交流中频开关电源消除谐振方法及交流中频开关电源

摘要

本发明涉及一种有效减小交流中频开关电源输出侧专用负载谐振的电路。它经过对开关电源中核心器件IGBT工作状态的控制方式的改变，在不增加任何元器件的前提下，有效的降低了专用中频感性负载、补偿电容与电源内部滤波电容及线路等效电感形成的谐振电压、电流，避免了开关电源停机后，因感容负载谐振造成高电压、大电流而使负载损坏的可能性。从而提高整个系统运行的可靠性，保障了专用负载使用寿命。

说明书

技术领域

本电路涉及特种行业供电系统可靠运行的技术问题，特别涉及对特殊负载 的安全隐患问题，本发明方法及电路设备依托为专为特种行业定制交流中频开 关电源。

背景技术

交流中频开关电源专为特种工业设备研制，功率180kVA，输入为380V/50Hz 市电，输出为380V/1280Hz正弦波。电路拓扑为三相全桥整流电路、直流LC 滤波、三个单相全桥逆变电路、输出LC滤波。

本电源所连接负载为感性，功率因数0.3左右，通过电容补偿，功率因数 可提高至0.9。负载侧补偿电容，可提高负载侧功率因数。

该交流中频开关电源运行状态下，为负载提供380V/1280Hz的电能，使负 载正常运行。正常原因或故障原因停机时，由于负载输出侧滤波电容、电源内 部滤波电容与感性负载形成无功交换，谐振出高电压，由于电压高达AC800V 左右，超出负载承受的正常电压范围之外，所以成为安全隐患，有可能烧毁负 载。

由于负载侧需要波形品质稳定良好的正弦波，所以开关电源方案采取了 SPWM控制并对逆变输出波形进行LC滤波处理，经验证，波形品质完全达到负 载使用要求。但输出滤波电容改变了负载侧感容谐振的状态，并造成了较高的 谐振点。通常破坏谐振的方案可以通过在负载两端并联电阻的方式进行。但该 方案会带来诸多问题，比如中频开关的设计与选取，电阻的散热问题等，同时 设备的体积、成本均有所增加，都不是低成本、可靠的解决方案。

发明内容

本发明的目的是寻求在不对成熟电源产品电路拓扑进行改动、不影响设备 体积、不增加成本的前提下，解决电源停机时负载侧谐振带来高压的问题，从 而避免负载可能因高压烧毁的可能性，提高整个供电系统运行的可靠性。

本发明的技术解决方案是：

一种交流中频开关电源消除谐振方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

1】将停机指令或故障指令进行处理后分别将SPWM12与SPWM34控制波形瞬 间箝位至负电平，同时根据停机指令或故障指令生成延迟的滞后停机封锁信号 Lock1；

2】SPWM12信号变为负电平后使SPWM1信号为低电平，SPWM1信号使其对应 的IGBT(N1)关断；

SPWM12信号变为负电平后使SPWM2信号为高电平，SPWM2信号使其对应的 IGBT(N2)开通；

SPWM34信号变为负电平后使SPWM3信号为低电平，SPWM3信号使其对应的 IGBT(N3)关断；

SPWM34信号变为负电平后使SPWM4信号为高电平，SPWM4信号使其对应的 IGBT(N4)开通；

3】输出电感经单相逆变电路中的IGBT及其并联二极管最终并联至谐振的 电容及感性负载两端从而改变谐振点，并泄放能量，最终消除谐振；

4】延迟的滞后停机封锁信号Lock1停止IGBT(N2、N4)，交流中频开关电 源停机进入待机状态。

一种交流中频开关电源，包括控制电路、3组三相整流电路、直流LC滤波 器、单相逆变全桥、输出LC滤波电路，

其特殊之处在于：

所述控制电路包括停机逻辑处理电路和SPWM信号处理电路；

所述停机逻辑处理电路包括指令接收电路、钳位信号生成电路、钳位电路 和延迟封锁电路；所述指令接收电路用于接收停机指令或故障指令LOCK，所述 钳位信号生成电路根据停机指令或故障指令LOCK生成钳位信号；所述钳位电路 根据钳位信号分别将SPWM12与SPWM34控制波形瞬间箝位至负电平；所述延迟 封锁电路根据接收停机指令或故障指令LOCK生成可使交流中频开关电源延迟 停机的滞后停机封锁信号Lock1；

所述SPWM信号处理电路包括四路比较电路和相应的关断电路；所述比较电 路可根据箝位至负电平的SPWM12与SPWM34控制波形使SPWM1信号为低电平、 SPWM2信号为高电平、SPWM3信号为低电平、SPWM4信号为高电平；所述关断电 路将SPWM1信号、SPWM2信号、SPWM3信号、SPWM4信号驱动后使IGBT的N1关 断、N2开通、N3关断、N4开通。

上述指令接收电路为RC滤波电路(R32、C23)；

所述钳位信号生成电路包括与RC滤波电路输出端相连的非门(D2A)、与非 门输出端相连的与非门(D1B)、与与非门输出端相连的比较器(A5)；

所述钳位电路包括与比较器输出端相连的两个二极管(VD13、VD14)；所述 二极管的负极接比较器的输出端，其正极分别为SPWM12与SPWM34控制波形；

所述延迟封锁电路包括与与非门输出端连接的比较器(A3)、与比较器(A3) 输出端连接的RC延时电路(R18、C24)、与RC延时电路输出端连接的比较器(A4)， 所述比较器的输出为滞后停机封锁信号Lock1；

