基于恒流自适应功能的大功率变频器预充电方案设计

王 鹏, 陈奉国

[施耐德电气(中国)有限公司研发中心,上海 200120]

0 引 言

变频器在现代工业控制领域有着广泛应用，其拓扑结构中需加入预充电电路，作为上电时限制储能电容的充电电流，防止过大电流冲击损坏功率模块[1-2]。目前大功率变频器(45 kW以上)预充电电路一般采用微控制单元(MCU)控制晶闸管开通角度的方案来实现[3-6]。该方案结构简单，技术成熟，但芯片控制方式复杂，调试不便。为进一步优化预充电电路的实现方案，本文设计了一种具有恒流自适应功能的晶闸管控制方法，全部使用硬件实现，不再需要MCU发波支持，同时避免了光耦和开关电源时序问题，一定程度上简化了调试难度。

1 传统大功率变频器预充电电路

大功率变频器一般采用晶闸管加二极管作为半控整流模块单元。图1为其原理框图。当三相交流接入时，同步电路采集输入电压并转换成电平信号，由光耦隔离送入MCU，再通过算法控制晶闸管的开通角度，使得母线电压逐步抬升，充电完成后，MCU依然要精确控制晶闸管的开通角使其工作于二极管模式。

这种电路主要存在以下问题：(1)因同步电路采样的信号需要光耦隔离，在高低温恶劣环境中光耦性能需要额外补偿；(2)使用MCU软件控制晶闸管开通角，算法复杂，调试不便；(3)必须注意时序问题。需要额外增加电路以使开关电源最先工作，保证控制电路优先供电。

2 新型大功率变频器预充电电路

新型大功率变频器预充电电路原理框图如图2所示。在工作过程中主要由二极管充电和晶闸管控制单元两个环节组成。与传统电路拓扑相比，使用二极管VD4和电阻R1直接给母线充电，母线电压平稳后进入晶闸管控制阶段，即半控整流模块在变频器运行中充当整流角色。晶闸管控制单元主要是对变频器工作过程中三相电压和母线电压进行采集，通过恒流自适应电路实现3路晶闸管门极导通角的良好控制，以此实现对整个变频器运行系统的稳定控制。二极管VD4的最大电流由输入线电压、R1及母线电容决定，从充电时间和充电电流两方面折中考虑，电阻R1一般取30～40 Ω为宜，此时与传统预充电方案相比，充电时间基本一致。

图2 新型大功率变频器预充电电路框图

2.1 晶闸管控制单元设计

晶闸管控制单元是变频器预充电电路中非常重要的环节，在具体的工作过程中主要分为以下步骤：(1)接收三相输入电压和母线电压信号，与预设参考电压进行比较产生各相晶闸管门极驱动MOS的主信号，以便产生每相晶闸管交错开通约180°的特征；(2)控制晶闸管门极驱动MOS的供电VG。由MOS、二极管、电感、电流采样电阻构成恒流源，以及放大电路和滞回比较器放在一起组成闭环小系统，实现MOS门极自适应通断，维持闭环系统稳定。在母线电压平稳后，该闭环自适应系统立即开始工作，其中对电流的限制既实现了自适应振荡，又实现了对晶闸管门极开通时的电流限制要求。同时添加了过流保护和欠压保护模块，也用于控制MOS通断，使得控制功能更加完善，兼具过流保护和欠压保护功能，从模块化设计角度来看，结构清晰，便于仿真和调试，大大简化设计工作量。具体结构如图3所示。

图3 晶闸管控制单元结构

2.2 恒流自适应供电

晶闸管是电流驱动型器件，恒流自适应电路为3路晶闸管门极驱动提供足够电流，其电路结构如图4所示。MOS Q1，电感L，二极管VD构成类Buck电路，R3为电流采样电阻，运放OP1及电阻R4=R5，R6=R7构成放大电路，放大系数为α:

α=R7/R5

(1)

图4 恒流自适应电路

比较器COMP1和电阻R8、R9、R10构成滞回比较电路，输出只有0 V和VDC1两种状态，其正向阈值电压为

(2)

