專利名稱：一種大功率晶體管變頻電源的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種電源，特別涉及一種大功率晶體管變頻電源。
技術背景隨著現代電力電子元器件制造工藝和技術的不斷進步和提高，一種全新的開關器件正在得到廣泛的應用，特別是在感應加熱領域的應用，使得金屬材料及部件的熱處理技術得到很大的提高，這種開關器件就是絕緣門極晶體管，簡稱IGBT。這種器件具有輸入阻抗高、開關速度快、熱穩定性好、驅動電路簡單的特點，又具有通態電壓低、耐壓高和承受大電流的特點，在現代逆變技術中得到廣泛的應用。本實用新型涉及的主要是金屬材料的表面熱處理技術領域，要求感應加熱設備具有輸出頻率高、輸出功率大且輸出效率高的特點，而且要求啟動的成功率為100%。傳統的晶閘管變頻電源需要設置專門的啟動線路，需要強制換流且開關時間長，開關損耗大，效率低，開關頻率低(不超過8000赫茲)，啟動成功率不高，不能滿足現代金屬熱處理工藝的要求。另外一種傳統的電子管超音頻電源設備由于效率低、能耗大、輸出為高電壓危險程度高，正在逐步被更新換代。
發明內容本實用新型的目的是提供一種能夠克服以上缺陷的大功率晶體管變頻電源。為了實現上述目的，本實用新型的技術方案是一種大功率晶體管變頻電源，其特征在于，其包括與三相工頻交流電源連接，用于將三相工頻交流電整流成單相脈動直流電的三相全橋整流模塊；與三相全橋整流模塊的輸出端連接，用于將單向脈動直流電轉換成恒定的直流電流源的平波濾波電路；與平波濾波電路連接，用于將直流電逆變成交流電的逆變橋電路；與逆變橋電路的輸出端連接，用于產生單相高頻交流電的負載振蕩器；連接在平波濾波電路和逆變橋電路之間，用于在工作異常時，將平波濾波電路中的儲能快速釋放的保護電路；用于控制三相全橋整流模塊的整流工作的整流控制電路；對逆變橋電路的輸出端進行電流檢測和電壓檢測的信號采集電路；將檢測到的電流信號作為初始信號，將檢測到的電壓信號作為反饋信號，經過處理后用于控制逆變橋電路的逆變控制電路；將檢測到的電流信號和電壓信號與工頻電流信號疊加后分別反饋給控制保護電路、整流控制電路和逆變控制電路的信號反饋電路。進一步地，所述的逆變橋電路的電路如下所述第一快速二極管的正極與平波濾波電路的正輸出端連接，第一快速二極管的負極與第一絕緣門極晶體管的漏極連接，第一絕緣門極晶體管的源極與第三絕緣門極晶體管的漏極連接，第三絕緣門極晶體管的源極與第三快速二極管的正極連接，第三快速二極管的負極與平波濾波電路的負輸出端連接，第二快速二極管的正極與平波濾波電路的正輸出端連接，第二快速二極管的負極與第二絕緣門極晶體管的漏極連接，第二絕緣門極晶體管的源極與第四絕緣門極晶體管的漏極連接，第四絕緣門極晶體管的源極與第四快速二極管的正極連接，第四快速二極管的負極與平波濾波電路的負輸出端連接，每個絕緣門極晶體管的柵極分別與一個驅動電路的輸出端連接，第一 IGBT驅動電路的輸入端與逆變控制電路的相應輸出端連接。進一步地，所述的三相全橋整流模塊的電路如下所述第一可控硅的正極與三相工頻交流電源的第一輸入端連接，第三可控硅的正極與三相工頻交流電源的第二輸入端連接，第五可控硅的正極與三相工頻交流電源的第三輸入端連接，第一可控硅、第三可控硅和 第五可控硅的負極相互連接并與平波濾波電路的正輸入端連接，第二可控硅的負端與三相工頻交流電源的第一輸入端連接，第四可控硅的負端與三相工頻交流電源的第一輸入端連接，第六可控硅的負端與三相工頻交流電源的第一輸入端連接，第二可控硅、第四可控硅和第六可控硅的負極相互連接并與平波濾波電路的負輸入端連接，第一可控硅、第二可控硅、第三可控硅、第四可控硅、第五可控硅和第六可控硅的控制端分別與整流控制電路的輸出端連接。