基于DSP的高頻軟開關數字電鍍電源的研究

朱 理， 黃輝先

（1.湖南信息職業技術學院，湖南 長沙 410200；2.湘潭大學，湖南 湘潭 411105）

基于DSP的高頻軟開關數字電鍍電源的研究

朱 理1， 黃輝先2

（1.湖南信息職業技術學院，湖南 長沙 410200；2.湘潭大學，湖南 湘潭 411105）

隨著工業電源功率不斷增大，電源效率已成為一個主要指標。針對電鍍行業大功率電源穩定、可靠、靈活的要求，設計了一種全橋移相控制軟開關DC/DC數字化電源。通過Matlab/simulink建立了主電路仿真模型，仿真分析了超前橋臂和滯后橋臂實現零電壓開關的設計原理，并對其進行了驗證，同時采用TMS320F2812作為主控芯片，IGBT作為主開關，試制了一臺24kW/20kHz的樣機，實現了數字移相控制及全橋變換零電壓軟開關，實驗波形驗證控制方案的正確性與有效性。

移相控制；軟開關；數字控制；電鍍電源

0 前言

電鍍是金屬表面處理的重要方法，它是電能轉換為化學能的過程。電鍍電源的數字化技術意義重大。采用數字化技術，從電源的電氣性能來看，可以應用現有電源的各種研究成果，通過系統軟件實現軟開關技術并降低電磁干擾，提高電源的穩定性和智能化程度；從電源的工藝效果來看，數字化電源由于控制策略調整靈活、控制精度高以及控制參數穩定性高，所以具有更好的工藝穩定性和更好的工藝效果及節能特征［1－2］。

本文設計了一種適合ZVS移相全橋的新型高頻變壓器結構，提出了數字化控制的優點，提出了智能積分型PI控制器在電鍍電源中的應用。最后采用TMS320F2812作為主控芯片，IGBT作為主開關，試制了一臺24kW/20kHz的樣機，實現了數字移相控制及全橋變換零電壓軟開關。通過仿真及樣機實驗分析，表明此電源的動靜態性能良好，實驗波形驗證控制方案的正確性與有效性。

1 移相全橋主電路分析

全橋電路的控制方式較多，目前研究較多的是移相控制方式。在這種控制下，全橋變換器可以實現零電壓開關（ZVS）、零電壓零電流開關（ZVZCS）和零電流開關（ZCS）三種軟開關方式。移相控制ZVS PWM DC/DC全橋變換器主電路，如圖1所示。它是利用變壓器的漏感或原邊串聯電感和功率管的寄生電容來實現開關管的零電壓開關。其中，D1～D4分別是Q1～Q4的內部寄生二極管，C1～C4分別是Q1～Q4的寄生電容或外接電容。Lr是諧振電感，它包括了變壓器的漏感。每個橋臂的兩個功率管成1 800互補導通，兩個橋臂的導通角相差一個相位，即移相角，通過調節移相角來調節輸出電壓。Q1和Q3分別超前于Q4和Q2一個相位，稱Q1和Q3組成的橋臂為超前橋臂，Q2和Q4組成的橋臂為滯后橋臂。

圖1 移相控制ZVS PWM DC/DC全橋變換器主電路

本次設計的全數字化大功率軟開關電鍍電源的主電路采用的是移相控制ZVS PWM DC/DC全橋變換器。整體電路是電網50Hz，380V交流電經過整流后，由LC濾波器濾成直流電；然后由ZVS移相全橋電路逆變成高頻交流方波；再由高頻變壓器降壓后由肖特基整流；最后LC濾波成直流電供給負載［3－4］。

2 主電路參數計算

2.1 電源主電路

本文設計的電源主電路，如圖2所示。50Hz，380V工業三相交流電經過D1～D6整流模塊整流成脈動的直流后，經過濾波電感Li和濾波電容Ci濾波成直流電。然后由ZVS移相全橋電路將直流電逆變成20kHz高頻交流方波。其中Q1，Q3為移相全橋的超前橋臂，Q2，Q4為滯后橋臂，Cb為隔直電容。Lr為變壓器T1，T2的合成漏感，T1，T2為兩個并聯的高頻變壓器，變壓器并聯采用原邊串聯、副邊并聯的形式。由于副邊電流之和為2 000A左右，所以副邊采用16個肖特基二極管并聯，如圖中D7～D22所示。最后整流后的脈動直流電經過輸出濾波電感Lo和濾波電容Co濾波成高質量的直流電供給負載。

