摘 要:主要介紹48 kW大功率高頻開(kāi)關(guān)電源的研制。闡述國(guó)內(nèi)外開(kāi)關(guān)電源的現(xiàn)狀，分析全橋移相變換器的工作原理和軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，軟開(kāi)關(guān)能降低開(kāi)關(guān)損耗，提高電路效率。給出電源系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)及主要器件的選擇。試驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置完全滿足設(shè)計(jì)要求，并成功應(yīng)用于電鍍生產(chǎn)線。

關(guān)鍵詞:高頻開(kāi)關(guān)電源;全橋移相;零電壓開(kāi)關(guān);軟開(kāi)關(guān)技術(shù)

中圖分類號(hào):TM46文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)02-188-03

Development of 48 kW High Frequency Switching Power Supply

PAN Min

(China Electric Institute，Guangzhou，510300，China)

Abstract:The analysis and design of 48 kW high frequency switching power supply are presented.The present state of switching power supply is explained.The operating principle of full bridge phase_shifted converter and realization of soft switching techniques are analysed.Soft switching can reduce switching loss and increase circuit′s efficiency.Integer designing of power supply system and selection of main device parameters are also proposed.The experiment results demonstrate the power supply device satisfies design requirements completely.It has been applied in electric plating production line success_fully.

Keywords:high frequency switching power supply;full bridge phase_shifted;zero voltage switching;soft switching techniques

0 引 言

現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外的大功率電源主要為工頻整流式電源，體積大、笨重、能耗高、多特性較差，且會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成較大的電磁干擾。與它相比，開(kāi)關(guān)電源具有高效節(jié)能，重量輕，體積小，動(dòng)態(tài)性能好，適應(yīng)性強(qiáng)，有利于實(shí)現(xiàn)工藝過(guò)程自動(dòng)化和智能化控制等顯著的優(yōu)點(diǎn)。目前少數(shù)高頻開(kāi)關(guān)型電源主要限于小功率容量級(jí)別(2 000 A以下)，而國(guó)外同類設(shè)備價(jià)格過(guò)于昂貴，市場(chǎng)迫切需要具有較大功率容量和先進(jìn)技術(shù)水平的國(guó)產(chǎn)高頻開(kāi)關(guān)型電源裝置。因此，大功率開(kāi)關(guān)電源具有廣泛的應(yīng)用前景，是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究、開(kāi)發(fā)、應(yīng)用的主流和方向。但是，開(kāi)關(guān)電源特別是大功率硬開(kāi)關(guān)電源在可靠性、穩(wěn)定性、效率等方面的缺點(diǎn)成為制約大功率開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用和發(fā)展的“瓶頸”，按照傳統(tǒng)電源的設(shè)計(jì)思路和解決辦法，不能從根本上解決其所面臨的諸多問(wèn)題。軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的出現(xiàn)以及先進(jìn)控制技術(shù)的興起，則為解決開(kāi)關(guān)電源諸多問(wèn)題提供了新的方法。

目前單機(jī)容量大于20 kW的大功率開(kāi)關(guān)電源在國(guó)內(nèi)外極為少見(jiàn)，單機(jī)輸出一般在1 000 A以下。為適應(yīng)大功率(低電壓、大電流)輸出的電路拓?fù)浜涂刂颇Ｊ?，采用全橋移相式電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并通過(guò)軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的應(yīng)用，研制了48 kW、20 kHz的大功率高頻開(kāi)關(guān)電源，通過(guò)電鍍生產(chǎn)線的現(xiàn)場(chǎng)使用，取得了滿意的效果。