進一步地，所述的平波濾波電路包括與三相全橋整流模塊正輸出端連接的第一平波濾波電感，以及與三相全橋整流模塊負輸出端連接的第二平波濾波電感。進一步地，所述的保護電路的電路如下第一二極管的正極與平波濾波電路正輸入端連接，第一二極管的負極與限流電感的一端連接，限流電感的另一端與保護可控硅的正極連接，保護可控硅的負極與平波濾波電路的負輸入端連接，保護可控硅的控制端與信號反饋電路的輸出端連接。進一步地，所述的負載振蕩器采用并聯諧振電路的工作方式，其電路如下補償電容器的一端與第二絕緣門極晶體管的源極連接，補償電容器的另一端與第一絕緣門極晶體管的源極連接，補償電容器的一端還與耦合輸出變壓器的一個輸入端連接，補償電容器的另一端還與耦合輸出變壓器的另一個輸入端連接，耦合輸出變壓器的輸出端與負載連接。本實用新型的大功率晶體管變頻電源采用新型的大功率電力電子器件，保證變頻電源具有頻率使用范圍寬，輸出功率大、工作頻率高的特點，可以最大限度地滿足現代熱處理工藝要求。本實用新型的晶體管電源的工作頻率能覆蓋中頻和超音頻的頻段，不需專門的啟動線路，逆變效率高，因此應用前景非常廣泛。
以下結合附圖
和具體實施方式
來詳細說明本實用新型。圖I為本實用新型一實施例的電路框圖；圖2為其中整流控制電路的電路圖；圖3為信號反饋電路的電路圖；圖4為逆變控制電路的電路圖；圖5為IGBT驅動電路。
具體實施方式
為了使本實用新型實現的技術手段、創作特征、達成目的與功效易于明白了解，下面結合具體圖示，進一步闡述本實用新型。一種大功率晶體管變頻電源，其特征在于它包括三相全橋整流模塊2，與三相工頻交流電源I連接，用于將三相工頻交流電整流成單相脈動直 流電；平波濾波電路3，與三相全橋整流模塊2的輸出端連接，用于將單向脈動直流電轉換成恒定的直流電流源；逆變橋電路4，與平波濾波電路3連接，用于將直流電逆變成交流電；負載振蕩器5，與逆變橋電路
4的輸出端連接，用于產生單相高頻交流電；保護電路6，連接在平波濾波電路3和逆變橋電路4之間，用于在工作異常時，將平波濾波電路3中的儲能快速釋放；整流控制電路7，用于控制三相全橋整流模塊2的整流工作；信號采集電路8，對逆變橋電路4的輸出端進行電流檢測和電壓檢測；逆變控制電路9，將檢測到的電流信號作為初始信號，將檢測到的電壓信號作為反饋信號，經過處理后用于控制逆變橋電路4 ;信號反饋電路10，將檢測到的電流信號和電壓信號與工頻電流信號疊加后分別反饋給控制保護電路6、整流控制電路7和逆變控制電路9。其中三相全橋整流模塊2的電路如下所述第一可控硅SCRl的正極與三相工頻交流電源I的第一輸入端A連接，第三可控硅SCR3的正極與三相工頻交流電源I的第二輸入端B連接，第五可控硅SCR5的正極與三相工頻交流電源I的第三輸入端C連接，第一可控硅SCRl、第三可控硅SCR3和第五可控硅SCR5的負極相互連接并與平波濾波電路3的正輸入端連接，第二可控硅SCR2的負端與三相工頻交流電源I的第一輸入端A連接，第四可控硅SCR4的負端與三相工頻交流電源I的第一輸入端B連接，第六可控硅SCR6的負端與三相工頻交流電源I的第一輸入端C連接，第二可控硅SCR2、第四可控硅SCR4和第六可控硅SCR6的負極相互連接并與平波濾波電路3的負輸入端連接，第一可控硅SCR1、第二可控硅SCR2、第三可控硅SCR3、第四可控硅SCR4、第五可控硅SCR5和第六可控硅SCR6的控制端分別與整流控制電路7的輸出端連接。