中频电源具有快速短路保护功能

1.电路结构

中频电源的主回路如图5-31所示，逆变桥采用三电平结构，这样不但降低了器件的耐压的要求，而且对减少谐波成分、改善波形大有好处。8个开关功率器件采用西门子公司的BSM150GB170DL型IGBT，额定电压和电流分别为1700V/150A，中频电源工作额定电流为I₀=65A。

控制系统的方块示意图如图5-32所示。控制功能由51单片机来实现，其作用如下：

图5-31 主回路

1）产生250～1000Hz的驱动信号，控制8个IGBT的有序导通，在输出端产生脉宽可调的方波电压。

2）用脉宽调制的方法实现输出电压的连续可调，输出波形如图5-33所示。

图5-32 控制电路框图

图5-33 输出波形

2.快速短路保护电路

一般的快速短路保护方案就是在短路故障发生时关断所有IGBT。但对600V以上的电源由于短路电流上升太快，关断信号还未起作用，IGBT已经被烧坏了。为确保IGBT安全可靠运行，在输出端串联适当的电感，用电感降低短路电流的上升速度，以使IGBT的电流在到达极限值之前，能够来得及关断。可是引入电感后，由于巨大的di/dt，又会感应出尖峰电压，此尖峰电压又会给IGBT造成巨大威胁。为了确保短路保护的可靠，可采取如下措施：

1）增设电压尖峰抑制器（TVTE1、5KE400CA），并联于逆变桥的上下母线上，起电压钳位作用，这样可以保证在母线电压±E上不会出现危及IGBT安全的尖峰电压。

2）在输出端串联限流电感，此电感的作用是防止di/dt过大，以免IGBT被完全关断之前电流超过极限值。电感量的计算依据IGBT手册上的额定电流为I₀=150A；中频电源的额定输出电流为I_L=65A；IGBT手册上给出的最大脉冲电流为额定的2倍，即

I_MAX=2×I₀=2×150A=300A(www.xing528.com)

若中频电源上下母线之间的电压为2E≈1140×1.4V≈1600V，通常允许2E有20%的波动，所以E_MAX=1.2×2E≈2000V。

中频电源若短路发生后，由于51单片机检测信号请求中断约2μs；转移指令约2μs；关断信号的产生与传输约2μs；关断信号在IGBT栅极上的建立时间约2μs，总计约8μs，产生这段延迟的主要原因是51单片机速度慢、工作周期长，要想进一步提高短路保护的速度可把51单片机替换成高速单片机即可。依据上面的估算和实测为依据，关断信号的建立时间为

Δt=8μs

在Δt的这段时间内电流由I_S上升到了I_MAX，其最大电流变化率di/dt为

di/dt=（I_MAX～I_X）/Δt=（300～117）A/8μs≈23A/μs

限流电感值应为

L=E_MAX/（di/dt）=2000V/23A/μs≈90μH

电感实际取值应控制在90～120μH之间。为了减少电感上的功率损耗，该电感在保证安全的情况下应尽量小。其铁心应留有气隙，要确保在大脉冲电流的作用下也不会饱和。

电感的接入确实为关断信号的到来赢得了时间，但把电感限流过程中积累的磁能释放掉，电压尖峰抑制器是个体积很小的器件，泄放容量有限，对此，可采取在电感上并联一支快速双向晶体管或在8个IGBT同时关闭4μs之后，让内部四个开关器件轮番导通，以便泄放电感L上的能量，内部四开关器件为K2、K3、K6、K7，外部四开关器件为K1、K4、K5、K8。八管同时关闭4μs之后，外部四管继续关闭，在内部四管中，K2、K7导通，如图5-34所示。

电感L的泄放回路为：地→VD2→K2→L→K7→VD7→地。2μs之后，K2、K7关断，K3、K6导通，如图5-35所示。

图5-34 放电回路一

图5-35 放电回路二

电感L的泄放回路为：地→VD6→K6→L→K3→VD3→地。2μs之后，两个放电回路进行交换，经过十几次的反复，L上的能量可以完全泄放，整个短路保护过程大约在40～50μs之内完成。