1·引言
傳統(tǒng)電鍍電解直流電源采用晶閘管相控整流模式，導(dǎo)致電網(wǎng)側(cè)諧波大,、功率因數(shù)" title="功率因數(shù)">功率因數(shù)低?，F(xiàn)代電鍍電解開關(guān)電源采用二極管整流-IGBT逆變" title="逆變">逆變橋-高頻變壓器耦合-低壓整流的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有體積小,、效率高,、直流電壓紋波小的優(yōu)點(diǎn)，但直流母線采用大電容濾波,，同樣會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)側(cè)電流畸變,、功率因數(shù)降低,。鑒于電鍍電源" title="電鍍電源">電鍍電源要求輸出直流低電壓和大電流，設(shè)計(jì)的電源采用電壓空間矢量控制三相PWM整流器,，從而實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)校正,。采用IGBT全橋逆變，高頻變壓器耦合輸出,，最后通過倍頻整流和LC濾波,，使直流輸出電壓的質(zhì)量和裝置能量密度顯著提高。
文中介紹的電鍍用開關(guān)電源,，其滿載輸出功率為60kW,，輸出電壓為12V，輸出電流為5kA,，且連續(xù)可調(diào),。通過采用三相PWM整流技術(shù)控制相電流實(shí)現(xiàn)正弦波。理論分析,、仿真及實(shí)驗(yàn)表明,，該電路實(shí)現(xiàn)了輸入電流的高功率因數(shù)整流和低電流畸變，有效抑制電鍍電源的網(wǎng)側(cè)電流諧波,。同時(shí)采用全橋零電壓軟開關(guān)控制方式,，有效減少了功率損耗。
2·主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
鑒于大功率的輸出,，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),。
圖1示出電源主電路，包括：工頻三相交流電輸入,、整流橋,、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,。其中,，C1為小電容，用于濾除尖峰脈沖帶來的毛刺,；C2為大容量電容,；VTi（i=1～4）構(gòu)成全橋逆變器；Cz為防止變壓器發(fā)生磁偏的隔直電容,。
盡管目前廣泛采用軟開關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)大功率開關(guān)電鍍電源的設(shè)計(jì)方案比以前晶閘管相控整流方式效果更佳,，但仍存在損耗大、功率因數(shù)低以及諧波等問題，故三相功率因數(shù)校正成為研究熱點(diǎn),。為此,，在設(shè)計(jì)中增加了功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)，從而有效地提高了電源的功率因數(shù)和效率,。
3·三相PWM高功率因數(shù)整流環(huán)節(jié)
三相PWM高頻整流電路的主要原理是通過對(duì)PWM整流電路的適當(dāng)控制,，使輸入電流非常接近于正弦波，且和輸入電壓同相位,，功率因數(shù)近似為1,，因此，該整流電路可稱為高功率因數(shù)整流器,。圖2示出基于三相PFC的電鍍電源系統(tǒng)框圖,，其中前級(jí)為三相PFC及其控制電路。
3.1整流環(huán)節(jié)電路拓?fù)?/strong>
圖3示出三相PWM高頻整流拓?fù)?，整流主電路?個(gè)IGBT與快速恢復(fù)二極管構(gòu)成,，系統(tǒng)中的電流方向如圖所示。
設(shè)三相對(duì)稱,，定義開關(guān)函數(shù)：當(dāng)Sg=1（Sg*=0）時(shí),，上橋臂開關(guān)管" title="開關(guān)管">開關(guān)管導(dǎo)通，下橋臂開關(guān)管截止,；而當(dāng)Sg=1（Sg*=0）時(shí),，開關(guān)管導(dǎo)通情況相反，其中g(shù)=a,，b,，c。
3.2電壓空間矢量原理
三相PWM整流器采用電壓空間矢量控制,，定義三相電壓型PWM整流器網(wǎng)側(cè)輸入電壓矢量為：
根據(jù)三相PWM整流器開關(guān)信號(hào)S的定義,，整流器有8種導(dǎo)通模式，對(duì)應(yīng)的空間電壓矢量：U0（000）,，U1（100）,，U2（110），U3（010）,，U4（011）,，U5（001），U6（101）,，U7（111）,，其中U1～U6為6個(gè)非零有效矢量,，U0和U7為兩個(gè)零矢量,。在一個(gè)電流采樣周期內(nèi)，開關(guān)管的導(dǎo)通總是以零矢量開始并以零矢量結(jié)束。用6個(gè)非零矢量和兩個(gè)零矢量去逼近電壓圓,，整流器三相橋輸入端會(huì)得到等效的三相正弦波波形,。可用兩個(gè)相鄰非零矢量和兩個(gè)零矢量去逼近任一空間電壓矢量,，從而三相橋輸入為等效正弦波,。因此，在系統(tǒng)運(yùn)行的一個(gè)電網(wǎng)周期內(nèi),，可以在空間中形象地用6個(gè)區(qū)域來劃分電網(wǎng)空間電壓矢量所在的位置：Ⅰ區(qū)θ=0～π/3,；Ⅱ區(qū)θ=π/3～2π/3；Ⅲ區(qū)θ=2π/3～π,；Ⅳ區(qū)θ=π～4π/3,；Ⅴ區(qū)θ=4π/3～5π/3；Ⅵ區(qū)θ=5π/3～2π,。