其中平波濾波電路3包括與三相全橋整流模塊正輸出端連接的第一平波濾波電感LI，以及與三相全橋整流模塊負輸出端連接的第二平波濾波電感L2。其中逆變橋電路4的電路圖如下所述第一快速二極管Dl的正極與平波濾波電路3的正輸出端連接，第一快速二極管Dl的負極與第一絕緣門極晶體管Vl的漏極連接，第一絕緣門極晶體管Vl的源極與第三絕緣門極晶體管V3的漏極連接，第三絕緣門極晶體管V3的源極與第三快速二極管D3的正極連接，第三快速二極管D3的負極與平波濾波電路3的負輸出端連接，第二快速二極管D2的正極與平波濾波電路3的正輸出端連接，第二快速二極管D2的負極與第二絕緣門極晶體管V2的漏極連接，第二絕緣門極晶體管V2的源極與第四絕緣門極晶體管V4的漏極連接，第四絕緣門極晶體管V4的源極與第四快速二極管D4的正極連接，第四快速二極管D4的負極與平波濾波電路3的負輸出端連接，每個絕緣門極晶體管的柵極分別與一個IGBT驅動電路11的輸出端連接，每個IGBT驅動電路11的輸入端與逆變控制電路9的相應輸出端連接。其中保護電路6的電路如下第五二極管D5的正極與平波濾波電路3正輸入端連接，第五二極管D5的負極與限流電感L3的一端連接，限流電感L3的另一端與保護可控硅SCR7的正極連接，保護可控硅SCR7的負極與平波濾波電路3的負輸入端連接，保護可控硅SCR7的控制端與信號反饋電路10的輸出端連接。其中負載振蕩器5采用并聯諧振電路的工作方式，其電路如下補償電容器C的一端與第二絕緣門極晶體管V2的源極連接，補償電容器C的另一端與第一絕緣門極晶體管Vl的源極連接，補償電容器C的一端還與耦合輸出變壓器T的一個輸入端連接，補償電容器C的另一端還與耦合輸出變壓器T的另一個輸入端連接，耦合輸出變壓器T的輸出端與負載連接。其中信號采集電路8的電路如下電流互感器12與逆變橋電路4的輸出端相耦合，電流互感器12的輸出端連接到信號反饋電路10，信號采集變壓器13的輸入端與逆變橋電路4的輸出端相連接，信號采集變壓器13的輸出端與信號反饋電路10連接。其中圖I為主電路框圖。三相工頻交流電I的A、B、C輸送到三相全橋整流模塊回路2整流后，變成單相脈動直流電，經平波濾波電感LI、L2后變成恒定的直流電流源，輸送至逆變橋電路4，通過負載振蕩器，逆變成單相高頻交流電，并通過耦合輸出變壓器T，將高頻電能傳輸至所需要加熱的零件上。逆變橋電路4由四只IGBT (VI、V2、V3、V4)組成，每只IGBT的橋臂上都串聯有一只快速二極管，每一只IGBT都有一套驅動電路11，驅動電路11的輸入端與逆變控制電路9的相應輸出端連接，驅動電路11的輸出端與IGBT的柵極連接。其中Vl和V4的脈沖同相位，V2和V3的脈沖同相位。由逆變控制電路9分別控制V1/V4和V2/V3的交替導通工作，就將直流電變成交流電。在每個橋臂兩端都并聯有阻容吸收回路，以吸收IGBT關斷時由寄生電感產生的浪涌電壓。在平波電感L1、L2后的直流電兩端并聯有一直流保護回路6，由限流電感L3，整流二極管D5以及保護可控硅組成。當逆變回路工作異常時，及時停機并將平波電感L1、L2中的儲能快速泄放掉，以防止逆變器件因過壓而損壞。圖2為整流電路控制原理圖。三相交流電A、B、C經三只同步變壓器取樣出同步電壓信號，傳輸至三只可控硅集成脈沖控制電路芯片KJ004的同步電壓取樣輸入端，輸出六路單脈沖信號傳輸至脈沖合成電路芯片KJ041輸入端，疊加形成六路雙窄脈沖，經功放三極管放大后傳輸至觸發脈沖變壓器，以控制整流可控硅的導通工作。