48kW高頻開關(guān)電源的研制

潘 敏

（中國電器科學(xué)研究院，廣東廣州510300）

1 引言

現(xiàn)有國內(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，且會對電網(wǎng)造成較大的電磁干擾。與其相比，開關(guān)電源具有高效節(jié)能、重量輕、體積小、動態(tài)性能好、適應(yīng)性強(qiáng)、有利于實(shí)現(xiàn)工藝過程自動化和智能化控制等顯著的優(yōu)點(diǎn)。目前少數(shù)高頻開關(guān)型電源主要限于小功率容量級別（2000A以下）。而國外同類設(shè)備價格過于昂貴，市場迫切需要具有較大功率容量和先進(jìn)技術(shù)水平的國產(chǎn)高頻開關(guān)型電源裝置。因此，大功率開關(guān)電源具有廣泛的應(yīng)用前景，是當(dāng)前國內(nèi)外研究、開發(fā)、應(yīng)用的主流和方向。但是，開關(guān)電源特別是大功率硬開關(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)計思路和解決辦法，不能從根本上解決其所面臨的諸多問題。軟開關(guān)技術(shù)的出現(xiàn)以及先進(jìn)控制技術(shù)的興起，則為解決開關(guān)電源諸多問題提供了新的方法。

目前單機(jī)容量大于20kW的大功率開關(guān)電源在國內(nèi)外極為少見，單機(jī)輸出一般為1000A以下。為適合大功率（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)浜涂刂颇Ｊ?，采用全橋移相式電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并通過軟開關(guān)技術(shù)的應(yīng)用，研制了48kW、20kHz的大功率高頻開關(guān)電源，通過電鍍生產(chǎn)線的現(xiàn)場使用，取得了滿意的效果。

2 全橋移相零電壓開關(guān)原理

零電壓全橋移相變換電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適用于大功率開關(guān)電源，它采用移相控制，移相芯片選用UC3879，驅(qū)動部分采用目前較為成熟的EXB841專用驅(qū)動芯片。在換流時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)開關(guān)器件的零電壓開通，消除了開通損耗，提高了電路效率，其主電路原理如圖1所示。圖中IGBT1-IGBT4為功率開關(guān)管，分為超前橋臂（左半橋）和滯后橋臂（右半橋）。電路零電壓開關(guān)依靠功率開關(guān)管反并聯(lián)的二極管VD1-VD4的導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)功率器件的零電壓開通，通過功率管諧振電容C1-C4的充電過程實(shí)現(xiàn)功率器件的零電壓關(guān)斷［1］-［2］。

圖1 全橋移相零電壓開關(guān)主電路原理圖

在全橋相移零電壓開關(guān)變換器中，開關(guān)管的導(dǎo)通關(guān)斷時間恒定。導(dǎo)通順序?yàn)镮GBT1-IGBT4-IGBT2-IGBT3。同一橋臂的開關(guān)管為反相導(dǎo)通。對角管導(dǎo)通具有相移，從而使共導(dǎo)時間隨相移的變化而變化。由于開關(guān)管存在關(guān)斷時間，同一橋臂的2個開關(guān)管導(dǎo)通關(guān)斷時，需要一定的延時時間（死區(qū)時間）以防止直通，保證開關(guān)管的安全；同時為保證開關(guān)管的零壓開通，需要分別設(shè)定合適的領(lǐng)先臂與滯后臂的延時時間。IGBT1-IGBT4分別由UC3879輸出的 OUTA-OUTD 控制［3］。

3 電源系統(tǒng)整體設(shè)計

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20kHz），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關(guān)主電路，同時采用軟開關(guān)技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)大功率低損耗高頻逆變。高頻開關(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可以對主電路輸出作出迅速響應(yīng)，從而不但給出優(yōu)良的動、靜態(tài)輸出特性，而且能對各種輸入電壓的波動予以補(bǔ)償，并能對各種原因造成的故障作出迅速的保護(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進(jìn)行PI穩(wěn)流或穩(wěn)壓調(diào)節(jié)。

