復合頻率直流逆變電路中L/C的域值計算與研究

魏麗君,陳一平,戴 濤,何 華

(中南大學 信息物理工程學院,湖南長沙 410083)

0 前言

目前,可控硅BT151(晶閘管[1])主要應用在電力拖動,工業(yè)自動控制(正弦波交流)系統(tǒng)中。由于該器件的可靠關斷條件特殊,在直流大功率逆變脈沖信號源,特別是在復合頻率信號源的設計中很少涉及。作者在本文中重點介紹一種采用可控硅BT151作為主要逆變器件,通過對L/C[2]儲能器件域值的合理選擇,研究與設計了一套性能穩(wěn)定,復合頻率直流逆變電路。為電法勘探儀器[3～5]采用大功率SCR器件提供了研究基礎。

1 電路設計

實驗電路由AT89S51單片機、電源模塊、DCDC模塊、隔離驅動模塊、逆變模塊等構成(見圖1)。

逆變模塊電路原理圖[6～8]如下頁圖2所示。

控制信號的作用是分時控制逆變橋上二對橋臂上的晶閘管導通角,從而在負載R1上產(chǎn)生偽隨機復合頻率[9～11]大功率的方波電流信號。

圖1 裝置總體硬件框圖Fig.1 Hardware block diagram of the overall device

2 控制信號的產(chǎn)生

可控硅BT151的可靠關斷條件為陰極,電位高于陽極電位或通過的電流等于0。在本設計中,二對橋臂交替導通,控制信號尤其重要。單片機的P1.0口產(chǎn)生q1和q4的控制信號,P1.1口產(chǎn)生q2和q3的控制信號,為了使控制信號從單片機輸出以后,到達橋臂的控制端有足夠的電壓和電流,通過光耦(型號為PC817)把信號隔離放大。因為每一對橋臂的上管和下管總是處于不斷的交替導通狀態(tài)。在交替過程中,一旦出現(xiàn)一管尚未完全截止,而另一管已經(jīng)導通的狀況,將會立即引起直流高壓經(jīng)上下二管直通。為避免上述現(xiàn)象發(fā)生,在交替的控制中,必須留出一個死區(qū)時間[12、13],死區(qū)時間的計算主要考慮二個方面:

圖2 逆變模塊原理圖Fig.2 Schematic diagram of invertermodule

(1)換相重疊時間。近似認為換相期間電流線性變化,即diT/dt=Id/tg?？煽毓鐱T151作為控制開關,其允許電流上升率為di/dt=50 A/μs,按負載最大電流為5 A計算,換相重疊時間可以忽略。

(2)晶閘管BT151的關斷時間toff為70μs,標準規(guī)范

當工作頻率在低頻段時,死區(qū)時間與最小的周期相比,所需延時的時間非常小,不會對波形產(chǎn)生太大的影響。

最后得到的觸發(fā)信號如圖3。

圖3 控制信號圖Fig.3 Control signal diagram

3 信源中心頻率與L/C取值域的研究

信源中心頻率f0決定了L/C取值域的范圍。

實驗電路電源電壓為24V DC,在負載R1上獲得≥2 A的復合頻率電流。R1的值為12Ω,電流檢測電阻R6值為0.22Ω,此時電流檢測電阻上的耗散功率為:

為了電路的安全,它的額定功率應為耗散功率2倍～3倍,取值2 W。q1的陽極和q2的陽極接24 V DC電源,可控硅BT151的導通壓降最大為1.75 V。在導通狀態(tài)時,q1(q2)的陽極與陰極之間電位差約為可控硅BT151的導通壓降值:

q3(q4)的陽極電壓和陰極電壓分別經(jīng)負載電阻和電流檢測電阻分壓而得(負載電阻為12Ω,電流檢測電阻為0.22Ω)。

陽極電壓為:

陰極電壓為:

其中 VCC為電源電壓;VON為可控硅BT151的導通壓降;Von為二極管的導通壓降。所以q3(q4)的陽極和陰極之間電位差:

由此可見,q1(q2)與q3(q4)二端電壓差約十倍。為了電路的匹配,在觸發(fā)信號經(jīng)光耦到達可控硅BT151時,分別接R2=R4=300Ω,R3=R5=3 KΩ的電阻。