整流橋的輸出直流電壓的高低由可控硅的導通角的大小來決定，而導通角的大小由可控硅集成脈沖控制電路芯片KJ004的第四引腳的輸入電平-移相電平S2來控制。移相電平S2由信號反饋電路給出，主要由設置在控制柜外端的調功電位器來決定，同時引入電壓、電流反饋，以保持整流橋輸出的穩定。圖3為信號反饋電路圖。整流橋前端的工頻電流信號經電流互感器起出后經過全橋整流，經取樣電阻Rl輸出電壓信號，經過運放TL084的U1A、UlB電處理傳輸至加法器電阻R13的一端。 振蕩器的振蕩電壓信號經電壓互感器取出后經過全橋整流，經過濾波電容Cl傳輸電阻R4、R8后，再次經濾波電容C4濾波取樣電阻R9后，將電壓信號傳輸至加法器電阻RlO的一端。振蕩器的振蕩電流信號經電流互感器12取出后經過全橋整流，經取樣電阻R6輸出電壓信號，經過運放電路TL084的U1C、UlD處理傳輸至加法器電阻R18的一端。同時電流反饋信號經傳輸電阻R30輸出到逆變控制電路9。[0043]起始電流的大小由一電壓調整電路給出，由信號繼電器KAO控制接通，經分壓電阻R21與調整電位器RSl構成分壓器，所取出的電壓經過運放TL084的U2C、U2D電路處理傳輸至加法器電阻R29的一端。當整流回路開始工作時，由這個調整好的給定電壓發出一定大小的移相電平，整流器工作并提供正的直流電壓給逆變回路，逆變器起振并維持振蕩，同時檢測到工頻電流、振蕩電壓、振蕩電流信號反饋，將移相電平穩定在一個電壓值。當逆變器起振成功后，通過信號繼電器KAO控制切換，將外部調功電位器RS2的設定值引入，控制功率的輸出。圖4為逆變控制電路圖。逆變控制板提供IGBT晶體管的控制脈沖以及相位控制，逆變控制電路的核心部分為鎖相技術及函數發生器的應用，其用檢測到的振蕩電流信號作為初始相位信號，同時檢測振蕩電路的電壓信號作為反饋信號，通過相位調整電路調整電壓及電流的相位差，用以調整逆變器的工作效率，同時調整觸發脈沖的頻率，以保證穩定跟隨負載的變化。電壓信號輸入到電阻Rl的一端，經取樣至比較器U1-LM311與POTl端的固定門限電壓進行比較，取出脈沖信號，經跟隨器U2-TL084輸入到鎖相器U5-4046的比較端A，同時此脈沖信號又加到雙施密特比較器U4-4583的AIN信號端；同樣電流信號輸入至電阻R7的一端，經取樣至比較器U3-TL081與固定門限電壓進行比較，取出脈沖信號，經跟隨器輸入到鎖相器U5-4046的比較端B，鎖相器的輸出信號與雙施密特比較器U4-4583的輸出信號進行比較，將兩者的相位差經運放變成反饋電壓信號，與由分壓電阻R51及調整電位器R50產生的初始脈沖的電壓信號疊加，并輸入至函數發生器8038的電壓調頻控制端7，由控制端3輸出的鋸齒波壓頻信號，經U10-TL081跟隨器將鋸齒波壓頻信號傳輸至比較器U11-LM311的一端，輸出方波脈沖。此方波脈沖經過U12-4001的轉化為兩路交叉脈沖，經U13-4049隔離輸出至每只IGBT的驅動板。實際輸出的脈沖頻率已經調整到負載的固有諧振頻率的范圍內，能使逆變器穩定的工作。圖5為IGBT驅動電路。逆變控制板提供IGBT晶體管驅動脈沖信號經光電隔離器TLP559隔離傳送到對稱功放管Tl、T2，經過大功率MOS開關管放大，提供較大的驅動電流給IGBT管的門極，使IGBT管在大電流輸出時有充足的開通能力。