張臻，金龍，沈湛，陳瑋光

(東南大學(xué) 電氣工程學(xué)院，江蘇 南京 210096)

0 引言

交直交逆變器的預(yù)充電電路的作用是在逆變器啟動時限制對直流環(huán)節(jié)儲能電容的充電電流，避免強(qiáng)大的沖擊電流燒壞功率模塊和直流電容。目前，傳統(tǒng)的逆變器預(yù)充電電路采用在主回路交流接觸器觸點(diǎn)旁跨接預(yù)充電電阻的方案。該方案技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛，但由于接觸器串聯(lián)在主回路中，成本隨著逆變器功率的增大而增加，制約了逆變器的生產(chǎn)成本，并且啟動電流較大。

本文設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了三相橋式半控整流預(yù)充電電路，通過控制整流橋的輸出電壓，進(jìn)而控制充電電流的大小。省去了接觸器和預(yù)充電電阻，且控制靈活，母線電壓可調(diào)，啟動電流小，性能優(yōu)越。

1 傳統(tǒng)的預(yù)充電回路

預(yù)充電就是由電源向逆變器裝置中的直流母線電容充電的過程。因?yàn)橹绷髂妇€上有大電容存在，當(dāng)電源接通瞬間，電容兩端相當(dāng)于短路，如果沒有預(yù)充電電路，整流電路的功率器件就會因短路而損壞。預(yù)充電電路起到了限制電源接通瞬間電容充電電流的作用，以保護(hù)整流電路的功率器件不會因電流沖擊過大而損壞。

圖1為傳統(tǒng)的預(yù)充電電路。當(dāng)三相電源接入時，交流接觸器KM處于斷開狀態(tài)，閉合繼電器KA，三相電源通過預(yù)充電電阻經(jīng)過二極管不控整流橋?qū)χ绷鳝h(huán)節(jié)儲能電容進(jìn)行充電。當(dāng)控制器檢測到直流環(huán)節(jié)電壓達(dá)到某一給定值時，控制電路發(fā)出信號，接觸器KM吸合，此時預(yù)充電電阻被短路，逆變器主回路開始工作［1］。

圖1 傳統(tǒng)的預(yù)充電電路

圖2 所示為KM在0.4 s閉合，電容電壓在MATLAB中的仿真波形。圖3為電容電流波形。在KA閉合的瞬間，啟動電流沖擊較大。在KM閉合的瞬間，如果母線電壓小于穩(wěn)態(tài)時的母線電壓，也有電流沖擊。

圖2 傳統(tǒng)的預(yù)充電電路充電時電容電壓波形

二極管的導(dǎo)通順序如表1所示，每個時間段電源電壓通過兩個預(yù)充電電阻和兩個二極管構(gòu)成的回路對電容充電。如圖4所示［2］，以時間段Ⅰ為例，UAB通過 A、B相預(yù)充電電阻和二極管VD6、VD1對電容充電。

圖3 傳統(tǒng)的預(yù)充電電路充電時電容電流波形

表1 三相橋式不控整流電路功率器件導(dǎo)通順序

圖4 三相橋式不控整流電路輸出電壓波形

設(shè)US為相電壓，認(rèn)為穩(wěn)態(tài)平均電壓2.34US為電源電壓。充電時間常數(shù)τ=2RC。在KA閉合的瞬間，啟動電流沖擊較大，電容充電電流最大值為，電容電流

傳統(tǒng)的預(yù)充電電路結(jié)構(gòu)簡單可靠，控制方便，但存在以下缺點(diǎn):

1)在逆變器需要頻繁啟動的場合，交流接觸器也要頻繁的閉合、斷開，長期工作不僅減少接觸器的壽命，而且會因觸頭氧化、接觸不良、機(jī)械磨損等原因影響設(shè)備正常工作。

2)接觸器作為該預(yù)充電方案的主要元件，隨著逆變器功率的增加，容量也需要相應(yīng)增加，對于整個逆變器設(shè)備來說提高了成本。

3)大容量的接觸器增加了設(shè)備的體積和重量。

4)啟動電流較大，對器件有一定的沖擊。

2 三相橋式半控整流預(yù)充電電路

三相橋式半控整流電路和三相橋式全控整流電路相比，觸發(fā)電路更加簡單、經(jīng)濟(jì)，同樣可以獲得0～2.34倍相電壓的可調(diào)母線電壓。本文設(shè)計的三相橋式半控整流觸發(fā)電路由控制芯片調(diào)節(jié)輸入PWM電壓的占空比改變晶閘管的觸發(fā)角，從而改變?nèi)鄻蚴桨肟卣麟娐返妮敵鲭妷?。軟啟動只需由控制芯片控制PWM電壓的占空比，從而控制晶閘管觸發(fā)角從大到小變化即可(見圖5)。

圖5 三相橋式半控整流電路

如圖6所示，三相輸入電壓通過同步變壓器接入3片TCA785芯片。TCA785芯片產(chǎn)生與輸入電壓同相位的鋸齒波，輸入PWM電壓通過巴特沃茲低通濾波器產(chǎn)生移相控制電壓，和鋸齒波相交，產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，觸發(fā)脈沖通過脈沖變壓器驅(qū)動相應(yīng)的晶閘管。通過控制輸入電壓的幅值，可以改變晶閘管的觸發(fā)角，從而控制輸出電壓大小。TCA785芯片的控制為負(fù)邏輯，即控制電壓增加，晶閘管的觸發(fā)角增加。本文在巴特沃茲低通濾波器前加上一級反相器，使觸發(fā)電路的控制變?yōu)檎壿嫛?/p>