②設(shè)置了過流、過熱和缺水等保護(hù)措施，且具有聲光電三維報警方式。

③通過面板上的電壓、電流表（輸出電壓、輸出電流）可分別監(jiān)測系統(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)具有軟起動功能，其給定值由小逐漸增大，軟起動時間約為5s。

⑥系統(tǒng)為遠(yuǎn)控方式，其操作簡單，用戶掌握很方便。

3.1 輸入整流橋及平波濾波器

該系統(tǒng)設(shè)計輸出為3000A/16V，前端采用三相整流橋輸入，如圖3所示，其中負(fù)載R為開關(guān)變換器的等效電阻?？紤]理想情況，Li為無窮大，id為一平滑直流。通過對三相整流橋電路工作原理分析，考慮電網(wǎng)波動及保留一倍裕量，可選定二極管的額定參數(shù)為150A/1200V。

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)計中需結(jié)合經(jīng)驗(yàn)，選擇了一個性能和成本的折中點(diǎn)。此處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，無論是在結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度，還是成本方面，都要低得多。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。

3.2 高頻變壓器

在高頻開關(guān)電源設(shè)計中，高頻變壓器的設(shè)計是一個關(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)計的成敗。

為了實(shí)現(xiàn)大功率轉(zhuǎn)換，該系統(tǒng)采用4個變壓器并聯(lián)，且每個變壓器的磁芯采用一個環(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)@制簡單，安裝方便，更加適合用于大功率開關(guān)電源。并聯(lián)的4個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)。通過計算，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 0.1×1050的多股絲包線,副邊則采用TMY-40×6或 TMY-50×5的銅排.

3.3 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IGBT的平均電流及承受的最大反向電壓為：

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300A/1200V。

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

3.4 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二極管的電流。計算流過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400A/100V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)斷時因反向恢復(fù)引起的振鈴。設(shè)計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十分之一個周期內(nèi)充、放電完成，同時也要注意電阻功率是否滿足吸收要求。

3.5 輸出濾波器

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

4 試驗(yàn)結(jié)果

設(shè)計制造的3000A/16V樣機(jī)如圖4所示，試驗(yàn)波形由TDS5034示波器記錄，如圖5-7所示。圖5為同一橋臂上兩個開關(guān)管的驅(qū)動脈沖波形，開關(guān)頻率為20kHz。圖6為輸入電壓是220V時，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)的各項技術(shù)指標(biāo)，及其與預(yù)定目標(biāo)的比較。試驗(yàn)結(jié)果證明，樣機(jī)已完全滿足設(shè)計要求。

圖4 3000A/16V樣機(jī)

圖5 IGBT的驅(qū)動脈沖波形

5 結(jié)論

高頻開關(guān)電源，作為中國電器科學(xué)研究院研制的新一代逆變式電源，具有高效節(jié)能、體積小重量輕、穩(wěn)定可靠、綠色環(huán)保等優(yōu)良特性。本項目成果中大功率單機(jī)輸出的實(shí)現(xiàn)、軟開關(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)計提供了很好的借鑒之處。該電源裝置已順利應(yīng)用于國內(nèi)某電鍍生產(chǎn)線上，并取得了良好的效果。

圖6 輸入電壓為220V時，樣機(jī)的工作波形

圖7 滿載時，樣機(jī)的工作波形

表1 樣機(jī)的各項技術(shù)指標(biāo)及其與預(yù)定目標(biāo)的比較

［1］Zhou Linquan，Ruan xinbo.Soft-switching PWM boost fullbridge converter［J］.Journal of Southeast University（English Edition），2003，19（3）：250-255.

［2］殷樹言，黃鵬飛，黃 勇.軟開關(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，1998，24（3）：55-60.

［3］李春旭，李德武，張學(xué)紅.軟開關(guān)弧焊逆變電源全橋移相控制電路設(shè)計［J］.電焊機(jī)，2004（S1）：37-43.