本實用新型中采用的IGBT晶體管為高壓、大電流、高速型的新一代產品，使用獨特光電隔離驅動技術，采用全集成化控制線路，數字化程度高，具有控制精度高、可靠性強、調整方便等特點。控制系統實行電壓、電流雙閉環調節，采用恒流工作方式，控制系統具有過壓、過流、換相監控、頻率過高過低、多點電子溫度監控等多種保護功能，實施微秒級監控并對設備實施保護。根據本實用新型的一個實施例，IGBT模塊采用的是SEMIK0N公司的400A，1700V的IGBT模塊，四只模塊組成一組逆變橋路，采用兩組橋并聯，能承受大的沖擊電流和輸出功率。正常工作時最大輸出直流電壓為500伏，最大輸出直流電流400安培，輸出功率200KW。根據負載感應器的直徑大小，調整負載耦合變壓器的匝比數及補償電容的微法數，可以選擇8 30K赫茲的工作頻率，而IGBT晶體管變頻電源的參數不需要作任何調整，即能跟隨負載振蕩器的變化穩定工作。本實用新型在感應加熱應用時必須有一個功率輸出負載，一般米用的并聯諧振的工作方式，即LC并聯諧振。其中C為功率補償電容器，L為一個隔離耦合變壓器，且初級的電感可調。這種變壓器的磁芯采用特殊材料，工作頻率能夠含蓋中頻和超音頻的頻段。根據頻率的計算公式，我們可以通過調整補償電容的微法數以及調整隔離耦合變壓器的初級線圈的匝數，獲得所需要的工作頻率；同時由于在加熱的過程中工件由冷態到熱態的變化，感抗也逐漸變小，工作頻率也會升高，因此要求這種變頻電源有很寬的頻帶適應范圍。由于IGBT晶體管為一種壓控開關器件，只需要提供高低電平即可以控制晶體管的導通和關斷，因此由控制線路產生一組方波脈沖，經過相位調整及功率放大電路傳輸至晶體管的驅動脈沖板，來控制IGBT晶體管的導通和截止。由于驅動脈沖的頻率跟隨負載振蕩器的固有頻率的變化，始終保持一致，因此驅動脈沖的相位和振蕩器的振蕩電流的相位是一致的。同時通過檢測振蕩器的振蕩電壓信號，形成一路脈沖信號，與驅動脈沖的前一級信號進行相位比較，產生相位差信號經調整運放反饋電路，傳輸至脈沖形成電路，調整輸出的脈沖的頻率，保持振蕩器的振蕩電流和電壓的相位穩定，以保證逆變的效率穩定。以上顯示和描述了本實用新型的基本原理、主要特征和本實用新型的優點。本行業的技術人員應該了解，本實用新型不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本實用新型的原理，在不脫離本實用新型精神和范圍的前提下本實用新型還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本實用新型范圍內。本實用新型要求保護范圍由所附的權利要求書及其等同物界定。
權利要求1.一種大功率晶體管變頻電源，其特征在于，其包括 與三相工頻交流電源連接，用于將三相工頻交流電整流成單相脈動直流電的三相全橋整流模塊； 與三相全橋整流模塊的輸出端連接，用于將單向脈動直流電轉換成恒定的直流電流源的平波濾波電路； 與平波濾波電路連接，用于將直流電逆變成交流電的逆變橋電路； 與逆變橋電路的輸出端連接，用于產生單相高頻交流電的負載振蕩器； 連接在平波濾波電路和逆變橋電路之間，用于在工作異常時，將平波濾波電路中的儲能快速釋放的保護電路； 用于控制三相全橋整流模塊的整流工作的整流控制電路； 對逆變橋電路的輸出端進行電流檢測和電壓檢測的信號采集電路； 將檢測到的電流信號作為初始信號，將檢測到的電壓信號作為反饋信號，經過處理后用于控制逆變橋電路的逆變控制電路； 將檢測到的電流信號和電壓信號與工頻電流信號疊加后分別反饋給控制保護電路、整流控制電路和逆變控制電路的信號反饋電路。