1 全橋移相零電壓開(kāi)關(guān)原理

零電壓全橋移相變換電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適用于大功率開(kāi)關(guān)電源，它采用移相控制，移相芯片選用UC3879，驅(qū)動(dòng)部分采用目前較為成熟的EXB841專用驅(qū)動(dòng)芯片。在換流時(shí)利用變壓器的漏感和功率管的寄生電容產(chǎn)生諧振，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)器件的零電壓開(kāi)通，消除了開(kāi)通損耗，提高了電路效率，其主電路原理圖如圖1所示。圖1中IGBT1~IGBT4為功率開(kāi)關(guān)管，分為超前橋臂(左半橋)和滯后橋臂(右半橋)。電路零電壓開(kāi)關(guān)依靠功率開(kāi)關(guān)管反并聯(lián)的二極管D1~D4的導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)功率器件的零電壓開(kāi)通，通過(guò)功率管諧振電容C1~C4的充電過(guò)程實(shí)現(xiàn)功率器件的零電壓關(guān)斷[1，2]。

在全橋相移零壓開(kāi)關(guān)變換器中，開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通關(guān)斷時(shí)間恒定。導(dǎo)通順序?yàn)镮GBT1→IGBT4→IGBT2→IGBT3。同一橋臂的開(kāi)關(guān)管為反相導(dǎo)通。對(duì)角管導(dǎo)通具有相移，從而使共導(dǎo)時(shí)間隨相移的變化而變化。由于開(kāi)關(guān)管存在關(guān)斷時(shí)間，同一橋臂的兩個(gè)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通關(guān)斷時(shí)，需要一定的延時(shí)時(shí)間(死區(qū)時(shí)間)以防止直通，保證開(kāi)關(guān)管的安全;同時(shí)為保證開(kāi)關(guān)管的零壓開(kāi)通，需要分別設(shè)定合適的領(lǐng)先臂與滯后臂的延時(shí)時(shí)間。IGBT1~IGBT4分別由UC3879輸出的OUTA~OUTD控制[3]。

圖1 全橋移相零電壓開(kāi)關(guān)主電路原理圖

2 電源系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

電源裝置主要由三相整流濾波電路、高頻逆變電路、高頻變壓器、高頻整流濾波電路、PWM控制電路、穩(wěn)壓穩(wěn)流控制電路及故障保護(hù)電路組成(如圖2所示)。工作時(shí)電網(wǎng)三相電源輸入，經(jīng)整流、濾波電路加至絕緣柵雙極型晶體管IGBT組成的逆變電路，由主電路轉(zhuǎn)換成脈寬可調(diào)的高頻交流(約20 kHz)，再經(jīng)高頻變壓器降壓、肖特基二極管整流轉(zhuǎn)換成適于工作需求的低壓直流。

圖2 電源裝置系統(tǒng)組成圖

高頻逆變電路采用全橋移相零電壓開(kāi)關(guān)主電路，同時(shí)采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)大功率低損耗高頻逆變。高頻開(kāi)關(guān)管采用大功率IGBT模塊，以提高電源可靠性，高頻整流管采用肖特基整流模塊以提高電源的效率。

控制單元輸出的控制信號(hào)可以對(duì)主電路輸出做出迅速響應(yīng)，從而不但給出優(yōu)良的動(dòng)、靜態(tài)輸出特性，而且能對(duì)各種輸入電壓的波動(dòng)予以補(bǔ)償，并能對(duì)各種原因造成的故障做出迅速的保護(hù)響應(yīng)。

電源系統(tǒng)的主要功能有:

(1) 系統(tǒng)按輸出的電流或電壓偏差分別自動(dòng)進(jìn)行PI穩(wěn)流或穩(wěn)壓調(diào)節(jié);

(2) 設(shè)置了過(guò)流、過(guò)熱和缺水等保護(hù)措施，且具有聲光電三維報(bào)警方式;

(3) 通過(guò)面板上的電壓、電流表(輸出電壓、輸出電流)可分別監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的輸出狀態(tài);

(4) 系統(tǒng)具有穩(wěn)壓及穩(wěn)流兩種工作模式，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。用戶可根據(jù)工藝需要進(jìn)行選擇;

(5) 系統(tǒng)具有軟啟動(dòng)功能，其給定值由小逐漸增大，軟啟動(dòng)時(shí)間約為5 s;

