复合频率直流逆变电路中L/C的域值计算与研究

魏丽君,陈一平,戴 涛,何 华

(中南大学 信息物理工程学院,湖南长沙 410083)

0 前言

目前,可控硅BT151(晶闸管[1])主要应用在电力拖动,工业自动控制(正弦波交流)系统中。由于该器件的可靠关断条件特殊,在直流大功率逆变脉冲信号源,特别是在复合频率信号源的设计中很少涉及。作者在本文中重点介绍一种采用可控硅BT151作为主要逆变器件,通过对L/C[2]储能器件域值的合理选择,研究与设计了一套性能稳定,复合频率直流逆变电路。为电法勘探仪器[3～5]采用大功率SCR器件提供了研究基础。

1 电路设计

实验电路由AT89S51单片机、电源模块、DCDC模块、隔离驱动模块、逆变模块等构成(见图1)。

逆变模块电路原理图[6～8]如下页图2所示。

控制信号的作用是分时控制逆变桥上二对桥臂上的晶闸管导通角,从而在负载R1上产生伪随机复合频率[9～11]大功率的方波电流信号。

图1 装置总体硬件框图Fig.1 Hardware block diagram of the overall device

2 控制信号的产生

可控硅BT151的可靠关断条件为阴极,电位高于阳极电位或通过的电流等于0。在本设计中,二对桥臂交替导通,控制信号尤其重要。单片机的P1.0口产生q1和q4的控制信号,P1.1口产生q2和q3的控制信号,为了使控制信号从单片机输出以后,到达桥臂的控制端有足够的电压和电流,通过光耦(型号为PC817)把信号隔离放大。因为每一对桥臂的上管和下管总是处于不断的交替导通状态。在交替过程中,一旦出现一管尚未完全截止,而另一管已经导通的状况,将会立即引起直流高压经上下二管直通。为避免上述现象发生,在交替的控制中,必须留出一个死区时间[12、13],死区时间的计算主要考虑二个方面:

图2 逆变模块原理图Fig.2 Schematic diagram of invertermodule

(1)换相重叠时间。近似认为换相期间电流线性变化,即diT/dt=Id/tg。可控硅BT151作为控制开关,其允许电流上升率为di/dt=50 A/μs,按负载最大电流为5 A计算,换相重叠时间可以忽略。

(2)晶闸管BT151的关断时间toff为70μs,标准规范

当工作频率在低频段时,死区时间与最小的周期相比,所需延时的时间非常小,不会对波形产生太大的影响。

最后得到的触发信号如图3。

图3 控制信号图Fig.3 Control signal diagram

3 信源中心频率与L/C取值域的研究

信源中心频率f0决定了L/C取值域的范围。

实验电路电源电压为24V DC,在负载R1上获得≥2 A的复合频率电流。R1的值为12Ω,电流检测电阻R6值为0.22Ω,此时电流检测电阻上的耗散功率为:

为了电路的安全,它的额定功率应为耗散功率2倍～3倍,取值2 W。q1的阳极和q2的阳极接24 V DC电源,可控硅BT151的导通压降最大为1.75 V。在导通状态时,q1(q2)的阳极与阴极之间电位差约为可控硅BT151的导通压降值:

q3(q4)的阳极电压和阴极电压分别经负载电阻和电流检测电阻分压而得(负载电阻为12Ω,电流检测电阻为0.22Ω)。

阳极电压为:

阴极电压为:

其中 VCC为电源电压;VON为可控硅BT151的导通压降;Von为二极管的导通压降。所以q3(q4)的阳极和阴极之间电位差:

由此可见,q1(q2)与q3(q4)二端电压差约十倍。为了电路的匹配,在触发信号经光耦到达可控硅BT151时,分别接R2=R4=300Ω,R3=R5=3 KΩ的电阻。

电容C1和C2的作用,是通过充电和放电给可控硅在导通到关断的过程中,提供需要的反压。不妨设q1与q4先导通,此时电容C1充电。在充电完成后,我们可以用式(7)近似表示与q1的阴极相接的一端的电压(Vcc为电源电压,uq1阴下标中的“阴”表示阴极,如为阳极则在下标处用“阳”表示,下同):

与q2阴极相接的一端约为0,之后q2与q3导通,此时电容C1与q2阴极相接的一端电压在瞬间从0上升到+V,根据电容的充放电公式:

其中 V0为电容上的初始电压值;VP为电容最终可充到或放到的电压值;Vt为t时刻电容上的电压值;RC为时间常数(τ=RC)。

由于二端电压不能突变,此时与q1阴极相接的一端,电压也要升高[14、15]+Vcc(如图4所示),所以它的短时尖峰电压可近似为:

图4 电容上瞬时尖峰电压图Fig.4 Capacitance-voltage diagram on the instantaneous spike

这个高反压正好为晶闸管提供了关断电压,实现其可靠关断。而此时在C2与q3正极相接的一端电压,从0变为+Vcc。同样根据它二端电压不能突变的原理,会在瞬间产生一个u=-Vcc的反压,如图5所示。此时q3的二端电压可表示为:

这满足了q3阴极电位高于阳极电位,得到可靠关断。q2与q3先导通也可同理分析得到。

图5 电容上瞬时负压图Fig.5 Diagram capacitance on the transient negative pressure

在电路中,电感L1的作用是为了在二对桥臂的交替导通转换过程中,实现电流不能突变,防止过流,以保护器件。此外,L1与C1和C2构成的网络,会产生谐振。当电路谐振时,谐振频率为:

根据式(12),可得:

于是,可以得到信号源中心频率为a时的L与C的取值关系曲线图,如图6所示。

图6 信号源中心频率为a时L、C取值图Fig.6 aspecific center frequency diagram Land Cvalues

图6说明了当信号源频率变化时,L与C的取值的变化趋势,信号源频率与L的取值成反比,与C的取值成正比。根据信号源复合频率的频谱,得到L与C参数值选择范围的中心值(见图6中的a点)。

根据式(13)可得图7。

C的取值,取决于电容与电阻的组合时间常数τ要满足晶闸管的关断时间。当电容的值太小时,不足以提供足够的电压来关断晶闸管;而当电容的值太大时,由于充放电时间太长,可能导致误导通,造成电路短路。

图7 L与C取值关系图Fig.7 LandCvalues diagram

在满足关断时间裕量(2倍～4倍)的前提下,由τ=RC易得电容的域值为:

根据图6和图7总结的关系,当L的值太小时,二对桥臂转换导通时电路中电流变化太大,晶闸管过流的能力很差,从而烧毁;当L的值太大时,与之匹配的电容值太小。而当电流变化时,电容的充(放)电时间常数是电感的时间常数的1 000倍,于是可以得到电感L的取值范围为:

同时在谐振点时,电路的品质因素Q必须满足:

根据以上的分析,在实际电路调试的试验中,针对L与C的值进行调试,从而可以得到最佳的频率取值范围。本逆变电路经过调试实验得到的最佳组合是,L1的值为L1=33 mH,C1与C2的值为C1=C2=22μF。

4 结论

在硬件电路设计的基础上,作者通过对逆变电路控制信号的设置,以及信源中心频率与L/C域值的研究,得到了针对信号源复合频率的L/C域值,在此基础上对电路进行了调试,得到了适合本电路的最佳选择组合。最后在负载二端得到了如图8所示的方波信号,即单频波波形图。

伪随机复合频率信号波形如图9所示。该研究成果已经成功地应用到“十一五”国家支撑项目中。

图8 单频波波形图Fig.8 Single frequencywavefor m

图9 复合频率波形图Fig.9 Composite frequencywavefor ms

[1] 崔体人.元器件选用大全[M].杭州:浙江科学技术出版社,1998.

[2] 电气学会(日).电工电子技术手册[M].徐国鼐等译.北京:科学出版社,2004.

[3] 刘石,陈儒军,颜良,等基于IPM的电法勘探发送机逆变器系统[J].物探与化探,2006,5(30):415.

[4] 乐晓蓉,王念春.基于I R2103的方波逆变电路设计与分析[J].电源技术应用,2009,2(12):30.

[5] 白云娟,王富东.基于80C196KC单片机的任意波形发生器的设计[J].计算机测量与控制,2007,15(3):418.

[6] 李文杰,孟庆敏,李军峰.我国频率域航空电磁法仪器系统研制回顾与展望[J].物探化探计算技术,2007,29(增刊1):21.

[7] 李守智,余健明,陆剑秋.一种简单实用的电法勘探用逆变电路[J].电力电子技术2002,4(36):1.

[8] 陈江辉,谢运祥,陈兵.逆变电路的控制技术与策略[J].电气应用,2006,9(25):102.

[9] 何继善.2n系列伪随机信号及应用.中国地球物理学会,中国地球物理年会年刊(1998)[S].西安:西安地图出版社,1998.

[10]汤井田,楚恒,崔益安.基与DSP的通用伪随机激电观察系统[J].长安大学学报,2003,2(25):46.

[11]熊彬,余云春.双频激电法感应耦合的数值计算与分析[J].物探化探计算技术,2009,31(1):30.

[12]荆涛,范蟠果.一种新颖的空间矢量死区补偿算法的研究[J].电力电子技术,2008,3(24):84.

[13]刘建华.一种PWM控制逆变电路的死区补偿研究[J].微电机,2008,3(12):69.

[14]索育.串联补偿逆变电路的电压累加现象研究[J].济宁师范专科学校学报,2007,3(28):5.

[15]张作良,唐朝晖,胡志坤,等.逆变电路智能故障诊断系统[J].计算机工程与科学,2008,3(30):136.