大功率高頻開關電源在銅電解領域的應用

安 麗，侯娟奇

（江西銅業集團有限公司 貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

1 引言

江銅集團貴溪冶煉廠陰極銅產能達到100萬t以上，單廠產能世界第一。貴冶通過不斷的技術創新，裝備升級，多項技術指標達到世界領先，引領著中國銅冶煉的不斷進步。2018年電解車間建立銅電解工業試驗平臺，對新技術、新裝備進行試驗，對于提高企業技術水平、裝備水平，提高競爭力有著非常重要的意義。該試驗平臺建立時，整流器采用了新一代的大功率高頻開關電源［1］，對其使用效果進行了驗證。

2 高頻開關電源的工作原理

2.1 工作原理圖

高頻開關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。

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

2.2 關鍵整流器元件

當今，世界最先進的功率半導體器件飛速進步，高性能半導體器件不斷涌現，特別是近年來發展起來的高性能、低導通電阻、大電流MOS管［3］，作為整流器件，具有導通電壓低（0.1～0.2V），反向恢復損耗很低的特點，大幅度降低了整流損耗，極大提升了開關電源的整體效率。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管。MOS英文全稱為Metal-Oxide-Semiconductor即金屬-氧化物-半導體。在一定結構的半導體器件上，加上二氧化硅和金屬，形成柵極。利用VGS來控制“感應電荷”的多少，以改變由這些“感應電荷”形成的導電溝道的狀況，然后達到控制漏極電流的目的。在制造管子時，通過工藝使絕緣層中出現大量正離子，故在交界面的另一側能感應出較多的負電荷，這些負電荷把高滲雜質的N區接通，形成了導電溝道，即使在VGS=0時也有較大的漏極電流ID。當柵極電壓改變時，溝道內被感應的電荷量也改變，導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

設每個MOS管的最大通過電流為52A，MOS管導通電阻為0.001歐姆，肖特基整流和MOS整流方式的效率計算如下（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管導通壓降（V）公式=平均電流×導通電阻（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效率：ηd=ηf×[Vo/(Vo+Vf)]=0.886

MOS管同步整流整機效率：ηm=ηf×[Vo/(Vo+Vm)]=0.968

計算表明，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，閉環反饋后產生脈寬調制（PWM）信號控制逆變電路，使輸出電壓或電流保持穩定［4］。

圖 3 高頻開關控制電路原理圖

2.4 控制系統

采用RS485全數字化網絡傳輸［5］，不存在信號衰減問題，而且雙絞線RS485網絡抗干擾能力很強，即使偶爾受到干擾，它一定能通過FCS校驗檢測到，同時它有自我糾錯功能，以及多次重復傳輸功能，所以它總能得到真實的、正確的而且與另一端沒有誤差的數據，網絡控制系統采用西門子S7-200系列PLC作為中央處理器，繼電回路采用高可靠、節能型新型器件。所有控制轉換均可由PLC進行控制，并可通過通訊接口與買方綜合控制工控機進行數據通訊，傳遞有關數據。同時，PLC還提供了信號的輸入/輸出控制信號接入點，可以將電源設備的聯鎖控制信號等上傳到PLC中，還可以輸出報警信息，還可以將控制信號下載到設備中。

圖 4 控制系統原理圖

3 高頻開關電源優缺點

3.1 優點

（1）高頻開關電源通常采用模塊化設計，單模塊輸出直流電流2000A左右，一般由多個模塊并聯組成，達到用戶所需額定電流，支持熱維護，可實現不停機維護，確保電解生產不斷電，消除由于整流器意外斷電對質量造成的影響。

（2）采用MOS同步整流原件，自身損耗小，功率因數高，可達到0.95以上，無需額外配備功率補償設備，可降低能源消耗。

（3）輸出電流精度高，穩定性好，電流平穩波動小，能夠確保電解過程工藝控制更加穩定，有利于提高產品質量及技術經濟指標。

（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

（1）高頻開關電源單臺容量較小，一般在30V以下，雖然經濟性比較好，但是大規模生產槽電壓需求高，就需要多配置整流器，分區域供電。

（2）電源模塊需定期更換，增加備件成本，但是自身損耗下降，節約的電費足以彌補備件更換費用。

4 實際使用情況

銅電解工業試驗平臺，通電槽數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高頻開關電源。自2018年3月投入運行以來，運行穩定，能夠滿足銅電解工業試驗平臺供電的需求，先后開展了復雜原料電解試驗，陰極銅電單耗影響因素研究試驗，確保試驗的順利完成。

5 結語

大功率高頻開關電源能夠直接滿足小型電解生產需要，通過合理布局，增加整流器數量，也可以滿足大規模的生產需要，同時能夠節約銅母排數量，提供不同電流密度，適應復雜原料的生產。隨著科技的不斷進步，電器元件的發展，未來高頻開關電源提高單臺供電能力［6］，能夠直接滿足大規模電解生產的需要。