所述比较电路包括与钳位电路输出端相连的三个串联的比较器(A6、A8、A10 或者A7、A9、A11或者A16、A18、A20或者A17、A19、A21)。

本发明的优点：本发明是一种不增加成本，不增加设备体积，同时不对主 电路拓扑进行任何更改的一种简单易行的可靠方案。经实际试验，本发明可以 大大降低谐振电压，完全消除负载安全运行隐患。

附图说明

图1是本发明交流中频开关电源消除谐振电路及相应的负载和补偿电容的 电路原理图。

图2是本发明交流中频开关电源消除谐振电路中单相逆变全桥、负载、补 偿电容及线路阻抗的等效电路。

图3是消除谐振电路中SPWM信号部分电路图。

图4是消除谐振电路中逻辑处理部分电路图。

图5是加入消除谐振电路之前的负载侧波形。

图6是加入消除谐振电路之后的负载侧波形。

具体实施方式

参见图1、2，交流中频开关电源消除谐振电路由控制电路、3组三相整流 电路、直流LC滤波器、单相逆变全桥、输出LC滤波电路构成，其中，单相逆 变全桥由典型的IGBT驱动电路及IGBT构成。图2是单路输出的等效电路，可 以更容易的理解工作过程。

控制电路由停机逻辑处理电路和SPWM信号处理电路构成。停机逻辑电路由 一个非门、比较器、二极管、电阻、电容构成；SPWM信号处理电路由比较器、 二极管、电容、电阻构成。

参见图3、4，停机逻辑电路(R31、R32、C23)接收停机指令或故障指令 (LOCK)，送入非门(D2A)，通过与非门(D1B)电平翻转后经比较器(A5) 使2个二极管(VD13、VD14)导通，同时与非门(D1B)输出经另一比较器(A3) 翻转电平后，经RC(R18、C24)充电延时，与阀值比较后，经比较器(A4)形成约 3s左右的滞后停机封锁信号(Lock1)。封锁信号(Lock1)将最终停止IGBT(N2、 N4)工作，代表消除谐振电路停止工作。二极管(VD13、VD14)导通后，将SPWM12 与SPWM34控制波形瞬间箝位至负电平(-15V)。SPWM12信号变为负电平后经 过比较器(A6、A8、A10)使SPWM1信号为低电平，SPWM1信号通过驱动电路使其 对应的IGBT(N1)关断。同理SPWM12信号变为负电平后经过比较器(A7、A9、 A11)使SPWM2信号为高电平，SPWM2信号通过驱动电路使其对应的IGBT(N2) 开通。SPWM34信号变为负电平后经过比较器(A16、A18、A20)使SPWM3信号为 低电平，SPWM3信号通过驱动电路使其对应的IGBT(N3)关断。同理SPWM34 信号变为负电平后经过比较器(A17、A19、A21)使SPWM4信号为高电平，SPWM4 信号通过驱动电路使其对应的IGBT(N4)开通。此时输出电感经单相逆变电路 中的IGBT及其并联二极管最终并联至谐振的电容及感性负载两端从而改变谐 振点，并泄放能量，最终完成消除谐振的功能。约3s左右后，封锁信号(Lock1) 将最终停止IGBT(N2、N4)，交流中频开关电源停机进入待机状态。

本发明原理：

本发明通过改变停机瞬间IGBT的工作状态，利用电源内部的滤波电感改变 谐振状态，达到消除谐振降低电压幅值的目的。

具体来说，在谐振电路的控制下，正常停机或故障停机的瞬间，消除谐振 电路开始工作。利用2个导通的二极管将SPWM控制信号置低，控制逆变全桥电 路中下桥臂2只IGBT保持一定时间开通，从而使输出滤波电感并联至负载及补 偿电容两端，改变谐振点，降低谐振幅值，达到消除谐振目的。

本电路的工作过程：参见图2、3、4，停机瞬间，与非门(D1-13)形成高 电平，比较器输出(A5-7)输出负电平(-15V)，二极管(VD13、VD14)导通， SPWM12、SPWM34信号为-15V(消除谐振电路开始工作)。与非门(D1-13)形成 高电平同时使另一比较器(A3-7)输出变为开路状态，C24正极通过R18开始 充电，约3.4s后，该电位超过比较器(A4-2)阀值，使输出(A4-7)低电平(Lock1)， 从而封锁比较器(A8、A9、A18、A19)，驱动芯片停止工作，主回路所有IGBT 断开，整个消除谐振电路停止工作。

SPWM12、SPWM34变为-15V后，A6-7为低电平，A8-7输出为高电平，A10-7 输出为低电平，从而驱动器对应的IGBT(N1)停止工作。同理，IBGT(N2)保 持开通，IBGT(N3)停止工作，IBGT(N4)保持开通。

此时，若输出负载两端为上正下负，则输出滤波电感的1端经IGBT(N2) 以及IBGT(N4)的反并联二极管并联至负载两端。若输出负载两端为上负下正， 则输出滤波电感的1端经IGBT(N4)以及IBGT(N2)的反并联二极管并联至负 载两端。如此，输出滤波电感均可在停机后至消除谐振电路停止工作前，并联 至负载及补偿电容两端，从而改变谐振点，降低直至消除负载侧谐振高电压的 目的。

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)：绝缘栅双极型晶体管，是由 BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式 功率半导体器件，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降的优点。