大功率高頻開關(guān)電源在銅電解領(lǐng)域的應(yīng)用

安 麗，侯娟奇

（江西銅業(yè)集團(tuán)有限公司 貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

1 引言

江銅集團(tuán)貴溪冶煉廠陰極銅產(chǎn)能達(dá)到100萬t以上，單廠產(chǎn)能世界第一。貴冶通過不斷的技術(shù)創(chuàng)新，裝備升級，多項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到世界領(lǐng)先，引領(lǐng)著中國銅冶煉的不斷進(jìn)步。2018年電解車間建立銅電解工業(yè)試驗(yàn)平臺(tái)，對新技術(shù)、新裝備進(jìn)行試驗(yàn)，對于提高企業(yè)技術(shù)水平、裝備水平，提高競爭力有著非常重要的意義。該試驗(yàn)平臺(tái)建立時(shí)，整流器采用了新一代的大功率高頻開關(guān)電源［1］，對其使用效果進(jìn)行了驗(yàn)證。

2 高頻開關(guān)電源的工作原理

2.1 工作原理圖

高頻開關(guān)電源由主電路和控制電路組成［2］。主電路包括以下部分：輸入輸出濾波電路、整流橋、高頻全橋IGBT逆變電路、高頻功率變壓器電壓變換、全波同步整流電路，如圖1所示。

交流輸入電壓經(jīng)過整流電路濾波后，得到高壓直流電，“變頻轉(zhuǎn)換”將高壓直流電逆變成約15kHZ左右的高頻交流，經(jīng)高頻變壓器變換到次級，再經(jīng)高頻整流濾波得到需要的輸出電壓。

2.2 關(guān)鍵整流器元件

當(dāng)今，世界最先進(jìn)的功率半導(dǎo)體器件飛速進(jìn)步，高性能半導(dǎo)體器件不斷涌現(xiàn)，特別是近年來發(fā)展起來的高性能、低導(dǎo)通電阻、大電流MOS管［3］，作為整流器件，具有導(dǎo)通電壓低（0.1～0.2V），反向恢復(fù)損耗很低的特點(diǎn)，大幅度降低了整流損耗，極大提升了開關(guān)電源的整體效率。比較適合低電壓大電流的工作模式。銅電解過程，單槽槽電壓（含線損）在0.3～0.4V，理論上能夠使用該類型整流器。

圖 1 高頻開關(guān)電源工作原理圖及組成

MOS管即在集成電路中絕緣性場效應(yīng)管。MOS英文全稱為Metal-Oxide-Semiconductor即金屬-氧化物-半導(dǎo)體。在一定結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件上，加上二氧化硅和金屬，形成柵極。利用VGS來控制“感應(yīng)電荷”的多少，以改變由這些“感應(yīng)電荷”形成的導(dǎo)電溝道的狀況，然后達(dá)到控制漏極電流的目的。在制造管子時(shí)，通過工藝使絕緣層中出現(xiàn)大量正離子，故在交界面的另一側(cè)能感應(yīng)出較多的負(fù)電荷，這些負(fù)電荷把高滲雜質(zhì)的N區(qū)接通，形成了導(dǎo)電溝道，即使在VGS=0時(shí)也有較大的漏極電流ID。當(dāng)柵極電壓改變時(shí)，溝道內(nèi)被感應(yīng)的電荷量也改變，導(dǎo)電溝道的寬窄也隨之而變，因而漏極電流ID隨著柵極電壓的變化而變化。

圖 2 MOS管工作原理圖

設(shè)每個(gè)MOS管的最大通過電流為52A，MOS管導(dǎo)通電阻為0.001歐姆，肖特基整流和MOS整流方式的效率計(jì)算如下（理論效率）。

直流輸出電壓（V）：Vo=7.0

基特二極管正向電壓（V）：Vf=0.7

MOS管導(dǎo)通壓降（V）公式=平均電流×導(dǎo)通電阻（V）：Vm=52×0.001=0.052

前級效率（包括EMI、三相橋式整流及移相全橋功率級）：ηf=0.995×0.98=0.975

肖基特二極管整流整機(jī)效率：ηd=ηf×[Vo/(Vo+Vf)]=0.886

MOS管同步整流整機(jī)效率：ηm=ηf×[Vo/(Vo+Vm)]=0.968

計(jì)算表明，同步整流模式比肖特基整流模式效率至少高8%～10%。

2.3 控制電路

控制電路對輸出電壓和輸出電流取樣，閉環(huán)反饋后產(chǎn)生脈寬調(diào)制（PWM）信號控制逆變電路，使輸出電壓或電流保持穩(wěn)定［4］。

