IGBT在氙灯电源中的应用.pdf
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IGBT在氙灯电源中的应用.pdf
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现代电影技术IGBT在氙灯电源中的应用湖南省衡阳市影业公司朱光明湖南省衡阳市艺术学校朱雯电影放映气体放电灯的直流供电设备,从最初的交流一直流发电机组到硒整流器、硅整流器、可控硅(可控硅模块)整流器,经过数十年的发展,性能得到很大的提高,但一直未跨出使用笨重的工频变压器、电抗器、电感器和电容器的框框。
这些设备的共同缺点是用材多、体积大、耗能多、功效低,已经不能适应当今高科技时代的发展。
无工频变压器开关电源一扫传统直流电源的缺点。
开关器件在截止时两端电压高,但电流极小;在导通时电流大,但两端电压极低。
器件上的伏安乘积即功耗很小。
开关器件从截止到导通,从导通到截止的过渡过程极短,器件的开关过程损耗也很小。
极短的开通和关断的过渡过程,使开关频率得以提高。
开关变压器比工频变压器效率要高很多。
滤波电感和电容在高频状态下工作,很小的电感量和电容量就可以达到极好的滤波效果。
由于这些部件可以做得体积小、重量轻。
低耗、高效、轻便,使无工频变压器开关电源得到人们的青睐。
新型开关器件IGBT的出现以及软开关技术的应用,更让开关型直流电源得以飞跃地发展。
IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor)即绝缘栅双极晶体管。
由绝缘栅型场效应管和双极型功率三极管复合而成,是电压驱动的新型半导体器件。
场效应管输入阻抗高,开关速度快,驱动功率小,温度稳定性好。
但导通压降大,载流密度小。
双极型晶体管导通压降低,载流密度大。
但输入阻研发与应用抗低,需要一定的驱动电流和较大的驱动功率,开关速度不能做得很快。
IGBT具有绝缘栅型场效应管和双极型晶体管的优点:
开关速度高,驱动功率小,通态电压低,阻断电压高,导通电流大,温度稳定性好。
因此在大功率开关电源特别在电影放映氙灯电源中得到广泛应用。
本文就IGBT的开关电路及氙灯电源、使用方法和使用注意事项作简要的介绍。
一、IGBT开关电路和氙灯电源1、单管开关电路单管开关电路如图1。
电源经T初级线圈加到IGBT的C极。
当驱动电路来的脉冲方波信号加在G极时,B随着驱动信号高速的导通和截止,在T初图1级产生脉冲磁场,感应次级输出脉冲电流,经高频二极管整流、滤波电路滤波输出直流电流。
T也可以接用高频线圈,以脉冲磁场的方式去感应铁磁器件发热,电磁炉即采用这一方式。
单管开关电路也可以做成斩波器方式,用在液晶投影机的灯电源及开关电源的PFC电路上。
一48一o__、_L一__1万方数据现代电影技术2、推挽式开关电路推挽式开关电路由两只IGBT组成,如图2。
驱动电路图2当驱动电路1端输出方波脉冲信号加到B管G极时,B管导通。
导通电流I流经T初级上半段线圈。
此时驱动电路2端无输出,B管截止。
当驱动电路1端停止输出信号,B管截止后,驱动电路2端输出方波脉冲信号,B。
管导通。
导通电流I流经T初级下半段线圈。
驱动电路1端和2端交替输出方波脉冲信号,B管和B管轮换导通和截止。
脉冲电流在T初级产生脉冲磁场感应次级输出脉冲电流,经相应的高频整流滤波电路变换成直流输出。
3、半桥式开关电路半桥式开关电路有单电容式和双电容式两种。
单电容半桥式开关电路的初始输出电压高出正常输出电压近一倍,适合要求较高启辉电压的荧光灯使用,如LCD显示屏背光灯等。
这里不作进一步介绍。
驱动电路一C-C2图3双电容半桥式开关电路如图3。
+研发与应用该电路由两只IGBT和两只电容器组成。
B和B。
组成一臂,C和C。
组成另一臂,两个桥臂中间跨接T的初级。
当驱动电路1端输出方波脉冲信号加到B管G极时,B管导通。
导通电流I流经B、C、T初级、C。
此时驱动电路2端不输出信号,B管截止。
驱动电路1端停止输出信号,B管截止后,驱动电路2端输出方波脉冲信号加到B管G极,B管导通。
导通电流I。
流经C、T初级、C、B。