(6) 系統(tǒng)為遠(yuǎn)控方式，其操作簡(jiǎn)單，方便用戶掌握。

2.1 輸入整流橋及平波濾波器

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)輸出為3 000 A/16 V，前端采用三相整流橋輸入，如圖3所示，其中負(fù)載R為開(kāi)關(guān)變換器的等效電阻?？紤]理想情況，Li為無(wú)窮大，id為一平滑直流。通過(guò)對(duì)三相整流橋電路工作原理分析，考慮電網(wǎng)波動(dòng)及保留一倍裕量，可選定二極管的額定參數(shù)為150 A/1 200 V。

圖3 三相整流橋及LC濾波器電路

平波濾波器的作用是平滑整流電壓和提高功率因數(shù)。設(shè)計(jì)中需結(jié)合經(jīng)驗(yàn)，選擇一個(gè)性能和成本的折中點(diǎn)。這里采用把電感放在直流側(cè)的安置方式。與把電感放在交流側(cè)的安置方法相比，無(wú)論是在結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度上，還是成本上，都要低的多。而且理論上這種結(jié)構(gòu)可以達(dá)到的最大輸入功率因數(shù)為0.955，完全能滿足該系統(tǒng)的要求。

2.2 高頻變壓器

在高頻開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中，高頻變壓器的設(shè)計(jì)是一個(gè)關(guān)鍵因素，它不僅決定了電源的輸出能力，而且直接關(guān)系到電源設(shè)計(jì)的成敗。

為實(shí)現(xiàn)大功率轉(zhuǎn)換，該系統(tǒng)采用四個(gè)變壓器并聯(lián)，且每個(gè)變壓器的磁芯采用一個(gè)環(huán)形磁芯。環(huán)形磁芯的窗口面積和體積都比較容易做大，工藝?yán)@制簡(jiǎn)單，安裝方便，更加適合用于大功率開(kāi)關(guān)電源。并聯(lián)的四個(gè)變壓器的原邊輸入電壓相等且為逆變器輸入的電壓，副邊輸出并聯(lián)。通過(guò)計(jì)算，取變壓器原邊的匝數(shù)為21匝，副邊為1匝;考慮繞制工藝、散熱、損耗等因素的影響，原邊采用USTC 0.1×1 050的多股絲包線，副邊則采用TMY-40×6或TMY-50×5的銅排。

2.3 IGBT及隔直電容

由電路特點(diǎn)可知，IGBT的工作平均電流為母線平均電流的一半。流過(guò)IGBT的平均電流及承受的最大反向電壓為:

IIGBT=Id/2=P0/(2ηUd)

UIGBT=2.34×1.2U2

考慮到尖峰電壓電流的影響，保留一定的裕量，最終確定IGBT的容量為300 A/1 200 V。

隔直電容的作用是防止變壓器發(fā)生偏磁現(xiàn)象，選的過(guò)大，則會(huì)增加成本;選的過(guò)小，則會(huì)產(chǎn)生EMI，降低電壓利用率。設(shè)計(jì)中還需考慮等效串聯(lián)電阻和電感的影響及散熱問(wèn)題。

2.4 輸出整流管及RC吸收網(wǎng)絡(luò)

選擇整流二極管首先要考慮流過(guò)二極管的電流。計(jì)算流過(guò)整流二極管的電流及其額定電壓，保留一定的裕量，最終選用的是400 A/100 V的肖特基二極管。

RC吸收網(wǎng)絡(luò)的作用是防止輸出整流二極管關(guān)斷時(shí)因反向恢復(fù)引起的振鈴。設(shè)計(jì)中可選擇電容的容值為二極管寄生電容容值的10倍，電阻值則必須使電容在1/10個(gè)周期內(nèi)充、放電完成，同時(shí)也要注意電阻功率是否滿足吸收要求。

2.5 輸出濾波器

輸出濾波器的設(shè)計(jì)主要圍繞輸出紋波指標(biāo)來(lái)考慮。一般情況下，以在最壞的情況下計(jì)算的參數(shù)為依據(jù)來(lái)選擇濾波電容和濾波電感值。

