1 引言
在電鍍行業(yè)里,,一般要求工作電源的輸出電壓較低,,而電流很大。電源的功率要求也比較高,,一般都是幾千瓦到幾十千瓦,。目前,如此大功率的電鍍電源一般都采用晶閘管相控整流方式,。其缺點(diǎn)是體積大,、效率低、噪音高,、功率因數(shù)低,、輸出紋波大、動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢,、穩(wěn)定性差等,。
本文介紹的電鍍用開關(guān)電源,輸出電壓從0~12V,、電流從0~5000A 連續(xù)可調(diào),,滿載輸出功率為60kW.由于采用了ZVT軟開關(guān)等技術(shù),同時(shí)采用了較好的散熱結(jié)構(gòu),,該電源的各項(xiàng)指標(biāo)都滿足了用戶的要求,,現(xiàn)已小批量投入生產(chǎn)。
2 主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
鑒于如此大功率的輸出,,高頻逆變部分采用以IGBT為功率開關(guān)器件的全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),,整個(gè)主電路如圖1 所示,,包括:工頻三相交流電輸入、二極管整流橋,、EMI 濾波器,、濾波電感電容、高頻全橋逆變器,、高頻變壓器,、輸出整流環(huán)節(jié)、輸出LC 濾波器等,。
隔直電容Cb 是用來平衡變壓器伏秒值,,防止偏磁的??紤]到效率的問題,,諧振電感LS 只利用了變壓器本身的漏感。因?yàn)槿绻撾姼刑?,將?huì)導(dǎo)致過高的關(guān)斷電壓尖峰,,這對開關(guān)管極為不利,同時(shí)也會(huì)增大關(guān)斷損耗,。另一方面,,還會(huì)造成嚴(yán)重的占空比丟失,引起開關(guān)器件的電流峰值增高,,使得系統(tǒng)的性能降低,。
圖1 主電路原理圖
3 零電壓軟開關(guān)
高頻全橋逆變器的控制方式為移相FB2ZVS 控制方式,控制芯片采用Unitrode 公司生產(chǎn)的UC3875N,。超前橋臂在全負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了零電壓軟開關(guān),,滯后橋臂在75 %以上負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了零電壓軟開關(guān)。圖2 為滯后橋臂IGBT 的驅(qū)動(dòng)電壓和集射極電壓波形,,可以看出實(shí)現(xiàn)了零電壓開通,。
開關(guān)頻率選擇20kHz ,這樣設(shè)計(jì)一方面可以減小IGBT的關(guān)斷損耗,另一方面又可以兼顧高頻化,,使功率變壓器及輸出濾波環(huán)節(jié)的體積減小,。
圖2 IGBT驅(qū)動(dòng)電壓和集射極電壓波形圖
4 容性功率母排
在最初的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)中,濾波電容C5 與IGBT 模塊之間的連接母排為普通的功率母排,。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)IGBT上的電壓及流過IGBT的電流均發(fā)生了高頻震蕩,,圖3 為滿功率時(shí)采集的變壓器初級(jí)的電壓、電流波形圖,。原因是并聯(lián)在IGBT 模塊上的突波吸收電容與功率母排的寄生電感發(fā)生了高頻諧振,。滿載運(yùn)行一小時(shí)后,功率母排的溫升為38 ℃,電容C5 的溫升為24 ℃,。
圖3 使用普通功率母排時(shí)變壓器初級(jí)電壓,、電流波形
為了消除諧振及減小功率母排、濾波電容的溫升,,我們最終采用了容性功率母排,,圖4 為采用容性功率母排后滿功率時(shí)采集的變壓器初級(jí)的電壓、電流波形圖,。從圖中可以看出,,諧振基本消除,滿載運(yùn)行一小時(shí)后,,無感功率母排的溫升為11 ℃,,電容C5的溫升為10 ℃。