驱动电路两个端子交替输出脉冲信号,B管和B管轮换导通和截止。
交替流过T初级的I和I。
在T上产生脉冲磁场,感应次级输出脉冲电流,经高频整流滤波电路变换成直流输出。
双电容半桥式开关电路适用于中等功率的直流电源。
井冈山D10004型氙灯电源就采用了IGBT双电容半桥式开关电路。
该电路在使用中的一个缺点是:
大容量的电解电容器处于高频、高温工作状态,电容器的损耗较大。
而作为流动放映机,使用率不是很高,长时间的搁置,易使电容器中的电解质逐渐失效。
由于元件本身的质量原因会导致电容器容量变小和高频特性下降,氙灯电源输出电流将减小。
当两只电容器的性能差别较大时,两只IGBT的导通电流也会差别较大。
当氙灯电源输出给氙灯的电流小于整定值时,系统将自动调大驱动脉冲信号方波的宽度,增大IGBT的导通时间,以维持输出电流不减小。
而导通电流大的管子将会因功耗过大而损坏,并可能波及另一只管子。
如果两只电容器性能变差太多,自动稳流和人工调流让IGBT的导通时间更加延长。
如果延长到“死区”,一只管子没有完全关断,另一只管子就开始导通,将造成两只IGBT短路性损坏。
因此,检修IGBT损坏的双电容半桥式开关电路的氙灯电源时,一定注意检查两只电容器的容量和高频特性,不能单纯地更换新管了事。
图3每只电容实际上是由多只电容器并联成一组构成。
4、全桥式开关电路全桥式开关电路如图4。
该电路由4只IGBT组成,由4个脉冲信号分-49-万方数据现代电影技术别驱动。
B和B。
组成一臂,B3和B组成另一臂,两个桥臂中间跨接T的初级。
驱动电路交替驱动BB和B。
BlB导通,BB。
截止;BB截止后BzB。
导通。
I和I交替流过T初级,产生的脉冲磁场感应次级输出脉冲电流,经相应的整流滤波电路变换成直流输出供给氙灯。
图4BB和BB。
两组开关管不允许同时导通,否则将造成IGBT损坏。
而IGBT从导通到完全截止有一个过渡时间,如果在这时段另一组开关管也导通,工作电源将被短路。
因此,在这时段设有一个让两组开关管同时截止的“死区”时间,以避免发生这一情况。
半桥式开关电路中的B。
和B。
也有同样的要求。
5、PFC开关电路PFC(PowerFactorCorrection)即功率因数校正。
前面介绍的开关电路的直流供电电压(工作电源),是由电网经二极管整流、电容器滤波得到的。
大容量的滤波电容器间断地充电,充电大电流让电网的正弦波迭加了多次谐波,使电网的正弦波失真,对其它电子设备产生电磁干扰。
失真的正弦波也使电磁兼容问题出现,让需要正弦波交流电的电动机等设备受到影响。
为此,各国对电磁干扰和电磁兼容制定了强制性标准。
为了解决这一问题,在开关电路之前的供电电路上增加一级PFC电路,进行功率因数校正(或称电流波形校正)。
PFC电路有主动式和被动式两种,这里简要介绍前者。
主动式PFC电路的原理是:
从电网整流出来的研炎与应蹋脉动直流不加电容器滤波,直接送入斩波器进行斩波,形成几百kHz的高频脉冲。
然后再经二极管整流和容量不大的电容器滤波,变换成直流供给开关电路使用。
简单地说就是在开关电路之前增加了一级输入电源无滤波电容器的开关电路。
这样,电网中由电容充电电流造成的谐波受到抑制,电网的正弦交流电波形不受影响。
巴可DP2000数字放映机氙灯电源中就采用了PFC技术,让开关电源对电网的电磁干扰和电磁兼容问题得以解决。
6、IGBT模块人们把两只IGBT及相应的阻尼二极管封装到一起做成模块。
把4只IGBT及相应电路封装到一起做成全桥式模块。
把驱动电路和IGBT全桥式开关电路封装在一起做成全桥式功率模块既保证了IGBT参数的一致性,又使设备中的电路简洁,性能可靠,安装方便。
松花江5545型放映机氙灯电源里型号为BSM50GB120DN2l的模块,就是由C、E极并有阻尼二极管的两只性能一致的rCl。
E。
J_1。
1ClIGELJ图5IGBT封装在一起的。
如图5。
7、IGBT智能功率模块随着科技的发展和制作工艺的提高,人们把IGBT全桥式功率开关电路、驱动电路,过热、过流、过压、短路保护和报警电路,智能化检测和控制电路,与微机通讯电路等全部封装在一起,称为智能功率模块IPM(IntelligentPowerModule)。