圖2 電鍍電源主電路

2.2 高頻變壓器參數計算

高頻變壓器的匝數比按當輸入母線電壓最低、輸出電壓最高、有效占空比最大時設計。該電源的輸入電壓為三相380V交流電，又因為市網電壓的波動范圍是±10%，所以輸入三相交流電的最小值為Udc＝380×（1－10%）＝342V。此時母線輸出的最高電壓為483V，以母線電壓變化10%計算，則母線輸出的最低電壓為Udcmin＝483×（1－10%）＝435V。該電源設計的最大輸出電壓Uout為12 V，因為占空比的損失，假設最大有效占空比為Deff＝0.85，副邊整流二極管上壓降Urecd為0.7V，再加上副邊整流電感上約0.3V的壓降ULO，可以估算出變壓器副邊所需的輸出電壓Utransec為：

由以上分析及計算可知，母線上最低電壓為435V，忽略管壓降，隔直電容上最大壓降設計為母線電壓的5%，又由全橋電路前述的輸出特點可知原邊輸入電壓為：

變壓器變比ktran為

為確保在母線電壓最低時，輸出電壓能夠達到12V，所以取原副邊匝數比Ntran為27。

高頻變壓器匝數計算公式如下：

式中：Npri為變壓器原邊匝數；Vdcmin為電源輸出12V時，原邊電壓的最低值；T為電源的周期；Δmax為最大占空比；B為磁芯的最大磁通密度；Ae為單個磁芯的有效磁通面積。

變壓器原邊的匝數為：

因為匝數比為27，且副邊至少為1匝，所以原邊變壓器的匝數就為27匝，這樣變壓器的磁芯就預留了50%的磁通余量。磁通量密度的減小，可以大幅降低磁芯的鐵耗，降低了變壓器工作溫升［5］。

3 電路實驗分析

3.1 仿真實驗分析

本次仿真的任務主要是利用Matlab的simulink仿真軟件實現主電路在全數字化控制（TMS320F2812）下的運行情況。各個主要器件的模型建立之后就可以完成對整個主電路的仿真，如圖3所示。工作條件：輸入直流電壓＋520V，工作頻率20kHz，開關管并聯電容C＝20nF，主電路原邊漏感L＝20uH，比例參數Kp＝1，積分參數Ki＝0.1，濾波電感L＝1uH，濾波電容C＝45mF，Vo＝12V，負載R＝6mΩ。

圖3 全數字控制仿真電路模型

圖4為變壓器原邊電壓和電流的波形。由該圖可見，該仿真原邊電壓和電流波形與前面分析的移相全橋工作原理的結果是一致的。

圖4 變壓器原邊電壓和電流波形

圖5為輸出電流在2 000A時，S4的D，S兩端的電壓波形（幅值高的）和加在其G極的驅動波形（經過放大）。由圖5可知：在開關管打開之前，D，S兩端的電壓已降為零，說明滯后橋臂的開關管實現了零電壓打開。

圖5 滯后橋臂兩端電壓及其驅動

3.2 樣機實驗分析

設計實例：全橋橋式拓撲，移相控制策略，輸入電壓Ui＝380V±10%，輸出電壓12V，額定容量Po＝24kW，開關頻率Fs＝20kHz，變壓器原、副邊匝比為 N1/N2＝27/1，IGBT功率開關均選用西門子公司的BSM200GB120DN2（200A/1 200V），移相控制信號由 TI的 DSP TMS320F2812產生［6－7］。

圖6為變換器功率開關的漏源電壓和驅動電壓波形，零電壓開關（ZVS）良好的波形證實了理論分析的正確性。

圖6 樣機相關波形

4 結論

本文設計了一種適合電鍍電源恒壓和恒流模式運行的全數字化控制電路，智能積分型PI控制被采用到控制電路中，提高了系統的動態性能。采用全數字化PI控制實現了電源工作在恒壓輸出或恒流輸出兩種狀態。設計了一種新型結構的變壓器，該結構的變壓器適用于移相全橋控制電路中，它不僅可以提供移相全橋為實現軟開關而需要的漏感，而且開放式結構更有利于變壓器散熱，減小變壓器的損耗，從而提高整機的效率。

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A Study of High Frequency Soft Switching Digital Electroplating Power Supply Based on DSP

ZHU Li1， HUANG Hui-xian2
（1.Hunan College of Information，Changsha 410200，China；2.Xiangtan University，Xiangtan 411105，China）

As the power of industrial power supplies increases，power efficiency becomes a major indicator.According to the stable，reliable and efficient requirements on high electroplating power supplies，a soft switch DC/DC converter based on full-bridge phase-shifted control is designed；a simulation model of main circuit is established via the simulation software of Matlab/simulink；and the design principle of realizing ZVS in ahead bridge and lagging bridge is analyzed by simulation and proved.At the same time，with TMS320F2812as main control chip and IGBT as main switch，a 24kW/20kHz prototype is developed，realizing digital phase-shifted control and full-bridge zero voltage converting soft switch.The experimental waveforms have proved the correctness and validity of the control scheme.

phase-shifted control；soft switch；digital control；electroplating power supply

TN 86

A

1000-4742（2013）01-0036-04

2011-07-18