圖4 使用容性功率母排后變壓器初級(jí)電壓和電流波形
5 采用多個(gè)變壓器串并聯(lián)結(jié)構(gòu),,使并聯(lián)的輸出整流二極管之間實(shí)現(xiàn)自動(dòng)均流
為了進(jìn)一步減小損耗,,輸出整流二極管采用多只大電流(400A) 、耐高電壓(80V) 的肖特基二極管并聯(lián)使用,。而且,,每個(gè)變壓器的次級(jí)輸出采用了全波整流方式。這樣,,每一次導(dǎo)通期間只有一組二極管流過電流。同時(shí),,次級(jí)整流二極管配上了RC 吸收網(wǎng)絡(luò),,以抑止由變壓器漏感和肖特基二極管本體電容引起的寄生震蕩。這些措施都最大限度地減小了電源的輸出損耗,,有利于效率的提高,。
對于大電流輸出來說,一般要把輸出整流二極管并聯(lián)使用,。但由于肖特基二極管是負(fù)溫度系數(shù)的器件,,并聯(lián)時(shí)一般要考慮它們之間的均流。二極管的并聯(lián)方式有許多種,,圖5 所示,,圖a 為直接并聯(lián)方式;圖b 為串入電阻并聯(lián)方式,;圖c 為串入動(dòng)態(tài)均流互感器并聯(lián)方式,。(均以四只二極管的并聯(lián)為例)。
圖5 二極管的并聯(lián)方式
對于直接并聯(lián)方式,,二極管的均流效果很差,,輸出電流一般限制在幾十安培到幾百安培左右,不易于做到上千安培。在電流為上千安培輸出的情況下,,為了達(dá)到均流的目的,,可以采用串入電阻方式并聯(lián)或采用串入動(dòng)態(tài)均流互感器并聯(lián)。由于鄰近效應(yīng)及趨膚效應(yīng)的影響,,對于串入電阻的并聯(lián)方式,,二極管的均流效果隨輸出電流的大小而改變,均流效果較差,。為達(dá)到較好均流效果,,串入的電阻不宜太小,這又帶來較大的損耗,。對于串入動(dòng)態(tài)均流互感器的并聯(lián)方式,,可以達(dá)到較好的均流效果,但大電流互感器的制作工藝復(fù)雜,,成本高,,同時(shí)由于動(dòng)態(tài)均流互感器的漏感及引線電感的存在,使得二極管在關(guān)斷時(shí)的反向尖峰電壓增高,,電磁干擾及損耗隨之增加,。
為了克服以上并聯(lián)方式的不足之處,使輸出整流二極管實(shí)現(xiàn)既能自動(dòng)均流,,降低損耗,,又可以降低制作工藝的復(fù)雜性,我們設(shè)計(jì)了一種新穎的高頻功率變壓器,,如圖1 所示,。這種變壓器是由8 個(gè)相同的小變壓器構(gòu)成,變比均為4∶1 ,它們的初級(jí)串聯(lián),,而次級(jí)則采用并聯(lián)結(jié)構(gòu),。該變壓器采用初級(jí)自冷和次級(jí)水冷相結(jié)合的冷卻方式,這樣考慮主要在于它們的熱損耗不同,,而且可以大大簡化變壓器的制作工序,。
下面以兩個(gè)變壓器組為例(圖6 所示) ,說明二極管之間的均流。
圖6 多個(gè)變壓器的連接示意圖
uin為正時(shí),, u1 與u3 為正,,二極管D1 與D3 導(dǎo)通,D2 與D4 截止,,此時(shí)可以得出:
當(dāng)二極管的管壓降uD1 與uD3 不等時(shí),,由公式(3) 、(4) ,、(5) ,、(6) 可以得出,,兩個(gè)變壓器原邊的電壓uA與uB 也不等,二極管管壓降高的變壓器原邊的電壓就高,,反之亦然,。由公式(1) 、(2) 得:
即流過二極管D1 與D3 的電流始終相等,,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)均流,。可見,,變壓器的這種連接方式,,是靠調(diào)整單個(gè)變壓器原邊的電壓來實(shí)現(xiàn)輸出整流二極管的自動(dòng)均流。
多個(gè)變壓器的這種連接方式,,不僅可以使得輸出整流二極管實(shí)現(xiàn)自動(dòng)均流,,還可以使得變壓器的設(shè)計(jì)模塊化,簡化變壓器的制作工藝,,降低了損耗,。