IPM做成的氙灯电源外围电路更少,体积更小,重一50万方数据现代电影技术量更轻,性能更高,功能更全,在氙灯电源中被越来越多的使用。
装有大功率氙灯的数字放映机,氙灯电源基本上都使用IPM。
8、冗余电源为了供电的高可靠性,人们把两个完全一样的电源组成一个电源,称为冗余电源RPS(RedundantPowerSystem)。
RPS与传统的备用电源的工作模式大不一样。
传统备用电源模式虽然也是两台设备,但平时只有一台在工作,另一台在停机备用之中。
当工作的电源设备出故障后,备用电源设备立即启动顶替其工作,始终只有一台设备在供电。
而RPS在正常工作时,两个电源模块同时工作,共同向负载供电,由处理器控制两个电源模块进行负载平衡的调整。
每一个电源模块处于半功率输出的工作状态,因而故障率也低。
当一个电源模块出现故障时,处理器指令另一个电源模块立刻提高输出功率,填补负载缺失的工作电流,接替故障电源模块的那一部分工作。
在故障电源更换后,仍恢复两个电源模块共同供电。
巴可DP2000数字放映机氙灯电源LPS(Lamppowersupply)就是冗余电源,由两个相同的氙灯电源模块组成。
两个模块并联向氙灯供电。
当某个模块发生故障时,系统立即关闭该模块,另一模块仍正常工作。
氙灯继续点亮,维持放映。
此时,放映机触摸屏显示一条信息“LamppowerLampisonbutatleastonelamppowersupplyisoff”,提示某一电源已退出向氙灯供电。
同时,在故障电源模块面板右上方的绿色指示灯熄灭,面板左下方的红色指示灯点亮。
而正常工作的那台电源模块绿灯是点亮、红灯是熄灭的。
方便技术人员快速识别。
氙灯电源每个模块面板上有五只标有功能的指示灯,分别显示所在模块的工作状态。
LAMP一0N绿灯点亮:
氙灯电源在向氙灯供电。
LVPSOK橙灯点亮:
低压供电正常,电网电压大于2O0VAC,电源模块内部低压供电正常。
LVPSOK橙灯熄灭:
电网电压消失,氙灯电源模块内部保险丝F100熔断或内部低压供电不正常。
PFCOK绿灯点亮:
研发与应用(氙灯电源内部)PFC电路通电正常。
LPSOK绿灯点亮:
氙灯电源接通,运转正常。
ERR红灯点亮:
故障检测(氙灯电源硬件故障),PFC电路或氙灯电源没有一个启动。
二、IGBT使用注意事项IGBT的G极和E极之间有一层起隔离作用且极薄的氧化膜。
其击穿电压一般在25V左右。
静电容易导致氧化膜击穿。
在收储保管IGBT时,应把G、E极短接。
多数厂家在IGBT模块出厂时就在G、E极接线桩上安放了短路环。
平时应注意不要用手或者其它物件去触碰G极,防止被静电和感应电荷击穿。
在焊接时,焊接工具要可靠地接地。
最好在G、E极短接的状态下进行G极的焊接。
使用一段时间,要检查驱动信号线的接插件是否正常,不要因接插不好而导致G极处于开路状态。
在通电时,G极开路易让C、E极击穿;在不通电时,G极开路易让电荷逐渐聚集击穿G、E极之间的氧化膜。
南方返潮的天气,水汽容易在电路板上凝结成小水珠,这种现象称作结露。
驱动信号线若结露将会让电荷泄漏使驱动电压减低,IGBT将导通不足,功耗过大而损坏。
结露也可能把附近高电场的电荷传导到驱动信号线上,从而击穿G极。
因此,在潮湿天气最好使用空调器进行除湿,保护IGBT安全使用。
要定期清理电路上的尘土,尘土导致的损坏与结露导致的情况类似。
全桥式开关电路的氙灯电源中有4组驱动信号线,各线输送的脉冲方波信号的相位不同,直流电位也各异,在检修时不要把位置弄错。
尽管四组线的接插件使用不同的规格,调错后是接插不上的。
但更换IGBT模块时,信号线是需要重新焊接的。
若信号线接错了位置,将会引入错误的驱动信号和直流电位,造成IGBT模块短路性损坏,并殃及附属电路。
因此,更换IGBT模块时,最好事先把驱动信号线做上标记,并且一组一组地对应焊接,以保安全。
要注意氙灯电源设备的散热。
装管时必须保持IGBT与散热片装配面的平整和清洁,并均匀涂布万方数据现代电影技术导热硅脂。
应按照说明书上的要求,保证氙灯电源与周边设备和墙体的间距。
