專利名稱：新型絕緣柵雙極晶體管充電裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于充電裝置領(lǐng)域，尤其涉及一種新型絕緣柵雙極晶體管充電裝置。
背景技術(shù)：
近年來，為了提高電力變流器裝置的性能，特別是為了使設(shè)備控制中應(yīng)用的逆變 器迅速向小型輕量化、高效化和無噪聲化推進，研究開發(fā)和生產(chǎn)了各種高速、高壓大電流、 低驅(qū)動功率的開關(guān)器件。諸如大功率晶體管(GTR)、功率場效應(yīng)管(MOSFET)等，但是，大功 率晶體管容易高壓大電流化，而難以高速化，功率場效應(yīng)管則容易高速化，而難以大電流 化。所以基于上述兩種器件的優(yōu)點而迅速發(fā)展起來的絕緣柵雙極晶體管(IGBT)就是一種 理想的功率開關(guān)器件。
發(fā)明內(nèi)容為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本實用新型的目的是提供一種輸出頻率高、功率密 度高、可靠性強且體積小、重量輕的新型絕緣柵雙極晶體管充電裝置。為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型采取的技術(shù)方案是一種新型絕緣柵雙極晶體管充電裝置，包括整流部分REC和逆變部分，所述整流 部分REC將主電路輸入三相交流整流成為直流，所述逆變部分包括絕緣柵雙極晶體管組成 的逆變橋INV，補償電容器C及輸出變壓器TR，所述逆變橋INV —端連接補償電容器C，另一 端連接輸出變壓器TR，所述補償電容器C和輸出變壓器TR相連，所述逆變橋INV實行負載 換相，所述輸出變壓器TR付邊分別連接高頻二極管整流HFR及電感電容LhCh濾波，所述高 頻二極管整流HFR及電感電容LhCh濾波的另一端分別連接蓄電池B的兩極。上述逆變橋INV對角橋臂上兩個絕緣柵雙極晶體管的門極觸發(fā)脈沖該寬度為 s，逆變橋INV另一對角橋臂上兩個絕緣柵雙極晶體管的門極觸發(fā)脈沖與圖上述脈沖
相位差180°，門極觸發(fā)脈沖的頻率低于逆變負載的串聯(lián)諧振頻率，且門極觸發(fā)脈沖頻率最 高為20kHz。設(shè)置壓控振蕩器VCO作為絕緣柵雙極晶體管的門極脈沖源，所述壓控振蕩器VCO 的最高震蕩頻率限制在20kHz，壓控振蕩器VCO輸出信號作一次二分頻保證逆變橋?qū)潜?上兩組絕緣柵雙極晶體管門極脈沖的對稱性，輸出兩組相位差180°的對稱方波。上述充電裝置設(shè)恒流及恒壓調(diào)節(jié)器，以及恒流恒壓轉(zhuǎn)換電路。相對于現(xiàn)有技術(shù)，本實用新型的的優(yōu)點是( 1)具有輸出頻率高、高功率密度和高可靠性等優(yōu)點，而且體積小，重量輕，該裝置 可以隨身攜帶，使用和操作非常方便，廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、航空、造船、計算機、通信以及家 電等領(lǐng)域。(2)本實用新型充電器設(shè)恒流及恒壓調(diào)節(jié)器，以及恒流恒壓轉(zhuǎn)換電路，它隨時檢測 被充電蓄電池電壓，當檢測到蓄電池電壓低于設(shè)定值時，轉(zhuǎn)換電路自動轉(zhuǎn)入恒流充電，充電 的恒流值可由面板的恒流調(diào)節(jié)電位器來設(shè)定。[0012](3)恒壓、恒流調(diào)節(jié)采用逆變調(diào)頻來控制充電電壓或電流，逆變頻率高，則充電電 壓高，充電電流大。( 4 )本實用新型充電器的三相輸入端有壓敏電阻可抑制來自交流電網(wǎng)的任何過電 壓。充電器的三相輸入端接快速熔斷器作短路保護。(5)絕緣柵雙極晶體管的門極驅(qū)動模塊內(nèi)部有過電流檢測，不論任何原因，在絕緣 柵雙極晶體管電流過大時，因其管壓降增大，模塊的第六腳變?yōu)榈碗娖剑诵盘柨墒雇獠勘?護電路動作，封鎖全部絕緣柵雙極晶體管門極脈沖。

