48 kW大功率高頻開關電源的研制

摘 要:主要介紹48 kW大功率高頻開關電源的研制。闡述國內(nèi)外開關電源的現(xiàn)狀，分析全橋移相變換器的工作原理和軟開關技術的實現(xiàn)，軟開關能降低開關損耗，提高電路效率。給出電源系統(tǒng)的整體設計及主要器件的選擇。試驗結果表明，該裝置完全滿足設計要求，并成功應用于電鍍生產(chǎn)線。

關鍵詞:高頻開關電源;全橋移相;零電壓開關;軟開關技術

中圖分類號:TM46文獻標識碼:A

文章編號: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。與它相比，開關電源具有高效節(jié)能，重量輕，體積小，動態(tài)性能好，適應性強，有利于實現(xiàn)工藝過程自動化和智能化控制等顯著的優(yōu)點。目前少數(shù)高頻開關型電源主要限于小功率容量級別(2 000 A以下)，而國外同類設備價格過于昂貴，市場迫切需要具有較大功率容量和先進技術水平的國產(chǎn)高頻開關型電源裝置。因此，大功率開關電源具有廣泛的應用前景，是當前國內(nèi)外研究、開發(fā)、應用的主流和方向。但是，開關電源特別是大功率硬開關電源在可靠性、穩(wěn)定性、效率等方面的缺點成為制約大功率開關電源應用和發(fā)展的“瓶頸”，按照傳統(tǒng)電源的設計思路和解決辦法，不能從根本上解決其所面臨的諸多問題。軟開關技術的出現(xiàn)以及先進控制技術的興起，則為解決開關電源諸多問題提供了新的方法。

目前單機容量大于20 kW的大功率開關電源在國內(nèi)外極為少見，單機輸出一般在1 000 A以下。為適應大功率(低電壓、大電流)輸出的電路拓撲和控制模式，采用全橋移相式電路拓撲結構，并通過軟開關技術的應用，研制了48 kW、20 kHz的大功率高頻開關電源，通過電鍍生產(chǎn)線的現(xiàn)場使用，取得了滿意的效果。

1 全橋移相零電壓開關原理

零電壓全橋移相變換電路拓撲結構適用于大功率開關電源，它采用移相控制，移相芯片選用UC3879，驅動部分采用目前較為成熟的EXB841專用驅動芯片。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，實現(xiàn)開關器件的零電壓開通，消除了開通損耗，提高了電路效率，其主電路原理圖如圖1所示。圖1中IGBT1~IGBT4為功率開關管，分為超前橋臂(左半橋)和滯后橋臂(右半橋)。電路零電壓開關依靠功率開關管反并聯(lián)的二極管D1~D4的導通實現(xiàn)功率器件的零電壓開通，通過功率管諧振電容C1~C4的充電過程實現(xiàn)功率器件的零電壓關斷[1，2]。

在全橋相移零壓開關變換器中，開關管的導通關斷時間恒定。導通順序為IGBT1→IGBT4→IGBT2→IGBT3。同一橋臂的開關管為反相導通。對角管導通具有相移，從而使共導時間隨相移的變化而變化。由于開關管存在關斷時間，同一橋臂的兩個開關管導通關斷時，需要一定的延時時間(死區(qū)時間)以防止直通，保證開關管的安全;同時為保證開關管的零壓開通，需要分別設定合適的領先臂與滯后臂的延時時間。IGBT1~IGBT4分別由UC3879輸出的OUTA~OUTD控制[3]。

圖1 全橋移相零電壓開關主電路原理圖

2 電源系統(tǒng)整體設計

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主電路，同時采用軟開關技術，以實現(xiàn)大功率低損耗高頻逆變。高頻開關管采用大功率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做出迅速響應，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償，并能對各種原因造成的故障做出迅速的保護響應。

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行PI穩(wěn)流或穩(wěn)壓調(diào)節(jié);

(2) 設置了過流、過熱和缺水等保護措施，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)定運行。用戶可根據(jù)工藝需要進行選擇;

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

(6) 系統(tǒng)為遠控方式，其操作簡單，方便用戶掌握。

2.1 輸入整流橋及平波濾波器

該系統(tǒng)設計輸出為3 000 A/16 V，前端采用三相整流橋輸入，如圖3所示，其中負載R為開關變換器的等效電阻。考慮理想情況，Li為無窮大，id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)。設計中需結合經(jīng)驗，選擇一個性能和成本的折中點。這里采用把電感放在直流側的安置方式。與把電感放在交流側的安置方法相比，無論是在結構復雜程度上，還是成本上，都要低的多。而且理論上這種結構可以達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

在高頻開關電源設計中，高頻變壓器的設計是一個關鍵因素，它不僅決定了電源的輸出能力，而且直接關系到電源設計的成敗。

為實現(xiàn)大功率轉換，該系統(tǒng)采用四個變壓器并聯(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，工藝繞制簡單，安裝方便，更加適合用于大功率開關電源。并聯(lián)的四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 0.1×1 050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:

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。設計中還需考慮等效串聯(lián)電阻和電感的影響及散熱問題。

2.4 輸出整流管及RC吸收網(wǎng)絡

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400 A/100 V的肖特基二極管。

RC吸收網(wǎng)絡的作用是防止輸出整流二極管關斷時因反向恢復引起的振鈴。設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1/10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。

2.5 輸出濾波器

輸出濾波器的設計主要圍繞輸出紋波指標來考慮。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。

3 試驗結果

設計制造的3 000 A/16 V樣機如圖4所示，試驗波形由泰克TDS5034示波器記錄，如圖5~圖7所示。圖5為同一橋臂上兩個開關管的驅動脈沖波形，開關頻率為20 kHz。圖6為輸入電壓為220 V時，樣機的工作波形，1通道為變壓器原邊電壓，2通道為IGBT驅動脈沖，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通道為樣機直流輸出電壓。表1列出了樣機的各項技術指標，及與預定目標的比較。試驗證明，樣機已完全滿足設計要求。

圖4 3 000 A/16 V樣機

圖5 IGBT的驅動脈沖波形

圖6 輸入電壓為220 V時樣機的工作波形

圖7 樣機滿載時的工作波形

表1 樣機的各項技術指標及與預定目標的比較

技術指標預定目標3 000 A/16 V樣機

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

保護功能過熱、過流、缺水過熱、過流、缺水

4 結 語

高頻開關電源，作為中國電器科學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。該項目成果較大功率單機輸出的實現(xiàn)、軟開關技術的應用、水冷卻方式的采用等，都為以后電鍍行業(yè)逆變電源設計提供了很好的借鑒之處。該電源裝置已順利應用于國內(nèi)某電鍍生產(chǎn)線上，并取得了良好的效果。

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