與一只單個(gè)變壓器相比,多個(gè)變壓器的這種連接方式,,減小了變壓器的變比,,增強(qiáng)了變壓器原副邊的磁耦合性,減小了漏感(實(shí)際測量8 個(gè)變壓器原邊串聯(lián)后的漏感為6μH) ,減小了占空比的丟失,。圖7 為滿載時(shí)變壓器初級(jí)電壓波形VP 和次級(jí)電壓波形VS ,從圖中可以看到占空比丟失不多(大約為5 %) ,使得系統(tǒng)的性能顯著提高,。
圖7 變壓器初級(jí)和次級(jí)電壓波形圖
6 控制電路的設(shè)計(jì)
由于在本電源中使用的開關(guān)元件的過載承受能力有限,必須對輸出電流進(jìn)行限制,,因此,,控制電路采用電壓電流雙環(huán)結(jié)構(gòu)(內(nèi)環(huán)為電流環(huán),外環(huán)為電壓環(huán)) ,調(diào)節(jié)器均為PID.圖8 為控制電路的原理框圖,。加入電流內(nèi)環(huán)后,不僅可以對輸出電流加以限制,,并且可以提高輸出的動(dòng)態(tài)響應(yīng),,有利于減小輸出電壓的紋波。
圖8 控制電路的原理框圖
在實(shí)際的控制電路中采用了穩(wěn)壓,、穩(wěn)流自動(dòng)轉(zhuǎn)換方式,。圖9 為穩(wěn)壓穩(wěn)流自動(dòng)轉(zhuǎn)換電路。其工作原理是:穩(wěn)流工作時(shí),,電壓環(huán)飽和,,電壓環(huán)輸出大于電流給定,從而電壓環(huán)不起作用,,只有電流環(huán)工作,;在穩(wěn)壓工作時(shí),電壓環(huán)退飽和,電流給定大于電壓環(huán)的輸出,,電流給定運(yùn)算放大器飽和,,電流給定不起作用,電壓環(huán)及電流環(huán)同時(shí)工作,,此時(shí)的控制器為雙環(huán)結(jié)構(gòu),。這種控制方式使得輸出電壓、輸出電流均限制在給定范圍內(nèi),,具體的工作方式由給定電壓,、給定電流及負(fù)載三者決定。
圖9 穩(wěn)壓穩(wěn)流自動(dòng)轉(zhuǎn)換電路
由于本電源的容量為60kW,為了提高效率,、減小體積,、提高可靠性,因此,,采用軟開關(guān)技術(shù),。高頻全橋逆變器的控制方式為移相FB2ZVS 控制方式[1 ] ,它利用變壓器的漏感及管子的寄生電容諧振來實(shí)現(xiàn)ZVS .控制芯片采用Unitrode 公司生產(chǎn)的UC3875N。通過移相控制,,超前橋臂在全負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了零電壓軟開關(guān),,滯后橋臂在75 %以上的負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了零電壓軟開關(guān)。圖2 為滯后橋臂IGBT的驅(qū)動(dòng)電壓和集射極電壓波形,,可以看出實(shí)現(xiàn)了零電壓開通,。
7 總結(jié)
該電源裝置中,使用移相全橋軟開關(guān)技術(shù),,使得功率器件實(shí)現(xiàn)零電壓軟開關(guān),,減小了開關(guān)損耗及開關(guān)噪聲,提高了效率,;設(shè)計(jì)并使用了一種新穎的高頻功率變壓器,,通過調(diào)整單個(gè)變壓器的原邊電壓使輸出整流二極管實(shí)現(xiàn)自動(dòng)均流;設(shè)計(jì)并使用了容性功率母排,,減小了系統(tǒng)中的振蕩,,減小了功率母排的發(fā)熱??刂齐娐分胁捎昧朔€(wěn)壓穩(wěn)流自動(dòng)轉(zhuǎn)換方案,,實(shí)現(xiàn)了輸出穩(wěn)壓穩(wěn)流的自動(dòng)切換,提高了電源的可靠性及輸出的動(dòng)態(tài)響應(yīng),,減小了輸出電壓的紋波,。
實(shí)驗(yàn)取得了令人滿意的結(jié)果,其中功率因數(shù)可達(dá)0. 92 , 滿載效率為87 % , 輸出電壓紋波小于25mV.不僅如此,,各項(xiàng)指標(biāo)都達(dá)到甚至超過了用戶要求,,而且通過了有關(guān)部門的技術(shù)鑒定,,現(xiàn)已批量投入生產(chǎn)。