1 電鍍行業(yè)對電鍍電源的技術(shù)要求

　　電鍍行業(yè)的重大關(guān)鍵設(shè)備是電鍍電源,，其性能的優(yōu)劣直接影響到電鍍產(chǎn)品工藝質(zhì)量的好壞；同時(shí),，電鍍行業(yè)最主要的能量消耗是電源,，因此高品質(zhì)的電源是電鍍業(yè)節(jié)能增效的決定性因素，對電網(wǎng)的綠色化也有重要影響,。在電氣性能方面,，電鍍電源屬于低壓大電流設(shè)備，要求操作簡便,、能承受輸入端的突變和輸出端短路,，以及操作過程過載的沖擊。還由于電源設(shè)備工作在酸堿,、潮濕等惡劣環(huán)境下，對電鍍電源的穩(wěn)定性,、可靠性,、抗干擾性、耐腐蝕性等要求也顯得更為重要,。這些,，都是設(shè)計(jì)電鍍電源必須考慮的重要因素,。

　　高頻開關(guān)電源與傳統(tǒng)工頻整流電源相比，具有高效節(jié)能約20%~30%,、省材約80%~90%,、功率密度大（輸出1A電流傳統(tǒng)電源需要制造材料0.5kg~1kg，而開關(guān)式電源只需要0.06kg~0.12kg）,，而且動態(tài)特性和控制調(diào)節(jié)特性好,，制造過程占地少、加工量少等特點(diǎn)[1],。電鍍電源要求輸出功率大（通常輸出電流要2000A以上）,，電鍍行業(yè)推廣應(yīng)用開關(guān)式電源對節(jié)能、節(jié)省資源都是有顯著效果的措施,。

　　2 電鍍電源的主電路結(jié)構(gòu)

　　電鍍電源在滿足其電氣技術(shù)要求的條件下,，應(yīng)該盡量采用結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定可靠的技術(shù)方案,。而高頻開關(guān)電源要獲得大功率輸出,，也要從電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的各方面都要采取相應(yīng)的措施，來保證大功率輸出的要求,。

　　因此,，其工作電源直接選用380V的三相交流電源。經(jīng)過三相橋式整流,，濾波,，作為開關(guān)電源的輸入電源。由于要求輸出大功率,，主回路功率變換器要采用橋式電路才能實(shí)現(xiàn),。因?yàn)闃蚴诫娐肥沟酶哳l變壓器只需要一個(gè)原邊繞組，通過正向,、反向的電壓,，得到正向、反向的磁通,，變壓器鐵芯和繞組利用最佳,，效率、功率密度都較高,；另外,，功率開關(guān)承受的最大反壓可以不超過電源電壓；利用四個(gè)反接在功率開關(guān)兩端的體二極管,，無須設(shè)置能量恢復(fù)繞組,，變壓器的反激能量就可以恢復(fù)利用[2]。所以功率變換器選擇橋式電路結(jié)構(gòu)。主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示,。

　　圖中L C改為斜體,，電容改為平行線

　　3 使用軟開關(guān)變換器方案的必要性

　　在功率變換器使用橋式電路結(jié)構(gòu)的條件下，根據(jù)開關(guān)器件的開關(guān)狀態(tài),，通?？梢詫㈤_關(guān)型功率變換器分為兩大類：硬開關(guān)變換器和軟開關(guān)變換器。以PWM脈沖寬度調(diào)制變換器為例,，它通過改變開關(guān)接通時(shí)間的長短,，即改變脈沖占空比來實(shí)現(xiàn)對輸出電壓和輸出電流的調(diào)整，PWM開關(guān)技術(shù)以其電路簡單,，控制方便而獲得了廣泛的應(yīng)用,。

　　通常DC/DC變換器的橋式主電路結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。

　　圖中符號改為斜體,，二極管改為空心通直線

　　早期的PWM開關(guān)技術(shù),，其電子開關(guān)是一種“硬開關(guān)”，如圖3所示,。即功率開關(guān)管的開通或關(guān)斷是在器件上的電壓或電流不等于零的狀態(tài)下強(qiáng)迫進(jìn)行的,，造成電路的開關(guān)損耗很大，硬開關(guān)變換器由此得名,。正是由于電路的開關(guān)損耗很大,，使得PWM開關(guān)技術(shù)的高頻化、大功率工作受到了許多的限制[3],。由于硬開關(guān)限制了變換器的輸出功率和開關(guān)頻率的提高,，硬開關(guān)條件下的開關(guān)電源輸出功率一般小于10kW，工作頻率為20kHz左右,。針對硬開關(guān)PWM變換器的不足,，八十年代末，一種新的開關(guān)變換器——移相PWM控制軟開關(guān)變換器被提了出來,，并得到廣泛的研究,。

