电损耗膜的电容，安装时应尽可能地靠近模块。

4）正弦波逆变电源输出正弦波的失真度与输出滤波器的参数有密切关系，设计中应合理地选取滤波器的截止频率，并照顾逆变电源最高输出频率的需要，滤波电感及电容应满足

f_c=

式中：f_c为滤波器的截止频率，取值为最高输出频率的5～10倍。