圖1充電器電路結(jié)構(gòu)圖；圖2逆變工作波形；圖3控制電路原理圖；圖4逆變頻率=1/2負載諧振頻率時的各種波形；圖5逆變頻率 > 負載諧振頻率時的各種波形。
具體實施方式
下面結(jié)合說明書附圖和具體實施例對本發(fā)明進行進一步說明。參見圖1-圖4，一種新型絕緣柵雙極晶體管充電裝置，包括整流部分REC和逆變部 分，所述整流部分REC將主電路輸入三相交流整流成為直流，所述逆變部分包括絕緣柵雙 極晶體管組成的逆變橋INV，補償電容器C及輸出變壓器TR，所述逆變橋INV —端連接補償 電容器C，另一端連接輸出變壓器TR，所述補償電容器C和輸出變壓器TR相連，所述逆變橋 INV實行負載換相，所述輸出變壓器TR付邊分別連接高頻二極管整流HFR及電感電容LhCh 濾波，所述高頻二極管整流HFR及電感電容LhCh濾波的另一端分別連接蓄電池B的兩極，所 述逆變橋INV對角橋臂上兩個絕緣柵雙極晶體管的門極觸發(fā)脈沖該寬度為觀μ s，逆變橋 INV另一對角橋臂上兩個絕緣柵雙極晶體管的門極觸發(fā)脈沖與圖上述脈沖相位差180°， 門極觸發(fā)脈沖的頻率低于逆變負載的串聯(lián)諧振頻率，且門極觸發(fā)脈沖頻率最高為20kHz，設(shè) 置壓控振蕩器(VCO)作為絕緣柵雙極晶體管的門極脈沖源，所述壓控振蕩器(VCO)的最高 震蕩頻率限制在20kHz，壓控振蕩器(VCO)輸出信號作一次二次分頻保證逆變橋?qū)潜凵?兩組絕緣柵雙極晶體管門極脈沖的對稱性，輸出兩組相位差180°的對稱方波，上述充電裝 置設(shè)恒流及恒壓調(diào)節(jié)器，以及恒流恒壓轉(zhuǎn)換電路，它隨時檢測被充電蓄電池電壓，當檢測到 蓄電池電壓低于設(shè)定值時，轉(zhuǎn)換電路自動轉(zhuǎn)入恒流充電，充電的恒流值由面板的恒流調(diào)節(jié) 電位器設(shè)定。主電路的整流部分為一般的三相全波整流加電容器濾波。逆變部分的工作過程可 用如圖2所示的工作波形說明。電路工作原理圖如圖3所示。圖2 (a)是逆變橋?qū)菢虮凵蟽蓚€絕緣柵雙極晶體管的門極觸發(fā)脈沖波形，按 20kHz逆變頻率計算，該觸發(fā)脈沖寬度約為^ys,即略寬于絕緣柵雙極晶體管每次導(dǎo)通時 間(25 μ S)，以確保絕緣柵雙極晶體管電流過零關(guān)斷。圖2 (b)是逆變橋另一對角橋臂上兩 個絕緣柵雙極晶體管的門極觸發(fā)脈沖波形，它與圖2(a)的脈沖相位差180°。圖2 (a)脈 沖的下降沿與圖2 (b)脈沖的上升沿之間至少有3μ s的間隙，以保證上下兩個絕緣柵雙極晶體管不存在同時導(dǎo)電的機會。門極觸發(fā)脈沖的頻率始終低于逆變負載的串聯(lián)諧振頻率， 則逆變輸出電壓越高。門極觸發(fā)脈沖的最高頻率設(shè)計為20kHz。圖2 (c)和圖2 (d)分別 為對角橋臂上兩個絕緣柵雙極晶體管的電流以及與其相反并列的續(xù)流二極管的電流波形， 波形中正的部分是絕緣柵雙極晶體管電流，負的部分是續(xù)流二極管電流。因為逆變負載處 于諧振狀態(tài)，故逆變負載電流為正弦波形，如圖2 (g)所示，因此圖2 (c)，(d)中的電流波 形是正弦波的片段。從圖中可以看出，絕緣柵雙極晶體管在電流過零后關(guān)斷。圖2 (e)為 絕緣柵雙極晶體管集電極和發(fā)射極間電壓Uce波形，其中正向極低電壓部分是絕緣柵雙極 晶體管導(dǎo)電期間管壓降波形，負向電壓部分是續(xù)流二極管導(dǎo)電管壓降波形，正向高電壓波 形中的小臺階是另一對角橋臂上續(xù)流二極管導(dǎo)電管壓降波形。