负向阈值电压为

(3)

因此滞回回差电压：

(4)

同时，滞回回差由电感电流纹波的峰谷值来决定，即：

ΔVt=αΔI·R3

(5)

式中：ΔI为电感电流纹波。若同时设定Ig1为电流纹波谷值，Ig2为电流纹波峰值，即：ΔI=Ig2-Ig1。

在电流纹波谷值处，Q1开通，滞回比较器正向阈值电压对应为该谷值采样后的放大值，即：

Vt+=αIg1·R3

(6)

由式(2)、式(6)得：

(7)

当Q1打开时，电感L充电，电感电流近似斜坡上升，根据基尔霍夫电压定律，即有以下算式：

(8)

式中：Δt1为Q1开通时间；Rg为晶闸管门极驱动电阻；RSCR-g为晶闸管门极内部等效电阻。

当Q1断开时，电感L放电，电感电流近似斜坡下降，根据基尔霍夫电压定律，即有以下算式：

(9)

式中：Δt2为Q1关断时间；VD为二极管VD正向导通电压。

由式(7)、式(5)可以看出，当电路电阻值确定时，电感电流纹波ΔI及谷值Ig1都是确定的，与R3后端的负载无关，因此可以看作是带有纹波的固定电流源。

三相晶闸管依次交替开通约180°，在某一时刻，只存在一相晶闸管开通或者两相同时开通这两种状态。这两种状态相当于Rg+RSCR-g的值变更，由式(8)、式(9)可以看出，此时电路会自适应调节Q1的占空比达到新的平衡，Δt1，Δt2自动更新，但电感电流平均值不变。

2.3 电路仿真

使用PSIM对电路进行仿真，参数选择如下：L=220 μH，R3=0.2 Ω，R4=R5=1.5 kΩ，R6=R7=15 kΩ，R8=30.1 kΩ，R9=18.2 kΩ，R10=100 kΩ，VDC1=5 V，VDC2=15 V。理论计算滞回回差电压0.51 V，电感电流纹波0.25 A，纹波峰值1.1 A。仿真波形如图5所示，其中图5(b)是图5(a)中t时刻的放大波形，VL为L两端电压，I(L)和I(Rg)分别表示电感L和电阻Rg的电流。仿真结果显示电感电流纹波0.253 6 A，纹波峰值1.101 7 A，这与理论计算结果一致。R3处的电流可以看成是带有纹波的固定电流源，形如图5中的I(L)。

图5 恒流自适应供电仿真波形

3 实例验证

以上文的新型预充电拓扑为基础，搭建60 kW变频器样机平台。半控整流模块使用塞米控的SEMiX365DH16，其门极触发电流最小为0.1 A。充电电阻R1选择36 Ω/55 W。恒流自适应电路参数同仿真参数。三相380 V交流接入，变频器运行正常。实测Q1开通时间为5.25 μs，[见图6，其中CH3…I(L)；CH4…VL]，与仿真结果(图5)5.1 μs基本一致，实测电感电流纹波249.4 mA。调整滞回回差电压，即可调整晶闸管门极电流的大小，调试方便灵活。

图6 实测自适应供电电路波形

图7为预充电电路实测波形。其中CH1：L1对母线的电压；CH2：母线电压；CH3：VDC2；CH4：晶闸管Th1门极电压。当L1对母线电压超过-232 V时，晶闸管Th1开通。各相晶闸管交替开通约180°，符合预期控制效果，方案具有可行性。

图7 实测预充电电路波形

4 结 语

本文针对传统变频器预充电电路存在的问题，设计了一种具有恒流自适应功能的预充电电路。该电路可以自适应维持稳定，为晶闸管触发提供相对稳定的供电，以此实现对每相晶闸管精确控制，不再依赖软件参与，同时避免了光耦和开关电源时序问题。通过PSIM仿真和实物平台测试表明，该电路方案切实可行，调试方便，具有一定的参考价值。