復(fù)合頻率直流逆變電路中L/C的域值計(jì)算與研究

魏麗君,陳一平,戴 濤,何 華

(中南大學(xué) 信息物理工程學(xué)院,湖南長(zhǎng)沙 410083)

0 前言

目前,可控硅BT151(晶閘管[1])主要應(yīng)用在電力拖動(dòng),工業(yè)自動(dòng)控制(正弦波交流)系統(tǒng)中。由于該器件的可靠關(guān)斷條件特殊,在直流大功率逆變脈沖信號(hào)源,特別是在復(fù)合頻率信號(hào)源的設(shè)計(jì)中很少涉及。作者在本文中重點(diǎn)介紹一種采用可控硅BT151作為主要逆變器件,通過(guò)對(duì)L/C[2]儲(chǔ)能器件域值的合理選擇,研究與設(shè)計(jì)了一套性能穩(wěn)定,復(fù)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(chǔ)。

1 電路設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)電路由AT89S51單片機(jī)、電源模塊、DCDC模塊、隔離驅(qū)動(dòng)模塊、逆變模塊等構(gòu)成(見(jiàn)圖1)。

逆變模塊電路原理圖[6～8]如下頁(yè)圖2所示。

控制信號(hào)的作用是分時(shí)控制逆變橋上二對(duì)橋臂上的晶閘管導(dǎo)通角,從而在負(fù)載R1上產(chǎn)生偽隨機(jī)復(fù)合頻率[9～11]大功率的方波電流信號(hào)。

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

2 控制信號(hào)的產(chǎn)生

可控硅BT151的可靠關(guān)斷條件為陰極,電位高于陽(yáng)極電位或通過(guò)的電流等于0。在本設(shè)計(jì)中,二對(duì)橋臂交替導(dǎo)通,控制信號(hào)尤其重要。單片機(jī)的P1.0口產(chǎn)生q1和q4的控制信號(hào),P1.1口產(chǎn)生q2和q3的控制信號(hào),為了使控制信號(hào)從單片機(jī)輸出以后,到達(dá)橋臂的控制端有足夠的電壓和電流,通過(guò)光耦(型號(hào)為PC817)把信號(hào)隔離放大。因?yàn)槊恳粚?duì)橋臂的上管和下管總是處于不斷的交替導(dǎo)通狀態(tài)。在交替過(guò)程中,一旦出現(xiàn)一管尚未完全截止,而另一管已經(jīng)導(dǎo)通的狀況,將會(huì)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(gè)死區(qū)時(shí)間[12、13],死區(qū)時(shí)間的計(jì)算主要考慮二個(gè)方面:

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

(1)換相重疊時(shí)間。近似認(rèn)為換相期間電流線性變化,即diT/dt=Id/tg。可控硅BT151作為控制開(kāi)關(guān),其允許電流上升率為di/dt=50 A/μs,按負(fù)載最大電流為5 A計(jì)算,換相重疊時(shí)間可以忽略。

(2)晶閘管BT151的關(guān)斷時(shí)間toff為70μs,標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

當(dāng)工作頻率在低頻段時(shí),死區(qū)時(shí)間與最小的周期相比,所需延時(shí)的時(shí)間非常小,不會(huì)對(duì)波形產(chǎn)生太大的影響。

最后得到的觸發(fā)信號(hào)如圖3。

圖3 控制信號(hào)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(shí)驗(yàn)電路電源電壓為24V DC,在負(fù)載R1上獲得≥2 A的復(fù)合頻率電流。R1的值為12Ω,電流檢測(cè)電阻R6值為0.22Ω,此時(shí)電流檢測(cè)電阻上的耗散功率為:

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

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

陽(yáng)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(dǎo)通壓降;Von為二極管的導(dǎo)通壓降。所以q3(q4)的陽(yáng)極和陰極之間電位差:

由此可見(jiàn),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(hào)經(jīng)光耦到達(dá)可控硅BT151時(shí),分別接R2=R4=300Ω,R3=R5=3 KΩ的電阻。