波形顯示，在絕緣柵雙極晶 體管電流過零之后，緊接著與其相反并列的續(xù)流二極管導(dǎo)電，續(xù)流管導(dǎo)電期間也即是絕緣 柵雙極晶體管承受反電壓，實行關(guān)斷恢復(fù)的時間，這段時間必須大于絕緣柵雙極晶體管的 關(guān)斷時間。本裝置的門極觸發(fā)系統(tǒng)將關(guān)斷恢復(fù)時間控制在>3 μ S。圖2(f)是逆變負載電 壓波形；圖2 (g)是逆變負載電流波形；圖2 (h)是逆變負載重補償電容兩端的電壓波形； 圖2 (i)是逆變負載中輸出變壓器原邊的電壓波形。圖2波形顯示逆變頻率已很接近負載 串聯(lián)諧振頻率，故補償電容電壓幅值[圖2 (h)]和輸出變壓器原邊電壓[圖2 (i)]幅值 都數(shù)倍于逆變器輸入直流電壓和逆變器輸出電壓[圖2 (f)]幅值。在對電能耗盡的蓄電池充電時，本裝置會自動檢測到蓄電池低電壓而轉(zhuǎn)入恒流充 電，恒流調(diào)節(jié)器將充電電流恒定在某一設(shè)定值，并通過降低逆變頻率來降低輸出電壓，此 時，逆變工作波形有所改變，圖4是逆變頻率為1/2負載串聯(lián)諧振頻率時的工作波形。圖4 (g)的逆變負載電流出現(xiàn)瞬時為零的現(xiàn)象，也即負載電流為臨界連續(xù)狀態(tài)。如果進一步減小 恒流充電的電流設(shè)定值，則將出現(xiàn)逆變負載電流斷續(xù)現(xiàn)象，如圖5所示，此時逆變輸出電壓 和電流則更小。本實用新型充電器設(shè)恒流及恒壓調(diào)節(jié)器，以及恒流恒壓轉(zhuǎn)換電路，它隨時檢測被 充電蓄電池電壓，當檢測到蓄電池電壓低于設(shè)定值時，轉(zhuǎn)換電路自動轉(zhuǎn)入恒流充電，充電的 恒流值可由面板的恒流調(diào)節(jié)電位器來設(shè)定。當檢測到蓄電池電壓達到設(shè)定值時，轉(zhuǎn)換電路 自動轉(zhuǎn)到恒壓充電，充電的恒壓值也可由面板上的恒壓調(diào)節(jié)電位器來設(shè)定。蓄電池從恒流 至恒壓充電的轉(zhuǎn)換點由控制電路中的電位器W5設(shè)定。充電器在恒流或恒壓充電時均有指 示燈指示。恒壓、恒流調(diào)節(jié)采用逆變調(diào)頻來控制充電電壓或電流，逆變頻率高，則充電電壓 高，充電電流大。絕緣柵雙極晶體管的門極脈沖源為壓控振蕩器VC0，其控制電壓由恒流或恒壓調(diào) 節(jié)器提供，VCO的最高震蕩頻率限制在20kHz。為保證逆變橋?qū)潜凵蟽山M絕緣柵雙極晶 體管門極脈沖的對稱性，VCO輸出信號作一次二分頻，輸出兩組相位差180°的對稱方波， 再經(jīng)數(shù)字式定寬處理，形成兩組脈沖寬度恒定為S，而相位差180°，脈沖信號輸送給 絕緣柵雙極晶體管門極驅(qū)動模塊，經(jīng)驅(qū)動模塊隔離和功率放大后供給絕緣柵雙極晶體管門 極。驅(qū)動模塊輸出至絕緣柵雙極晶體管門極的脈沖寬度也恒定在^μ s，脈沖幅值17V，絕 緣柵雙極晶體管截止期間門極保持有-6V偏壓，確保其不會誤導(dǎo)通。絕緣柵雙極晶體管是靜電敏感器件，在使用中應(yīng)特別注意防止器件受靜電危害。 在保護電路中，由于絕緣柵雙極晶體管使用在高頻時布線電感容易產(chǎn)生尖峰電壓，必須注意布線電感和器件的配置。而在吸收電路中，由于絕緣柵雙極晶體管開關(guān)速度快，容易產(chǎn) 生浪涌電壓，所以必須設(shè)有浪涌鉗位電路。在安裝中，散熱器的選擇應(yīng)根據(jù)使用條件和環(huán)境 及器件參數(shù)進行匹配，選取以保護器件工作時對散熱器的要求。