圖6 三相橋式半控整流觸發(fā)電路結(jié)構(gòu)框圖

2.1 同步檢測環(huán)節(jié)

三個同步變壓器分別將UAB，UBC，UCA轉(zhuǎn)換為相位相同，幅值較低的交流電，輸入TCA785芯片的5腳。

2.2 巴特沃茲低通濾波電路

如圖7所示，控制芯片輸出3.3 V，頻率為10 kHz的PWM波經(jīng)電壓轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為15 V的PWM波，經(jīng)反相器反相，再經(jīng)電壓跟隨器后輸入巴特沃茲低通濾波器。設(shè)PWM波的占空比為D，則濾波器的輸出電壓為(1-D)*15 V。

圖7 巴特沃茲低通濾波電路

設(shè)計濾波器的截止頻率為500 Hz，取R1=R2=R=10 kΩ，C1=C=C=33 nF，截止頻率=482 Hz，可以將頻率為102kHz的PWM波濾成恒定的直流電壓。

2.3 TCA785 芯片

本文采用三片TCA785芯片觸發(fā)三相橋式半控整流電路，其接線方式對稱?，F(xiàn)對一片TCA785芯片的引腳連線進(jìn)行說明:在6腳接使能信號，11腳引入移相控制電壓，5腳接同步信號，9腳和10腳分別接鋸齒波斜率電阻和電容，12腳通過電容接地，14腳和15腳為脈沖輸出端［3-4］。

由5腳引入的同步信號，經(jīng)內(nèi)部零電壓檢測器，送至同步寄存器，同步寄存器控制產(chǎn)生與同步信號同步且頻率為同步信號兩倍的鋸齒波。鋸齒波的斜率由9腳和10腳外接的電阻、電容決定。輸出脈沖寬度由12腳外接電容決定。當(dāng)鋸齒波的電壓等于移相控制電壓時，便產(chǎn)生一個觸發(fā)脈沖信號。14腳、15腳輸出觸發(fā)脈沖相差180°。

TCA785芯片的主要引腳波形如圖8所示。V5為同步電壓，V10為鋸齒波電壓，V11為移相控制電壓，V15為15腳輸出電壓，V14為14腳輸出電壓。

三片TCA785芯片的15腳觸發(fā)脈沖互差120°，經(jīng)驅(qū)動電路放大后驅(qū)動相應(yīng)的晶閘管。

圖8 TCA785芯片的主要引腳波形

2.4 驅(qū)動電路

如圖9所示，觸發(fā)脈沖控制三極管的導(dǎo)通關(guān)斷，原邊24 V電壓經(jīng)脈沖變壓器轉(zhuǎn)換為8 V后驅(qū)動晶閘管。因?yàn)槊}沖變壓器是正向激勵，在三極管截止時存儲在脈沖變壓器原邊的能量必須泄放掉，否則脈沖變壓器的剩磁通將不能復(fù)位，會導(dǎo)致其很快進(jìn)入飽和狀態(tài)［5］。本文采用二極管D1和電阻R1組成RD吸收電路，三極管截止后產(chǎn)生的感生電動勢能量通過二極管和電阻吸收。D3為續(xù)流二極管，R2決定了晶閘管的門極驅(qū)動電流。

圖9 晶閘管觸發(fā)脈沖驅(qū)動電路

2.5 三相橋式半控整流電路預(yù)充電過程

預(yù)充電時，由于母線電壓隨控制PWM波的占空比由小增大，所以啟動時電流沖擊較小。圖10為三相橋式半控整流電路帶電阻性負(fù)載時，晶閘管觸發(fā)角α在每個工頻周期按α=(180-250t)°規(guī)律變化時，輸出電壓在MATLAB中的仿真波形;圖11為觸發(fā)角α按α=(180-50t)°規(guī)律變化時，輸出電壓的仿真波形。

圖10 α按α=(180-250t)°規(guī)律變化半控整流電路帶電阻性負(fù)載預(yù)充電電壓波形

圖11 α按α=(180-50t)°規(guī)律變化

半控整流電路帶電阻性負(fù)載預(yù)充電電壓波形

圖12 α按α=(180-250t)°規(guī)律變化半控整流電路預(yù)充電電容電流波形

圖13 α按α=(180-50t)°規(guī)律變化半控整流電路預(yù)充電電容電流波形

3 結(jié)束語

傳統(tǒng)的預(yù)充電方式在功率較小的逆變電路中較為適用，使用交流接觸器控制的預(yù)充電方式成本隨著逆變器功率的增大而增加。半控整流預(yù)充電方式省去了接觸器，在大功率逆變器中優(yōu)勢非常明顯，且控制靈活，母線電壓可以調(diào)節(jié)，啟動電流小，具有更好的應(yīng)用效果。

［1］唐白山，黃翠柏.一種新型單象限變頻器預(yù)充電電路設(shè)計［J］.工礦自動化，2013，39(2):20-22.

［2］賀益康，潘再平.電力電子技術(shù)［M］.北京:科學(xué)出版社，2010.

［3］王興貴，郭永吉.基于TCA785移相觸發(fā)器的電磁渦流剎車電源［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2007，36(1):61-63.

［4］李宏，鄒偉，宣偉民，等.巧用TCA785構(gòu)成適應(yīng)寬頻率范圍的晶閘管觸發(fā)器［J］.電源技術(shù)應(yīng)用，2005，8(12):22-26.

［5］ARENDT WINTRICH，ULRICH NICOLAI.Application Manual Power Semiconductors［M］.SEMIKRON International GmbH，2011.