　　脈寬調(diào)制軟開關(guān)技術(shù)(SPWM)的問世，推動大功率逆變技術(shù)的研究與應(yīng)用水平又上了一個(gè)新的臺階,。脈寬調(diào)制軟開關(guān)技術(shù)綜合了傳統(tǒng)脈寬調(diào)制技術(shù)和諧振技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),，僅在功率器件換流瞬間，應(yīng)用諧振原理,，使開關(guān)變換器開關(guān)器件中的電流(或電壓)按正弦或準(zhǔn)正弦規(guī)律變化,。在電流自然過零時(shí)，使器件關(guān)斷,；或電壓為零時(shí),，使器件開通,，實(shí)現(xiàn)開關(guān)損耗為零,，從而實(shí)現(xiàn)零電壓或零電流轉(zhuǎn)換,。而在其余大部分時(shí)間采用恒頻脈寬調(diào)制方法，完成對電源輸出電壓或電流的控制,。因此,，開關(guān)器件承受的電流或電壓應(yīng)力小，可使開關(guān)頻率提高到兆赫的水平,。在這種思想的引導(dǎo)下,，國內(nèi)近10年來，脈寬調(diào)制軟開關(guān)技術(shù)在功率逆變電路中應(yīng)用逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位,。加上DC/DC開關(guān)變換器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的多樣性,，兩者的結(jié)合使得當(dāng)前應(yīng)用的軟開關(guān)功率變換器的電路日益增多。對于要求大功率輸出的高頻電鍍開關(guān)電源,，應(yīng)該選用軟開關(guān)功率變換器,。

　　4 移相控制軟開關(guān)控制方式工作原理

　　移相控制方式是近年來在全橋變換器中使用最多的一種軟開關(guān)控制方式，它是諧振變換技術(shù)和PWM技術(shù)的結(jié)合,。其工作原理為每個(gè)橋臂的兩個(gè)開關(guān)管1800互補(bǔ)導(dǎo)通,，兩個(gè)橋臂的導(dǎo)通之間相差一個(gè)相位，即所謂移相角,。通過調(diào)節(jié)移相角的大小來調(diào)節(jié)輸出電壓的脈沖寬度,，從而達(dá)到調(diào)節(jié)相應(yīng)的輸出電壓的目的。各開關(guān)管的驅(qū)動信號如圖4所示,。

　　移相PWM控制方式利用開關(guān)管的結(jié)電容和高頻變壓器的漏電感作為諧振元件,。漏電感儲存的能量對功率開關(guān)管的兩端并聯(lián)的輸出電容充放電來使開關(guān)管兩端的電壓下降到零，使電路的四個(gè)開關(guān)管依次在零電壓下導(dǎo)通,，在緩沖電容的作用下零電壓關(guān)斷,，從而有效的降低了電路的開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲，減少了器件開關(guān)過程中產(chǎn)生的電磁干擾,，為變換器裝置提高開關(guān)頻率,、效率，降低尺寸及重量提供了良好的條件,。同時(shí),，還保持了一般全橋電路中的結(jié)構(gòu)簡單、控制方式簡潔,、開關(guān)頻率恒定,、元器件的電壓電流應(yīng)力小的優(yōu)點(diǎn)。

　　要實(shí)現(xiàn)PWM DC/DC全橋變換器的軟開關(guān),，必須引入超前橋臂和滯后橋臂的概念,，定義斜對角兩只開關(guān)管中先關(guān)斷的開關(guān)管組成的橋臂為超前橋臂，后關(guān)斷的開關(guān)管組成的橋臂為滯后橋臂。超前橋臂只能實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)ZVS,，并且很容易實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān),，不能實(shí)現(xiàn)零電流開關(guān)ZCS。滯后橋臂可分別實(shí)現(xiàn)ZVS和ZCS,。根據(jù)超前橋臂和滯后橋臂實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)方式的不同,，可以將軟開關(guān)PWM全橋變換器分為兩大類：一類是ZVS PWM全橋變換器，其超前橋臂和滯后橋臂都實(shí)現(xiàn)ZVS,。無論是超前橋臂還是滯后橋臂,，為了實(shí)現(xiàn)ZVS，有必要在開關(guān)管兩端并聯(lián)電容,，或者利用開關(guān)管自身的輸出電容;另一類是零電壓零電流開關(guān)(ZVZCS)PWM全橋變換器,，其超前橋臂實(shí)現(xiàn)ZVS，滯后橋臂實(shí)現(xiàn)ZCS,，對于滯后橋臂,，為了實(shí)現(xiàn)ZCS，不能在開關(guān)管兩端并聯(lián)電容,。它們均采用移相(Phase一shift)控制方式[4],。為了使大功率電鍍開關(guān)電源更好地適應(yīng)電鍍生產(chǎn)的惡劣環(huán)境，筆者選用了結(jié)構(gòu)比較簡單可靠的ZVS移相全橋變換器,。