選擇散熱器時建議其表面 的光潔度應(yīng)小于10 μ m,為減少接觸熱阻，推薦在散熱器與器件之間涂上一層很薄的導(dǎo)熱硅 脂。本實用新型充電器的三相輸入端有壓敏電阻可抑制來自交流電網(wǎng)的任何過電壓。 充電器的三相輸入端接快速熔斷器作短路保護。絕緣柵雙極晶體管的門極驅(qū)動模塊內(nèi)部有過電流檢測，不論任何原因，在絕緣柵 雙極晶體管電流過大時，因其管壓降增大，模塊的第六腳變?yōu)榈碗娖?，此信號可使外部保護 電路動作，封鎖全部絕緣柵雙極晶體管門極脈沖。
權(quán)利要求1.一種新型絕緣柵雙極晶體管充電裝置，其特征在于包括整流部分(REC)和逆變部 分，所述整流部分(REC)將主電路輸入三相交流整流成為直流，所述逆變部分包括絕緣柵 雙極晶體管組成的逆變橋(INV)，補償電容器(C)及輸出變壓器(TO)，所述逆變橋(INV) — 端連接補償電容器(C)，另一端連接輸出變壓器(TR)，所述補償電容器(C)和輸出變壓器 (TR)相連，所述逆變橋(INV)實行負載換相，所述輸出變壓器(TR)付邊分別連接高頻二極 管整流(HFR)及電感電容(LhCh)濾波，所述高頻二極管整流(HFR)及電感電容(LhCh)濾波的 另一端分別連接蓄電池(B)的兩極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型絕緣柵雙極晶體管充電裝置，其特征在于所述逆變橋 (INV)對角橋臂上兩個絕緣柵雙極晶體管的門極觸發(fā)脈沖該寬度為觀μ s，逆變橋(INV)另 一對角橋臂上兩個絕緣柵雙極晶體管的門極觸發(fā)脈沖與圖上述脈沖相位差180°，門極觸 發(fā)脈沖的頻率低于逆變負載的串聯(lián)諧振頻率，且門極觸發(fā)脈沖頻率最高為20kHz。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的新型絕緣柵雙極晶體管充電裝置，其特征在于設(shè)置壓控振 蕩器(VCO)作為絕緣柵雙極晶體管的門極脈沖源，所述壓控振蕩器(VCO)的最高震蕩頻率 限制在20kHz，壓控振蕩器(VCO)輸出信號作一次二次分頻保證逆變橋?qū)潜凵蟽山M絕緣 柵雙極晶體管門極脈沖的對稱性，輸出兩組相位差180°的對稱方波。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型絕緣柵雙極晶體管充電裝置，其特征在于所述充電裝 置設(shè)恒流及恒壓調(diào)節(jié)器，以及恒流恒壓轉(zhuǎn)換電路。
專利摘要本實用新型屬于充電裝置領(lǐng)域，尤其涉及一種新型絕緣柵雙極晶體管充電裝置?，F(xiàn)有技術(shù)中大功率晶體管難以高速化，功率場效應(yīng)管難以大電流化，所以其組成的充電器在提高輸出頻率和功率密度方面存在著限制。為解決現(xiàn)有技術(shù)中缺陷，本實用新型采用的技術(shù)方案是一種新型絕緣柵雙極晶體管充電裝置，包括整流部分和逆變部分，主電路輸入三相交流，用整流模塊整流為直流，經(jīng)電容器濾波后供給逆變橋，逆變橋輸出端為補償電容器及輸出變壓器串聯(lián)，逆變器實行負載換相，輸出變壓器付邊輸出經(jīng)高頻二極管整流及電感電容濾波后輸出直流供蓄電池充電。本實用新型輸出頻率高、功率密度高、可靠性強且體積小、重量輕，該裝置可以隨身攜帶，使用和操作非常方便。
文檔編號H02H7/18GK201860155SQ20102057764
公開日2011年6月8日 申請日期2010年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月27日
發(fā)明者劉晨, 陸地 申請人:西安建筑科技大學(xué)