工作时要保证机上风扇和外置风机运转正常,环境温度过高时最好使用空调降温。
松花江5545型放映机,当氙灯点亮数分钟后熄灭,待冷却后又可点亮,数分钟后又熄灭的情况发生时,就要考虑氙灯电源的温度过高了。
多数情况是机内风扇停转,也可能是环境温度太高。
因为机内温控器达到预定温度时便会关断驱动信号电路的电源,氙灯电源停止向氙灯供电。
当温度降低,温控器又会开启驱动信号电路的电源,氙灯电源又可以工作。
从而表现出反复开机停机的状况。
巴可DP2000数字放映机要求环境温度为1O35。
在触摸屏上可以显示机器内各点的温度值及机内各风扇的工作状态,很方便技术人员检查。
当环境温度超出要求(过冷或过热),系统会发出保护的指令,并在触摸屏上显示警告信息。
同时,放映机尾部上方的状态指示灯(尾灯)变成固定的红色。
要注意氙灯触发器工作时的高频高压窜到氙灯电源内造成IGBT击穿。
当触发器高频旁路电容器设置不当或者失容时极易发生这种情况。
若多次发生IGBT的C、E极击穿、保护电路损坏的情况,在排除G极开路造成的击穿后,就要考虑上述原因并进行相应检查了。
巴可DP2000数字放映机氙灯电源两个供电模块的输出端是并联的,输出的电流大。
常常因输出接线桩紧固不良造成较大的接触电阻。
若某一个输出接线桩出现这一情况时,将造成两个电源模块供电不平衡,严重时导致接线桩头发热烧蚀。
这一故障比较隐蔽,不易从氙灯的工作状态上发现问题,研发与应用因而须定期检查接线桩的紧固状态。
巴可DP2000数字放映机的灯箱为模块结构,可以整体从放映机上快速卸下来。
氙灯的两根正负极线经过灯箱上的两个插孔与放映机上的插销联接。
氙灯的工作电流很大,两个接插件若接触不好将造成故障。
接触电阻发生变化造成灯电压也变化,系统检测出跳变的电压会误判氙灯在飘弧。
在连续检测出跳变的电压后。
系统会发出停止向氙灯供电的指令。
氙灯电源停止供电,氙灯熄灭。
同时,放映机的状态指示灯变成固定的红色。
触摸屏显示:
“Lampisoffduetoanerror”。
提示氙灯因一个故障而关断(关灯保护),需要检查氙灯及灯箱的状况。
内部接线不良的新灯,用旧或飘弧的氙灯也可能出现这种情况,可以调换氙灯试验。
灯箱上的插孑L正常时是银白色,当接触不良引发高热后表面就会变成黑蓝色。
定期检查这两个接插件很有必要。
巴可DP2000数字放映机氙灯灯箱具有自动的2D到3D的快速转换功能。
当按下3D放映通道键后,氙灯电流会自动提升到180A。
以后放映2D电影,氙灯电流并不会自动调回到原先设定的电流值,需要人工调节。
若技术人员不留意,在放映完3D电影后忘记把氙灯电流调小,或者无意间触碰了3D放映通道键,氙灯将在180A大电流情况下长期工作。
除了加大氙灯的损耗外,也容易造成两个接插件的升温。
IGBT在氙灯开关电源中的应用是一项新技术,我们的使用经验和认知水平有限。
撰写此文,目的在于与同行交流、学习和探讨。
有关开关电源驱动电路等更多的介绍,请参阅现代电影技术)2006年第9期谈开关电源在放映电源中的应用一文。
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技术术语数字领域(DigitalDomain):
简称D2,由美国导演迈克尔贝创立的特效公司,在美国名气仅次于工业光魔。
其技术优势在于粒子特效,后天中的大气以及海洋特效,加勒比海盗3中的海战特效均由其完成。
该公司曾以泰坦尼克号和美梦成真两获奥斯卡最佳视觉效果奖和技术成就奖。
电影科研所高新技术部供稿一52万方数据IGBT在氙灯电源中的应用IGBT在氙灯电源中的应用作者:
朱光明,朱雯作者单位:
朱光明(湖南省衡阳市影业公司),朱雯(湖南省衡阳市艺术学校)刊名:
现代电影技术英文刊名:
AdvancedMotionPlctureTechnology年,卷(期):
2011(7)本文链接:
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- IGBT 氙灯 电源 中的 应用
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