電容C1和C2的作用,是通過充電和放電給可控硅在導通到關斷的過程中,提供需要的反壓。不妨設q1與q4先導通,此時電容C1充電。在充電完成后,我們可以用式(7)近似表示與q1的陰極相接的一端的電壓(Vcc為電源電壓,uq1陰下標中的“陰”表示陰極,如為陽極則在下標處用“陽”表示,下同):

與q2陰極相接的一端約為0,之后q2與q3導通,此時電容C1與q2陰極相接的一端電壓在瞬間從0上升到+V,根據(jù)電容的充放電公式:

其中 V0為電容上的初始電壓值;VP為電容最終可充到或放到的電壓值;Vt為t時刻電容上的電壓值;RC為時間常數(shù)(τ=RC)。

由于二端電壓不能突變,此時與q1陰極相接的一端,電壓也要升高[14、15]+Vcc(如圖4所示),所以它的短時尖峰電壓可近似為:

圖4 電容上瞬時尖峰電壓圖Fig.4 Capacitance-voltage diagram on the instantaneous spike

這個高反壓正好為晶閘管提供了關斷電壓,實現(xiàn)其可靠關斷。而此時在C2與q3正極相接的一端電壓,從0變?yōu)?Vcc。同樣根據(jù)它二端電壓不能突變的原理,會在瞬間產(chǎn)生一個u=-Vcc的反壓,如圖5所示。此時q3的二端電壓可表示為:

這滿足了q3陰極電位高于陽極電位,得到可靠關斷。q2與q3先導通也可同理分析得到。

圖5 電容上瞬時負壓圖Fig.5 Diagram capacitance on the transient negative pressure

在電路中,電感L1的作用是為了在二對橋臂的交替導通轉換過程中,實現(xiàn)電流不能突變,防止過流,以保護器件。此外,L1與C1和C2構成的網(wǎng)絡,會產(chǎn)生諧振。當電路諧振時,諧振頻率為:

根據(jù)式(12),可得:

于是,可以得到信號源中心頻率為a時的L與C的取值關系曲線圖,如圖6所示。

圖6 信號源中心頻率為a時L、C取值圖Fig.6 aspecific center frequency diagram Land Cvalues

圖6說明了當信號源頻率變化時,L與C的取值的變化趨勢,信號源頻率與L的取值成反比,與C的取值成正比。根據(jù)信號源復合頻率的頻譜,得到L與C參數(shù)值選擇范圍的中心值(見圖6中的a點)。

根據(jù)式(13)可得圖7。

C的取值,取決于電容與電阻的組合時間常數(shù)τ要滿足晶閘管的關斷時間。當電容的值太小時,不足以提供足夠的電壓來關斷晶閘管;而當電容的值太大時,由于充放電時間太長,可能導致誤導通,造成電路短路。

圖7 L與C取值關系圖Fig.7 LandCvalues diagram

在滿足關斷時間裕量(2倍～4倍)的前提下,由τ=RC易得電容的域值為:

根據(jù)圖6和圖7總結的關系,當L的值太小時,二對橋臂轉換導通時電路中電流變化太大,晶閘管過流的能力很差,從而燒毀;當L的值太大時,與之匹配的電容值太小。而當電流變化時,電容的充(放)電時間常數(shù)是電感的時間常數(shù)的1 000倍,于是可以得到電感L的取值范圍為:

同時在諧振點時,電路的品質因素Q必須滿足:

根據(jù)以上的分析,在實際電路調試的試驗中,針對L與C的值進行調試,從而可以得到最佳的頻率取值范圍。本逆變電路經(jīng)過調試實驗得到的最佳組合是,L1的值為L1=33 mH,C1與C2的值為C1=C2=22μF。

4 結論

在硬件電路設計的基礎上,作者通過對逆變電路控制信號的設置,以及信源中心頻率與L/C域值的研究,得到了針對信號源復合頻率的L/C域值,在此基礎上對電路進行了調試,得到了適合本電路的最佳選擇組合。最后在負載二端得到了如圖8所示的方波信號,即單頻波波形圖。

偽隨機復合頻率信號波形如圖9所示。該研究成果已經(jīng)成功地應用到“十一五”國家支撐項目中。

圖8 單頻波波形圖Fig.8 Single frequencywavefor m

圖9 復合頻率波形圖Fig.9 Composite frequencywavefor ms

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