　　ZVS移相全橋變換器超前臂和滯后臂都實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)(ZVS),。由于變壓器原邊漏感和輸出濾波電感的存在，超前臂關(guān)斷時(shí)電流不會突變,，只能實(shí)現(xiàn)ZVS,。同樣，由于變壓器原邊漏感的存在,，滯后臂關(guān)斷(或另一只開通)時(shí),，如果不設(shè)法使電流復(fù)位(減小至0)的話，也只能實(shí)現(xiàn)ZVS,。實(shí)現(xiàn)的方法同樣是在其開關(guān)管兩端并聯(lián)電容,。ZVS移相全橋變換器的原理圖如圖5所示。

　　為了更好地理解其工作原理,，在分析ZVS移相全橋變換器工作原理之前,，先作如下假設(shè):

　　① 所有開關(guān)管,、二極管均為理想器件,；

　　② 除特別指定外(如變壓器漏感),，所有電容,、電阻,、電感、變壓器均為理想元件,；

　?、?與開關(guān)管并聯(lián)的電容中，Cl=C3,，C2=C4,；

　?、?輸出濾波電感L遠(yuǎn)大于變壓器漏感,，即L>>Lk。

　　ZVS移相全橋電路在主功率管Ql,、Q4導(dǎo)通切換到Q3,、Q2導(dǎo)通的半個(gè)開關(guān)周期中，要經(jīng)歷6個(gè)開關(guān)模態(tài),。其中a b兩點(diǎn)間電壓Vab,。變壓器原邊電流ip和整流橋輸出電壓Vrect的波形如圖6所示。分述如下,。

　　圖中二極管改為空心通直線,，電容為平行線

　　（1）開關(guān)模態(tài)1

　　[t-,，t0] 時(shí)刻：t0時(shí)刻之前,，Ql、Q4導(dǎo)通,。原邊電流經(jīng)Ql,，主變壓器原邊，Lk,，Q4向副邊傳輸能量,。a b間電壓Vab=Vi，原邊電流ip線性上升,。

　?。?）開關(guān)模態(tài)2

　　[t0，t1]時(shí)間段：t0時(shí)刻,，Q1關(guān)斷,，由于有C1的存在， Ql電壓不能突變,，電壓緩升,，是零電壓關(guān)斷。Ql關(guān)斷后,，a b間電壓Vab開始迅速下降,，但是仍大于0,，故此時(shí)副邊仍工作在整流狀態(tài)?？烧J(rèn)為輸出濾波電感L與原邊漏感Lk串聯(lián),。因?yàn)殡姼须娏鞑荒芡蛔儯詉p仍按原方向流動,，并逐漸減小,。電流ip給Cl充電，給C3放電,。Vab在tl時(shí)刻減小到0,。

　　（3）開關(guān)模態(tài)3

　　[t1,，t2]時(shí)間段：t1時(shí)刻,，C1充電，C3放電均結(jié)束,，Vab減小到0,。Q3的反并二極管D3自然導(dǎo)通。此[t1,，t2] 時(shí)間段中開通Q3,，則Q3是零電壓開通。開通Q3時(shí),，由于原邊電流方向不變,，Q3上不會立即有電流流過。原邊電流ip仍然流過D3,，主變壓器原邊,，漏感Lk和Q4，形成環(huán)流,。

　?。?）開關(guān)模態(tài)4

　　[t2，t3]時(shí)間段：t2時(shí)刻關(guān)斷Q4以后,，原邊電流ip給C4充電,，給C2放電。由于Vab= -Vc4,，副邊整流管D2和D3開始導(dǎo)通,，這使得整流橋工作在四只管子都導(dǎo)通的續(xù)流狀態(tài)。在反向電壓的作用下,，ip下降速率增大,。

