大功率電鍍高頻開關(guān)電源的設(shè)計分析

　摘要：本文根據(jù)電鍍電源的工作特點(diǎn)，提出了選用高頻開關(guān)電源來實(shí)現(xiàn)的電路方案。筆者根據(jù)近年的應(yīng)用實(shí)踐研究，對在實(shí)踐中比較成功的ZVS PWM軟開關(guān)方案，進(jìn)行了較深入的工作分析，描述了其優(yōu)缺點(diǎn)。

　　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，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)。因為橋式電路使得高頻變壓器只需要一個原邊繞組，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，使器件關(guān)斷；或電壓為零時，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。其工作原理為每個橋臂的兩個開關(guān)管1800互補(bǔ)導(dǎo)通，兩個橋臂的導(dǎo)通之間相差一個相位，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，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。