低壓大電流的開關(guān)電源設(shè)計(jì)方案
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。考慮到效率的問題,諧振電感Ls只利用了變壓器本身的漏感。因?yàn)槿绻撾姼刑?將會(huì)導(dǎo)致過高的關(guān)斷電壓尖峰，這對(duì)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FB-ZVS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)IGB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、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)一步減少損耗，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(duì)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
對(duì)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(duì)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(duì)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?cè)O(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(jiǎn)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: U1=U3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(jiǎn)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(cè)量8個(gè)變壓器原邊串聯(lián)后的漏感為6uH)，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(duì)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(duì)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 為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 為穩(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FB-ZVS控制方式,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。控制電路中采用了穩(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)。
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