電容C1和C2的作用,是通過(guò)充電和放電給可控硅在導(dǎo)通到關(guān)斷的過(guò)程中,提供需要的反壓。不妨設(shè)q1與q4先導(dǎo)通,此時(shí)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(biāo)中的“陰”表示陰極,如為陽(yáng)極則在下標(biāo)處用“陽(yáng)”表示,下同):

與q2陰極相接的一端約為0,之后q2與q3導(dǎo)通,此時(shí)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(shí)刻電容上的電壓值;RC為時(shí)間常數(shù)(τ=RC)。

由于二端電壓不能突變,此時(shí)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(shí)尖峰電壓可近似為:

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

這個(gè)高反壓正好為晶閘管提供了關(guān)斷電壓,實(shí)現(xiàn)其可靠關(guān)斷。而此時(shí)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(huì)在瞬間產(chǎn)生一個(gè)u=-Vcc的反壓,如圖5所示。此時(shí)q3的二端電壓可表示為:

這滿足了q3陰極電位高于陽(yáng)極電位,得到可靠關(guān)斷。q2與q3先導(dǎo)通也可同理分析得到。

圖5 電容上瞬時(shí)負(fù)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(duì)橋臂的交替導(dǎo)通轉(zhuǎn)換過(guò)程中,實(shí)現(xiàn)電流不能突變,防止過(guò)流,以保護(hù)器件。此外,L1與C1和C2構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò),會(huì)產(chǎn)生諧振。當(dāng)電路諧振時(shí),諧振頻率為:

根據(jù)式(12),可得:

于是,可以得到信號(hào)源中心頻率為a時(shí)的L與C的取值關(guān)系曲線圖,如圖6所示。

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

圖6說(shuō)明了當(dāng)信號(hào)源頻率變化時(shí),L與C的取值的變化趨勢(shì),信號(hào)源頻率與L的取值成反比,與C的取值成正比。根據(jù)信號(hào)源復(fù)合頻率的頻譜,得到L與C參數(shù)值選擇范圍的中心值(見(jiàn)圖6中的a點(diǎn))。

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(shí)間常數(shù)τ要滿足晶閘管的關(guān)斷時(shí)間。當(dāng)電容的值太小時(shí),不足以提供足夠的電壓來(lái)關(guān)斷晶閘管;而當(dāng)電容的值太大時(shí),由于充放電時(shí)間太長(zhǎng),可能導(dǎo)致誤導(dǎo)通,造成電路短路。

圖7 L與C取值關(guān)系圖Fig.7 LandCvalues diagram

在滿足關(guān)斷時(shí)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(jié)的關(guān)系,當(dāng)L的值太小時(shí),二對(duì)橋臂轉(zhuǎn)換導(dǎo)通時(shí)電路中電流變化太大,晶閘管過(guò)流的能力很差,從而燒毀;當(dāng)L的值太大時(shí),與之匹配的電容值太小。而當(dāng)電流變化時(shí),電容的充(放)電時(shí)間常數(shù)是電感的時(shí)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(shí)在諧振點(diǎn)時(shí),電路的品質(zhì)因素Q必須滿足:

根據(jù)以上的分析,在實(shí)際電路調(diào)試的試驗(yàn)中,針對(duì)L與C的值進(jìn)行調(diào)試,從而可以得到最佳的頻率取值范圍。本逆變電路經(jīng)過(guò)調(diào)試實(shí)驗(yàn)得到的最佳組合是,L1的值為L(zhǎng)1=33 mH,C1與C2的值為C1=C2=22μF。

4 結(jié)論

在硬件電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,作者通過(guò)對(duì)逆變電路控制信號(hào)的設(shè)置,以及信源中心頻率與L/C域值的研究,得到了針對(duì)信號(hào)源復(fù)合頻率的L/C域值,在此基礎(chǔ)上對(duì)電路進(jìn)行了調(diào)試,得到了適合本電路的最佳選擇組合。最后在負(fù)載二端得到了如圖8所示的方波信號(hào),即單頻波波形圖。

偽隨機(jī)復(fù)合頻率信號(hào)波形如圖9所示。該研究成果已經(jīng)成功地應(yīng)用到“十一五”國(guó)家支撐項(xiàng)目中。

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

圖9 復(fù)合頻率波形圖Fig.9 Composite frequencywavefor ms

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