圖 3 高頻開關(guān)控制電路原理圖

2.4 控制系統(tǒng)

采用RS485全數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)傳輸［5］，不存在信號衰減問題，而且雙絞線RS485網(wǎng)絡(luò)抗干擾能力很強(qiáng)，即使偶爾受到干擾，它一定能通過FCS校驗(yàn)檢測到，同時(shí)它有自我糾錯(cuò)功能，以及多次重復(fù)傳輸功能，所以它總能得到真實(shí)的、正確的而且與另一端沒有誤差的數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)采用西門子S7-200系列PLC作為中央處理器，繼電回路采用高可靠、節(jié)能型新型器件。所有控制轉(zhuǎn)換均可由PLC進(jìn)行控制，并可通過通訊接口與買方綜合控制工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，傳遞有關(guān)數(shù)據(jù)。同時(shí)，PLC還提供了信號的輸入/輸出控制信號接入點(diǎn)，可以將電源設(shè)備的聯(lián)鎖控制信號等上傳到PLC中，還可以輸出報(bào)警信息，還可以將控制信號下載到設(shè)備中。

圖 4 控制系統(tǒng)原理圖

3 高頻開關(guān)電源優(yōu)缺點(diǎn)

3.1 優(yōu)點(diǎn)

（1）高頻開關(guān)電源通常采用模塊化設(shè)計(jì)，單模塊輸出直流電流2000A左右，一般由多個(gè)模塊并聯(lián)組成，達(dá)到用戶所需額定電流，支持熱維護(hù)，可實(shí)現(xiàn)不停機(jī)維護(hù)，確保電解生產(chǎn)不斷電，消除由于整流器意外斷電對質(zhì)量造成的影響。

（2）采用MOS同步整流原件，自身損耗小，功率因數(shù)高，可達(dá)到0.95以上，無需額外配備功率補(bǔ)償設(shè)備，可降低能源消耗。

（3）輸出電流精度高，穩(wěn)定性好，電流平穩(wěn)波動(dòng)小，能夠確保電解過程工藝控制更加穩(wěn)定，有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量及技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

（4）占地面積小，采用380V供電，不需配備專用整流變壓器和油水冷卻裝置。

3.2 缺點(diǎn)

（1）高頻開關(guān)電源單臺(tái)容量較小，一般在30V以下，雖然經(jīng)濟(jì)性比較好，但是大規(guī)模生產(chǎn)槽電壓需求高，就需要多配置整流器，分區(qū)域供電。

（2）電源模塊需定期更換，增加備件成本，但是自身損耗下降，節(jié)約的電費(fèi)足以彌補(bǔ)備件更換費(fèi)用。

4 實(shí)際使用情況

銅電解工業(yè)試驗(yàn)平臺(tái)，通電槽數(shù)40槽，單槽槽電壓按0.4V（含線損）核算，通電電流40000A以下，因此選擇40000A/20V高頻開關(guān)電源。自2018年3月投入運(yùn)行以來，運(yùn)行穩(wěn)定，能夠滿足銅電解工業(yè)試驗(yàn)平臺(tái)供電的需求，先后開展了復(fù)雜原料電解試驗(yàn)，陰極銅電單耗影響因素研究試驗(yàn)，確保試驗(yàn)的順利完成。

5 結(jié)語

大功率高頻開關(guān)電源能夠直接滿足小型電解生產(chǎn)需要，通過合理布局，增加整流器數(shù)量，也可以滿足大規(guī)模的生產(chǎn)需要，同時(shí)能夠節(jié)約銅母排數(shù)量，提供不同電流密度，適應(yīng)復(fù)雜原料的生產(chǎn)。隨著科技的不斷進(jìn)步，電器元件的發(fā)展，未來高頻開關(guān)電源提高單臺(tái)供電能力［6］，能夠直接滿足大規(guī)模電解生產(chǎn)的需要。