摘要：本文介紹了1140伏90千瓦中頻電源的研制，該電源輸出電壓在200－－1500V之間連續可調，頻率在250－－1000HZ之間連續可調。樣機已轉化成產品，該產品經受過多次短路試驗的考驗。
引 言
油田采油時由于某些井的原油粘稠，難于吸抽，現有一種解決方案，將發熱元件安于井下，選一種合適的電源為其供電，油層被加熱，原油變稀，使采油效率大大提高。經過多次試驗，油田提出了該電源的技術參數：
功率 90KW
輸入電壓 1140V，50 HZ，三相
輸出電壓 200V ~ 1140V（有效值），單相、連續可調
頻率 250 ~ 1000HZ 連續可調
波形 正負半周對稱的方波，占空比連續可調
研 制
主回路如圖1.所示。逆變橋采用三電平結構，這樣不但降低了器件的耐壓的要求，而且對減少諧波成分、改善波形大有好處。八個開關功率器件用的是西門子產的BSM150GB170DL 型IGBT管，額定電壓和電流分別為 1700V、150A 。在本電源中，設其工作額定電流為I0=65A 。
控制系統的方塊示意圖如圖2所示。
控制功能由51單片機來實現，其作用有：
1．產生250 ~ 1000HZ 的驅動信號，控制8支IGBT 管有序導通，在輸出端產生脈寬可調的方波電壓。
2．用脈寬調制的方法實現輸出電壓的連續可調。輸出波形如圖3 所示。
3．檢測和顯示功能
樣機研制成功后，在油田運行良好，但另一問題突現出來，由于工作環境和條件的原因，該電源的輸出端常有被短路的危險，為此用戶又提出了新的要求：“設備不怕短路”，用戶要求合理，“額定電壓下不怕短路”要求保護電路快速而有效。
快速短路保護電路
一般保護方案就是關斷所有IGBT管。但對600v以上的電源由于短路電流上升太快，關斷信號還未起作用，IGBT管已經被燒壞了。要想確保IGBT管安然無恙，必須另外采取措施。本文的思路是在輸出端串聯適當的電感，用電感降低短路電流的上升速度，爭取時間讓IGBT的電流在到達極限值之前，管子能夠來得及關斷。可是引入電感后，由于巨大的di/dt，又會感應出尖峰電壓，此尖峰電壓又會給IGBT 造成巨大威脅。
為了確保短路保護的可靠，本文采取了如下措施：
1．加裝尖峰抑制器（TVTE1。5KE400CA）。此器件工作原理與穩壓管差不多，當電壓低于擊穿電壓時，管中無電流，不消耗能量。當電壓高于擊穿電壓時，管子擊穿，起鉗位作用。由于管子的耐壓不夠，經過適當串聯后，并聯于逆變橋的上下母線上。這樣可以保證母線電壓±E上不會出現危及IGBT 安全的尖峰電壓。
2．在輸出端串聯限流電感，此電感的作用是防止di/dt 過大，以免IGBT 被完全關斷之前電流超過極限值。以下是電感量的計算：
IGBT手冊上的額定電流為I0=150A
本電源的額定輸出電流為IL=65A
IGBT手冊上給出的最大脈沖電流為額定的2倍
IMAX = 2* I0 =2*150=300A
上下母線之間的電壓為2E≈1140*1.4≈1600V
通常允許2E有20%的波動，所以
EMAX=1.2*2E≈2000V
短路發生后，檢測信號請求中斷約2μs;
轉移指令約2μs;
關斷信號的產生與傳輸約2μs;
關斷信號在IGBT 柵極上的建立時間約2μs.
總計約8μs，用示波器觀測IGBT 上的關斷信號的確比短路發生時刻延遲了8μs 左右，這證明上面的分析是正確的。產生這段延遲的主要原因是51單片機速度慢、工作周期長。依據上面的估算和實測為依據，關斷信號的建立時間為
Δt=8μs
在Δt的這段時間內電流由IS上升到了，所以最大電流變化率di/dt為：
di/dt =( IMAX －－- IX )/ Δt=(300—117)/8≈23 (A/μs)
限流電感值應為：
L=EMAX/（di/dt）=2000/23≈90（μH）
此電感實際繞制值控制在90－－120μH之間。為了減少電感上的功率損耗，該電感在保證安全的情況下應盡量小。其鐵芯應留有氣隙，要確保在大脈沖電流的作用下也不會飽和。
電感的接入確實為關斷信號的到來贏得了時間，但又招來了下一個難題，即如何把電感限流過程中積累的磁能釋放掉，尖峰抑制器是個體積很小的器件，雖有瀉放磁能的作用，但不能全依靠它。本文提出兩個選擇方法：
方法1：
在電感上并聯一支快速雙向晶閘管。
方法2：
8個IGBT 同時關閉4μs之后，讓內四支管子輪番導通，以便瀉放電感L上的能量，方法1原理簡單，不必細說。本文用方法2取得了滿意結果，現簡述如下：
內四管指K2、K3、K6、K7，外四管指K1、K4、K5、K8 管。八管同時關閉4μs之后，外四管繼續關閉，內四管中，K2、K7 導通，如圖4.所示。
電感L 的瀉放回路為 地—D2—K2—L—K7—D7—地。2μs之后，K2、K7 關斷，K3、K6 導通，如圖5所示。
電感L 的瀉放回路為 地—D6—K6—L—K3—D3—地。2μs之后，兩個放電回路進行交換，經過十幾次的反復，L上的能量可以瀉放無遺。整個短路保護過程大約在40~50 μs之內完成。
試驗結果
整機運行良好，調壓范圍、調頻范圍都滿足用戶要求。在額定電壓下，突然將負載短路，設備安然無恙。幾分鐘后，重新開機，一切正常。要想進一步提高短路保護的速度并不難，只要把51單片機替換成高速單片機即可。
這種不怕短路的中頻中壓電源已經有十多臺在油田使用，經受住了惡劣環境和短路的考驗。
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