按上述定義對(duì)電壓空間矢量進(jìn)行合理分配,，控制好零矢量的作用時(shí)間，形成等幅不等寬的PWM脈沖波,，最終實(shí)現(xiàn)追蹤磁通的圓形軌跡,，即實(shí)現(xiàn)SVPWM控制。因?yàn)橹绷鱾?cè)電壓Udc與整流器輸入電流im（m=a,，b,，c）互相影響，使控制變得困難,，因此提出了很多不同的控制方法,。在采用電壓SVPWM控制系統(tǒng)中，根據(jù)文獻(xiàn)采用直接計(jì)算合成參考電壓的方法,，定義空間矢量如下：
通過采用直接計(jì)算合成參考電壓矢量的方法,，使計(jì)算變得簡(jiǎn)單，簡(jiǎn)化了電源硬件和系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì),，很好地控制了直流側(cè)電壓和輸入電流,，有效地提高了電源的功率因數(shù)和效率。
4·逆變橋控制及IGBT的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)
4.1逆變橋控制
全橋逆變器4個(gè)開關(guān)管均采用IGBT,，通過DSP中的事件模塊輸出開關(guān)控制命令,，即PWM控制信號(hào)。PWM信號(hào)通過基于HCLP316J的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路放大后控制逆變電路開關(guān)器件的開通和關(guān)斷,，使逆變器輸出預(yù)期波形,，從而有效提高電鍍電源開關(guān)頻率，大幅減小器件體積,，降低功率器件的開關(guān)損耗,。TMS320F2812是專用于電氣控制與傳動(dòng)控制的集成32位DSP芯片,，它第一次采用片內(nèi)FLASH，采用了多組總線并行機(jī)制,，具有速度高達(dá)150MHz的指令周期頻率,，保證了信號(hào)處理的實(shí)時(shí)性。
4.2IGBT的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)
鑒于對(duì)電源和驅(qū)動(dòng)的要求,，考慮到可靠性和經(jīng)濟(jì)性,，為減小體積、降低噪聲干擾,、改善驅(qū)動(dòng)和保護(hù)性能,，選擇了驅(qū)動(dòng)器件HCLP316J來驅(qū)動(dòng)開關(guān)管IGBT。HCLP316J內(nèi)部使用了光電耦合器來提供控制與驅(qū)動(dòng)電氣上的隔離,，還具有過流檢測(cè)與保護(hù)功能,，通過測(cè)量IGBT兩端的飽和壓降，當(dāng)IGBT流過電流過大如短路時(shí),，HCLP316J可檢測(cè)到危險(xiǎn),，同時(shí)封鎖驅(qū)動(dòng)脈沖并給出報(bào)警信號(hào)。圖4示出基于HCPL316J驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì),。
5·功率合成
由于設(shè)計(jì)的電源功率較大,，為進(jìn)一步提高電源效率，有效實(shí)現(xiàn)大功率合成,，該電源通過采用多個(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，如圖1虛線框內(nèi)所示,。為進(jìn)一步減小損耗,，輸出采用多個(gè)額定電流400A、額定電壓100V的肖特基二極管并聯(lián),。該變壓器是由14個(gè)相同的小變壓器構(gòu)成,，變比均為4∶1。
每個(gè)變壓器的次級(jí)輸出采用倍流整流方式,，從而使變壓器輸出繞組無需中心抽頭,，制造工序簡(jiǎn)化。與全波整流方式相比,，變壓器的匝比減小1/2,，從而變壓器的漏感可以更小，變壓器次級(jí)電壓升高一倍,，電流減小一半,，可大幅減小輸出繞組的損耗；與橋式整流相比,，倍流整流器使用的二極管數(shù)量減少一半,。倍流整流器是結(jié)合全波整流和橋式整流兩者優(yōu)點(diǎn)的整流器,。這些措施都最大限度地減小了電源的輸出損耗，提高了效率,。
6·實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
根據(jù)以上策略，在圖1所示電路基礎(chǔ)上,，采用1.2kV/150A的IGBT模塊開發(fā)了一臺(tái)60kW/20kHz（5kA/12V）大功率高頻電鍍電源,，輸出電壓電流均可調(diào)。實(shí)驗(yàn)電路參數(shù)如下：三相輸入電壓Uin=380V（50Hz）,，輸出功率Po=60kW,，工作頻率f=20kHz。圖5示出采用Tektronix示波器記錄的實(shí)驗(yàn)波形,。
理論分析,、仿真及實(shí)驗(yàn)表明，該電路很容易實(shí)現(xiàn)三相單位功率因數(shù)和低電流畸變,，可有效抑制三相大功率電鍍電源的網(wǎng)側(cè)電流諧波,；負(fù)載電壓電流相位一致，可實(shí)現(xiàn)ZCS,，減小開關(guān)損耗,，提高電源利用效率。
7·結(jié)論
該電源采用三相PWM高功率因數(shù)整流方案,，很好地解決了電鍍電源的電流嚴(yán)重畸變問題,；使用全橋軟開關(guān)技術(shù)，使功率器件實(shí)現(xiàn)零電壓軟開關(guān),，減小了開關(guān)損耗及噪聲,，提高了效率?；赥MS320LF2812的電鍍電源,，充分利用DSP的高速運(yùn)算能力和豐富的片內(nèi)外設(shè)資源；控制電路采用穩(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,，提高了輸出性能；通過變壓器的功率合成方式,，增大了電源容量,，滿足了大功率應(yīng)用場(chǎng)合的需求。經(jīng)仿真和實(shí)驗(yàn)證明,，該電源具有相當(dāng)?shù)耐茝V和使用價(jià)值,。
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