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电镀电源选用高频开关电源来实现的电路方案
时间: 2011-3-26 11:06:08   点击数:0

本文根据电镀电源的工作特点,提出了选用高频开关电源来实现的电路方案。笔者根据近年的应用实践研究,对在实践中比较成功的ZVS PWM软开关方案,进行了较深入的工作分析,描述了其优缺点。

1 电镀行业对电镀电源的技术要求

电镀行业的重大关键设备是电镀电源,其性能的优劣直接影响到电镀产品工艺质量的好坏;同时,电镀行业最主要的能量消耗是电源,因此高品质的电源是电镀业节能增效的决定性因素,对电网的绿色化也有重要影响。在电气性能方面,电镀电源属于低压大电流设备,要求操作简便、能承受输入端的突变和输出端短路,以及操作过程过载的冲击。还由于电源设备工作在酸碱、潮湿等恶劣环境下,对电镀电源的稳定性、可靠性、抗干扰性、耐腐蚀性等要求也显得更为重要。这些,都是设计电镀电源必须考虑的重要因素。

高频开关电源与传统工频整流电源相比,具有高效节能约20%~30%、省材约80%~90%、功率密度大(输出1A电流传统电源需要制造材料0.5kg~1kg,而开关式电源只需要0.06kg~0.12kg),而且动态特性和控制调节特性好,制造过程占地少、加工量少等特点[1]。电镀电源要求输出功率大(通常输出电流要2000A以上),电镀行业推广应用开关式电源对节能、节省资源都是有显著效果的措施。

2 电镀电源的主电路结构

电镀电源在满足其电气技术要求的条件下,应该尽量采用结构简单、稳定可靠的技术方案。而高频开关电源要获得大功率输出,也要从电路结构设计的各方面都要采取相应的措施,来保证大功率输出的要求。

因此,其工作电源直接选用380V的三相交流电源。经过三相桥式整流,滤波,作为开关电源的输入电源。由于要求输出大功率,主回路功率变换器要采用桥式电路才能实现。因为桥式电路使得高频变压器只需要一个原边绕组,通过正向、反向的电压,得到正向、反向的磁通,变压器铁芯和绕组利用最佳,效率、功率密度都较高;另外,功率开关承受的最大反压可以不超过电源电压;利用四个反接在功率开关两端的体二极管,无须设置能量恢复绕组,变压器的反激能量就可以恢复利用[2]。所以功率变换器选择桥式电路结构。主电路结构如图1所示。

 

图中L C改为斜体,电容改为平行线

3 使用软开关变换器方案的必要性

在功率变换器使用桥式电路结构的条件下,根据开关器件的开关状态,通常可以将开关型功率变换器分为两大类:硬开关变换器和软开关变换器。以PWM脉冲宽度调制变换器为例,它通过改变开关接通时间的长短,即改变脉冲占空比来实现对输出电压和输出电流的调整,PWM开关技术以其电路简单,控制方便而获得了广泛的应用。

通常DC/DC变换器的桥式主电路结构原理图如图2所示。

 

图中符号改为斜体,二极管改为空心通直线

早期的PWM开关技术,其电子开关是一种“硬开关”,如图3所示。即功率开关管的开通或关断是在器件上的电压或电流不等于零的状态下强迫进行的,造成电路的开关损耗很大,硬开关变换器由此得名。正是由于电路的开关损耗很大,使得PWM开关技术的高频化、大功率工作受到了许多的限制[3]。 由于硬开关限制了变换器的输出功率和开关频率的提高,硬开关条件下的开关电源输出功率一般小于10kW,工作频率为20kHz左右。针对硬开关PWM变换器的不足,八十年代末,一种新的开关变换器——移相PWM控制软开关变换器被提了出来,并得到广泛的研究。

脉宽调制软开关技术(SPWM)的问世,推动大功率逆变技术的研究与应用水平又上了一个新的台阶。脉宽调制软开关技术综合了传统脉宽调制技术和谐振技术的优点,仅在功率器件换流瞬间,应用谐振原理,使开关变换器开关器件中的电流(或电压)按正弦或准正弦规律变化。在电流自然过零时,使器件关断;或电压为零时,使器件开通,实现开关损耗为零,从而实现零电压或零电流转换。而在其余大部分时间采用恒频脉宽调制方法,完成对电源输出电压或电流的控制。因此,开关器件承受的电流或电压应力小,可使开关频率提高到兆赫的水平。在这种思想的引导下,国内近10年来,脉宽调制软开关技术在功率逆变电路中应用逐渐占据主导地位。加上DC/DC开关变换器的电路拓扑结构的多样性,两者的结合使得当前应用的软开关功率变换器的电路日益增多。对于要求大功率输出的高频电镀开关电源,应该选用软开关功率变换器。

4 移相控制软开关控制方式工作原理

移相控制方式是近年来在全桥变换器中使用最多的一种软开关控制方式,它是谐振变换技术和PWM技术的结合。其工作原理为每个桥臂的两个开关管1800互补导通,两个桥臂的导通之间相差一个相位,即所谓移相角。通过调节移相角的大小来调节输出电压的脉冲宽度,从而达到调节相应的输出电压的目的。各开关管的驱动信号如图4所示。

 

移相PWM控制方式利用开关管的结电容和高频变压器的漏电感作为谐振元件。漏电感储存的能量对功率开关管的两端并联的输出电容充放电来使开关管两端的电压下降到零,使电路的四个开关管依次在零电压下导通,在缓冲电容的作用下零电压关断,从而有效的降低了电路的开关损耗和开关噪声,减少了器件开关过程中产生的电磁干扰,为变换器装置提高开关频率、效率,降低尺寸及重量提供了良好的条件。同时,还保持了一般全桥电路中的结构简单、控制方式简洁、开关频率恒定、元器件的电压电流应力小的优点。

要实现PWM DC/DC全桥变换器的软开关,必须引入超前桥臂和滞后桥臂的概念,定义斜对角两只开关管中先关断的开关管组成的桥臂为超前桥臂,后关断的开关管组成的桥臂为滞后桥臂。超前桥臂只能实现零电压开关ZVS,并且很容易实现零电压开关,不能实现零电流开关ZCS。滞后桥臂可分别实现ZVS和ZCS。根据超前桥臂和滞后桥臂实现软开关方式的不同,可以将软开关PWM全桥变换器分为两大类:一类是ZVS PWM全桥变换器,其超前桥臂和滞后桥臂都实现ZVS。无论是超前桥臂还是滞后桥臂,为了实现ZVS,有必要在开关管两端并联电容,或者利用开关管自身的输出电容;另一类是零电压零电流开关(ZVZCS)PWM全桥变换器,其超前桥臂实现ZVS,滞后桥臂实现ZCS,对于滞后桥臂,为了实现ZCS,不能在开关管两端并联电容。它们均采用移相(Phase一shift)控制方式[4]。为了使大功率电镀开关电源更好地适应电镀生产的恶劣环境,笔者选用了结构比较简单可靠的ZVS移相全桥变换器。

 

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