3 試驗(yàn)結(jié)果

設(shè)計(jì)制造的3 000 A/16 V樣機(jī)如圖4所示，試驗(yàn)波形由泰克TDS5034示波器記錄，如圖5~圖7所示。圖5為同一橋臂上兩個(gè)開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)脈沖波形，開(kāi)關(guān)頻率為20 kHz。圖6為輸入電壓為220 V時(shí)，樣機(jī)的工作波形，1通道為變壓器原邊電壓，2通道為IGBT驅(qū)動(dòng)脈沖，3通道為變壓器副邊肖特基反向壓降，4通道為變壓器原邊電流。圖7為樣機(jī)滿載時(shí)的工作波形，1通道為變壓器原邊電壓，2通道為樣機(jī)直流輸出電壓。表1列出了樣機(jī)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，及與預(yù)定目標(biāo)的比較。試驗(yàn)證明，樣機(jī)已完全滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 3 000 A/16 V樣機(jī)

圖5 IGBT的驅(qū)動(dòng)脈沖波形

圖6 輸入電壓為220 V時(shí)樣機(jī)的工作波形

圖7 樣機(jī)滿載時(shí)的工作波形

表1 樣機(jī)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)及與預(yù)定目標(biāo)的比較

技術(shù)指標(biāo)預(yù)定目標(biāo)3 000 A/16 V樣機(jī)

輸入電壓范圍360~450 V360~450 V

額定輸出電壓0~16 V連續(xù)可調(diào)0~16 V連續(xù)可調(diào)

額定輸出電流0~3 000 A連續(xù)可調(diào)0~3 000 A連續(xù)可調(diào)

整機(jī)效率≥75%≥82.8%

穩(wěn)壓精度≤1%≤0.6%

穩(wěn)流精度≤2%≤0.5%

冷卻方式水冷水冷

保護(hù)功能過(guò)熱、過(guò)流、缺水過(guò)熱、過(guò)流、缺水

4 結(jié) 語(yǔ)

高頻開(kāi)關(guān)電源，作為中國(guó)電器科學(xué)研究院研制的新一代逆變式電源，具有高效節(jié)能、體小量輕、穩(wěn)定可靠、綠色環(huán)保等優(yōu)良特性。該項(xiàng)目成果較大功率單機(jī)輸出的實(shí)現(xiàn)、軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的應(yīng)用、水冷卻方式的采用等，都為以后電鍍行業(yè)逆變電源設(shè)計(jì)提供了很好的借鑒之處。該電源裝置已順利應(yīng)用于國(guó)內(nèi)某電鍍生產(chǎn)線上，并取得了良好的效果。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]Zhou Linquan，Ruan Xinbo.Soft_switching PWM Boost Full_bridge Converter[J].Journal of Southeast University，2003，19(3):250-255.

[2]殷樹(shù)言，黃鵬飛，黃勇.軟開(kāi)關(guān)弧焊逆變電源的工作機(jī)理研究[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1998，24(3):55-60.

[3]李春旭，李德武，張學(xué)紅.軟開(kāi)關(guān)弧焊逆變電源全橋移相控制電路設(shè)計(jì)[J].電焊機(jī)，2004(Z1):37-43.

[4]張永鋒，黃自龍，楊旭.12 kW移相全橋PWM變換器的設(shè)計(jì)[J].電力電子技術(shù)，2006，40(4):50-52.

[5]鞠志忠，童可明.大功率軟開(kāi)關(guān)移相全橋變換器的研究[J].電源技術(shù)應(yīng)用，2005，8(6):17-20.

[6]薛家祥，余文松，羅衛(wèi)紅.電流模式控制零電壓軟開(kāi)關(guān)弧焊逆變器[J].焊接學(xué)報(bào)，2002，23(4):35-40.

[7]史悅玲，李時(shí)杰，賈俊林.基于UC3879的移相全橋ZVS_PWM逆變器的研究[J].自動(dòng)化與儀表，2002(6):21-23.

[8]周漪清，黃石生，杜貴平.新型軟開(kāi)關(guān)弧焊逆變器主電路的仿真與實(shí)驗(yàn)[J].航空精密制造技術(shù)，2004，40(3):34-37.

[9]王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)[M].4版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[10]張占松.開(kāi)關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)[M].北京:電子工業(yè)出版社，1999.