[实用新型]用IGBT串并联混合来实现低纹波的直流稳流电源

说明书

技术领域

本实用新型属于自动控制技术和电力电子技术领域，涉及一种基于大容量IGBT器件的功率变换电路，具体说是可用于对长期电流稳定度、电压(电流)纹波、响应快速性、调节精度等性能有高要求的场合一种用IGBT(Insalated-Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极晶体管)串并联混合来实现低纹波的直流稳流电源。

背景技术

在基础科学研究、医疗卫生、轨道交通、国防工业等重要领域，通常需要用大电流的稳流电源向磁铁供给励磁电流，这些应用中都对磁场的稳定度提出了严格要求。要保证磁场的长期稳定，就是要保证稳流电源的输出电流具有很高的稳定度和极低的电压(电流)纹波。目前，已知的该类电源一般多采用晶闸管相控整流电源，它由晶闸管整流、无源滤波、调节控制等环节组成，这种常规的电源具有容量大、系统结构简单、可控器件价格低和易实现磁场能量回馈的特点。但交流电网电压的不平衡、整流元件开通/关断特性的不一致、元器件特性不理想等因素，均会产生非特征次电压(电流)谐波，直接表现为输出电压(电流)纹波大。若采用无源滤波器消除电压(电流)特征和非特征次谐波，会导致无源滤波器体积庞大，增加了电源的成本，并且会使系统的动态性能恶化。

为了解决晶闸管相控整流电源输出电压(电流)纹波大的问题，已有的电源产品多采用在主电路中串联线性调整管(大功率三极管)的方法，图1示出了这种方法的电路简图。图1中，三相交流电源U、V、W经进线电抗器L1接到三相晶闸管整流单元A1，整流输出接滤波电感L2(共模扼流线圈)之后接到电容C1两端，电容C2和电阻R1串连起来后和C1并联。L2、C1、C2、R1组成无源滤波器对三相整流的特征次谐波进行滤波。C1正端和线性调整管V1的集电极c相连，V1的发射极e的导线穿过电流传感器U1后和负载相连，负载的另一端连接到C1的负端。U1输出的电流反馈信号送入误差放大器A2同电流给定基准信号进行比较，A2的输出信号连接到V1的基极b，驱动线性调整管工作。V1工作在线性区，相当于一个可变电阻，无源滤波器之后的输出电压纹波靠线性调整管V1集电极c-发射极e的电压降V_CE吸收。其直流输出电流由于输入电压升高或负载阻抗减小而升高时，线性调整管V1基极电压下降，其等效电阻阻值加大，使输出电流降低，从而保持电流反馈信号等于电流给定基准信号。这种负反馈控制在输出电流由于输入电压下降或负载阻抗增加而下降时也同样起作用。此时，误差放大器输出会使V1基极电压上升，集-射极电阻减小，直流输出电流升高，使电流反馈信号等于电流给定基准信号。因此这类电源的优点是纹波小、稳定度高，缺点是线性调整管的功耗大、效率低、体积大、可靠性差。

另一种可行的办法是采用有源滤波技术，可以有效地抵消特征和非特征次谐波，图2示出了这种方法的电路简图。图2中，三相交流电源U、V、W经进线电抗器L3接到三相晶闸管整流单元A3，整流输出接滤波电感L4(共模扼流线圈)之后接到电容C3两端，电容C4和电阻R2串连起来后和C3并联。L4、C3、C4、R2组成无源滤波器对三相整流的特征次谐波进行滤波。C3两端还并联着有源滤波器(Active Filter，由IGBT单相全桥逆变电路组成)A4的输出，外接AC220V电源为A4供电。C3的正极的导线穿过电流传感器U2后和负载相连，负载的另一端连接到C3的负端。U2输出的电流信号送入误差放大器A5同电流给定基准信号进行比较，A5的输出信号经隔离、放大连接到A4中IGBT的栅极，驱动有源滤波器工作。该电路的工作原理是：用电流传感器U2采集直流输出线上的电流，将所得的电流信号进行纹波分离处理，得到纹波参考信号，将此作为PWM(Pulse Width Modulation，脉宽调制)的调制信号，与三角波相比较，从而得到开关信号，用此开关信号去控制IGBT单相桥。根据PWM技术的原理，将上下桥臂的开关信号反接，就可得到与线上纹波信号大小相等、方向相反的纹波电流，将线上的纹波电流抵消掉，这是前馈控制部分。如果需要进一步提高滤波效果，再将有源滤波器接入点后的线上电流的纹波分量反馈回来，作为调节器的输入，调整前馈控制的误差。整个系统中有源滤波器A4和无源滤波器配合使用，即无源滤波器进行大容量的滤波补偿，有源滤波器进行微调，以进一步抑制输出电压(电流)纹波，达到最佳滤波的目的。但这种方案由于非特征次谐波频谱复杂，造成控制系统的选频网络设计计算困难，现场调试工作量极大。

实用新型内容