　　（5）開關(guān)模態(tài)5

　　[t3,，t4]時(shí)間段：t3時(shí)刻,，C2放電至0,，C4充電至Vi。Q2的反并二極管D2自然導(dǎo)通,。這個(gè)時(shí)間內(nèi)開通Q2,，則Q2是零電壓開通。此外,，原邊電流ip在-Vi的作用下,，迅速下降。

　?。?）開關(guān)模態(tài)6

　　[t4,，t5] 時(shí)間段：原邊電流ip在-Vi的作用下減小至0并反向增加，但這時(shí)的原邊電流很小,，無法向負(fù)載輸送能量,，因此副邊整流管仍然工作在續(xù)流模式下，直至t5時(shí)刻,，原邊電流反向增大，足以給負(fù)載供電,。此后原邊電流經(jīng)回路Q2,，漏感Lk，主變壓器原邊,，Q3向負(fù)載供電,，切換過程結(jié)束。

　　5 ZVS移相控制軟開關(guān)控制方式存在的問題

　　由以上分析可以看出,，ZVS移相全橋變換器要實(shí)現(xiàn)軟開關(guān),，必須在有限時(shí)間內(nèi)有足夠的電流抽取開關(guān)管并聯(lián)電容(附加并聯(lián)電容與結(jié)電容之和)上的電荷，使開關(guān)管兩端電壓下降至0,。既然ZVS移相全橋變換器軟開關(guān)的實(shí)現(xiàn)與原邊電流有關(guān),，那么在負(fù)載較輕的情況下，原邊電流較小,，使得零電壓開關(guān)難實(shí)現(xiàn),，這是ZVS移相全橋變換器最大的缺點(diǎn)。

　　實(shí)際上超前臂和滯后臂實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的條件有所差別,。超前臂開關(guān)時(shí),，副邊整流管工作在整流狀態(tài)，輸出濾波電感相當(dāng)于串聯(lián)在原邊漏感上,，電流變化率小,，開關(guān)管并聯(lián)電容上的電荷抽取速度快。滯后臂開關(guān)時(shí),，副邊整流管工作在續(xù)流狀態(tài),，只有原邊漏感維持原邊電流,，電流變化率大，開關(guān)管并聯(lián)電容上的電荷抽取速度慢,。因此滯后臂軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)較超前臂為困難,，這也是ZVS移相全橋變換器的缺點(diǎn)。

　　為了讓滯后臂實(shí)現(xiàn)ZVS更加容易,，增大原邊電流成了最直接的想法,。原邊電流的增大可以用增加勵磁電流，或增大漏感(或外加的諧振電感)來實(shí)現(xiàn),。

　　[t2,，t4]時(shí)間段，主變壓器原邊的電流尚未衰減到零,、或恰好衰減到零,，變壓器初級處于續(xù)流狀態(tài),其兩端的電壓為零；[t4,，t5]時(shí)間段,，開關(guān)功率管Q2、Q3剛剛要開又未完全開通,。從變壓器退出續(xù)流狀態(tài),，到t5時(shí)間后開關(guān)管完全開通，變壓器并不輸出電壓,，該段時(shí)間(圖6陰影部分)即為丟失的占空比,。占空比丟失是因電感剩余儲能造成的。由于電感儲能和流過電流的平方成正比,，故重載時(shí)占空比丟失較為嚴(yán)重,。即在原邊承受方波電壓時(shí)，由于支路上電感的存在,，原邊電流較小,，無法向副邊輸送能量，反映為副邊輸出的占空比較原邊為小,。即ZVS移相造成了輸出占空比丟失,，也是ZVS移相全橋變換器的缺點(diǎn)。

　　此外,，如圖6所示,，[t1，t2]時(shí)間段原邊電流在D2,，主變壓器原邊,，Lk，Q4之間形成環(huán)流的時(shí)候,，電路仍處在續(xù)流模式,。這表示電路中存在較大的環(huán)流,，環(huán)流在半導(dǎo)體器件尤其是反并二極管中消耗較大能量，造成效率降低,。而按前邊的討論,，環(huán)流越大，軟開關(guān)越容易,。軟開關(guān)提高的效率和環(huán)流降低的效率之間的矛盾,，也是ZVS移相全橋變換器的缺點(diǎn)之一。

　　6 結(jié)束語

　　綜上所述,，ZVS移相全橋變換器存在輕載難以實(shí)現(xiàn)軟開關(guān),、滯后臂軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)困難、占空比丟失與軟開關(guān)條件相矛盾,、以及環(huán)流損失相當(dāng)一部分效率四大固有缺點(diǎn),，這些缺點(diǎn)仍然是今后需要繼續(xù)研究解決的問題。