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PWM实验报告
高精度脉冲/直流IGBT开关电源
样机实验报告
编制:
王有云
校核:
丁军怀
2001年4月26日
一.近物所要求及参数
工作模式:
脉冲/直流
负载参数:
磁铁电感L=
磁铁电阻R=Ω
输出电流:
0—600A
输出电压:
-20V—100V
电流上升/下降率:
±200A/S
上升/下降拐弯时刻:
小于
脉冲平底时刻:
10s
脉冲平顶时刻:
1s
电流稳固度:
小于1×10-4(600A)
小于2×10-4(200A)
电流纹波:
小于5×10-5(在600A,1kHz以下频率)
小于1×10-4(在600A,1kHz以上频率)
小于2×10-4(在20A,1kHz以下频率)
小于4×10-4(在20A,1kHz以上频率)
跟踪精度:
小于±2×10-4
再现误差:
小于±1×10-4(20A)
周期重复误差:
小于±1×10-4(20A)
长期工作靠得住性:
额定输出无端障运行300小时以上
二.设计方案
主功率器件采纳1200V/300A(85°时)西门子产IGBT,因系统工作功率较大(100V/600A),主回路采纳三并二极管(800V/150A)整流和每桥臂三只IGBT并联输出。
由于对电流稳固度和纹波要求较高,操纵方案采纳2倍频的PWM操纵模式,使工作在10KHz的IGBT经全桥变换输出20KHz的高频直流,这种方案能使滤波难度大幅降低,LC滤波的体积和本钱有较大的降低(有效L=4mH,C=10µF),高频也使调剂精度明显提高。
设计方案详见原理图。
三.样机实验
1.调剂操纵回路实验
调剂回路采纳电流单闭环`操纵,由精度较高的PWM操纵芯片输出两组10KHz的高频信号,并送到IGBT驱动爱惜放大板产生三并联IGBT需要的驱动信号。
2.主回路实验
了解IGBT特性,并对二极管整流线路通电实验,反复实验加入整流滤波电路、储能电路、缓冲电路。
3.小电流实验
主回路串入Ω的负载电阻,先用每桥1只IGBT通电实验,最大到20A。
发觉无任何异样,再用每桥2只IGBT并联,通电至40A,无异样后,每桥并联3只IGBT,通电至100A,说明IGBT并联成功,且驱动回路的放大电路工作正常,驱动回路的电源配置适合,但IGBT开通关断时的尖峰电压很高,最高达到700V,经反复整改主回路结构(时刻长达一个月),才使尖峰电压下降到50V/100A,现在由于原水冷板耐水压不够,水冷板变形,使压接到水冷板上的IGBT损坏,形成短路,造成两桥臂(6只IGBT)损坏。
经重做水冷板,从头实验,一切正常。
4.大电流实验(波形由TDS3052,500M示波器测得)
把300mH,Ω的四级磁铁改成两串两并,并在主回路串入3Ω的电阻,如此负载就变成:
L=75mH,R=Ω。
每桥IGBT两并,通电到200A,其输出波形见图1:
图1
IGBT的CE两头波形见图2:
图2
持续通电4小时,无异样,每桥IGBT两并通电到400A,其
输出波形见图3:
图3
IGBT的CE两头波形见图4:
图4
持续通电12小时,导通组的IGBT约为39℃。
每桥IGBT三
并,通电到600A,IGBT输出波形见图5:
图5
IGBT的CE两头波形见图6:
图6
持续40分钟后,磁铁冷却水温升50℃,下降到570A,持
续通电9小时,但由于用饭时,自来水压力减小,使磁铁温度
陡然升高,不能不下降到550A,持续通电12小时,IGBT表
面温度为40℃。
IGBT三并200A的CE波形见图7
图7
IGBT三并400A的输出波形见图8:
图8
通过对以上大电流的实验,考察了其工作的靠得住性。
四.性能测试:
1.稳固性测试(数据由7081位高精度数表测得)
a)200A稳固性测量:
其持续9个小时的EXCEL曲线见图9,原始数据见附表1
经计算其稳固度为:
×10-4
图9
b)400A稳固性测量:
其持续8个小时的EXCEL曲线见图10,原始数据见附表1
经计算其稳固度为:
×10-5
图10
c)550A稳固性测量:
1)550A稳固性测量第一组数据为六个小时,其EXCEL曲线见图11,原始数据见附表1,经计算其稳固度为:
×10-5
图11
2)
550A稳固性测量第二组数据为十个小时,其EXCEL曲线见图11,原始数据见附表1,经计算其稳固度为:
×10-5
图12
2.跟踪精度测量:
由6RA24的斜坡函数发生器给定,给定和反馈比较后放大100倍后的波形观测是不是为零或为一恒值,来确信其跟从精度。
目前,近物所也无法对其跟从精度进行量化,仅把给定和反馈比较后放大100倍的波形从示波器中观测,做出结论。
实际测定的上升(下降)时刻为3S,拐弯时刻为。
0—400A的脉冲曲线见图13
0—550A的脉冲曲线见图14
20—550A的脉冲曲线见图15
图中CH1为反馈波形,CH2为给定和反馈值比较放大100倍的波形。
CH2波形的转变直接反映跟从精度,此图传到近物所,以为达到跟从精度指标1×10-4。
图13
图14
图15
3.纹波测量
20A高频傅立叶分析见图16
20A低频傅立叶分析见图17
400A高频傅立叶分析见图18
400A低频傅立叶分析见图19
550A高频傅立叶分析见图20
550A低频傅立叶分析见图21
经把傅立叶分析结果量化,不管低频或高频分析,纹波均低于1×10-7。
可见IGBT高频工作时的最大益处确实是不用考虑纹波指标是不是知足。
图16
图17
图18
图19
图20
图21
4.电源质量分析(单相)
50A电源质量分析
电压220V电流
S=
P=
Q=
λ=
200A电源质量分析
电压220V电流14A
S=3KVA
P=
Q=
λ=
400A电源质量分析
电压220V电流
S=
P=
Q=
λ=
550A电源质量分析
电压220V电流85A
S=
P=
Q=
λ=
五.结论
系统各项指标均知足近物所技术参数,并成功的解决了IGBT的并联问题、并联驱动问题、IGBT在高频大电流工作时的干扰问题,为我所在以后IGBT的交、直流畅用积存了丰硕的体会,并取得了一些宝贵的数据。
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