2.如權利要求I所述的大功率晶體管變頻電源，其特征在于，逆變橋電路的電路如下所述第一快速二極管的正極與平波濾波電路的正輸出端連接，第一快速二極管的負極與第一絕緣門極晶體管的漏極連接，第一絕緣門極晶體管的源極與第三絕緣門極晶體管的漏極連接，第三絕緣門極晶體管的源極與第三快速二極管的正極連接，第三快速二極管的負極與平波濾波電路的負輸出端連接，第二快速二極管的正極與平波濾波電路的正輸出端連接，第二快速二極管的負極與第二絕緣門極晶體管的漏極連接，第二絕緣門極晶體管的源極與第四絕緣門極晶體管的漏極連接，第四絕緣門極晶體管的源極與第四快速二極管的正極連接，第四快速二極管的負極與平波濾波電路的負輸出端連接，每個絕緣門極晶體管的柵極分別與一個驅動電路的輸出端連接，第一 IGBT驅動電路的輸入端與逆變控制電路的相應輸出端連接。
3.如權利要求2所述的大功率晶體管變頻電源，其特征在于，三相全橋整流模塊的電路如下所述第一可控硅的正極與三相工頻交流電源的第一輸入端連接，第三可控硅的正極與三相工頻交流電源的第二輸入端連接，第五可控硅的正極與三相工頻交流電源的第三輸入端連接，第一可控硅、第三可控硅和第五可控硅的負極相互連接并與平波濾波電路的正輸入端連接，第二可控硅的負端與三相工頻交流電源的第一輸入端連接，第四可控硅的負端與三相工頻交流電源的第一輸入端連接，第六可控硅的負端與三相工頻交流電源的第一輸入端連接，第二可控硅、第四可控硅和第六可控硅的負極相互連接并與平波濾波電路的負輸入端連接，第一可控硅、第二可控硅、第三可控硅、第四可控硅、第五可控硅和第六可控硅的控制端分別與整流控制電路的輸出端連接。
4.如權利要求3所述的大功率晶體管變頻電源，其特征在于，平波濾波電路包括與三相全橋整流模塊正輸出端連接的第一平波濾波電感，以及與三相全橋整流模塊負輸出端連接的第二平波濾波電感。
5.如權利要求4所述的大功率晶體管變頻電源，其特征在于，其中保護電路的電路如下第一二極管的正極與平波濾波電路正輸入端連接，第一二極管的負極與限流電感的一端連接，限流電感的另一端與保護可控硅的正極連接，保護可控硅的負極與平波濾波電路的負輸入端連接，保護可控硅的控制端與信號反饋電路的輸出端連接。
6.如權利要求5所述的大功率晶體管變頻電源，其特征在于，其中負載振蕩器采用并聯諧振電路的工作方式，其電路如下補償電容器的一端與第二絕緣門極晶體管的源極連接，補償電容器的另一端與第一絕緣門極晶體管的源極連接，補償電容器的一端還與耦合輸出變壓器的一個輸入端連接，補償電容器的另一端還與I禹合輸出變壓器的另一個輸入端連接，耦合輸出變壓器的輸出端與負載連接。
專利摘要本實用新型公開了一種大功率晶體管變頻電源，主要由三相全橋整流電路、平波濾波電路、組合逆變橋電路以及控制保護電路等組成，與輸出功率用負載電路相聯接完成由三相工頻交流電轉換成直流電，再由直流電逆變成單相高頻率的交流電的過程。本實用新型的大功率晶體管變頻電源采用新型的大功率電力電子器件，保證變頻電源具有頻率使用范圍寬，輸出功率大、工作頻率高的特點，可以最大限度地滿足現代熱處理工藝要求。本實用新型的晶體管電源的工作頻率能覆蓋中頻和超音頻的頻段，不需專門的啟動線路，逆變效率高，因此應用前景非常廣泛。
文檔編號H02M7/5387GK202364131SQ20112051372
公開日2012年8月1日 申請日期2011年12月12日 優先權日2011年12月12日
發明者劉又紅, 江國清, 韓旭, 高傳德 申請人:上海恒精機電設備有限公司