大功率高效簡化型電解電鍍高頻開關電源

汪健良

摘要：伴隨科學技術的發展，人們對開關電源的要求也越來越高。傳統的電源即電解電鍍直流電源已經不再適應時代的發展需求，開發新型電源并應用于生產生活逐漸成為研究熱點。大功率高效簡化型電解電鍍高頻開關電源是目前應用較為廣泛的電源類型，能滿足人們的實際需求，本文將對大功率高效簡化型電解電鍍高頻開關電源的相關內容進行研究與討論，僅供參考。

關鍵詞：大功率;高頻開關;電解電源;電鍍電源

傳統工頻整流電源占用空間大，能耗與材料消耗嚴重，并且會產生一定量的諧波，影響電網的正常運行。相比而言，高頻開關電源能有效節約能源，且體積小，性能穩定，因此高頻開關電源逐漸成為電解電鍍行業研究的主要方向。隨著研究的不斷深入，人們逐漸發現大功率高頻開關電源通常會輸入不可控整流，然而由于其會明顯降低系統的功率因數，同時產生大量的諧波，從而引發電網污染。學者熊飛，張軍明等提出應用功率因數矯正技術來提高電流的輸入效率。下面從四個方面對當前所應用的大功率高效簡化性電解電鍍高頻開關電源進行探討。

1.簡化型高頻開關電源的拓撲結構

依據當前的情況來看，大功率電解電鍍高頻開關的主電路主要會應用兩級模式，即前級與后級，其中前級引入了AC/DC變換器，目的是將三相交流電轉換為高壓直流電之后穩定輸出，而后級則會選擇DC/DC變換器，目的是將高壓直流電轉換為生產生活需要的低壓直流電源，但是高頻開關電源的前級變換器通常會輸入不可控整流，導致電流輸入時發生畸變，大大降低了系統的工作效率。

若想實現高頻開關電源的穩定運行，減少能源損耗與諧波污染非常關鍵，同時還需要提高系統的響應速度，當前已經出現了一種高效簡化結構的高頻開關電源（見圖1），其主要包含四個組成部分，分別為半橋逆變器、三相四開關PWM整流器、高頻耦合變壓器以及低壓全波整流器，與典型的電解電鍍高頻開關電源相比，現有的電源當中半橋逆變器、三相四開關PWM整流器同時使用一個電容器，電路中的開關器件相對減少，系統的成本損耗也明顯降低。并且借助PWM整流器，系統運行時諧波被消除，系統的工作效率大大提高。

在上述圖例當中，三相電壓分別為Usa、Usb與Usc，三相交流端輸入的電流分別為isa、isb、iscC1與C2均作為直流電容使用，L是電路內引入的濾波電感。在橋臂之后，交流電壓分別設置了兩個開關，目的是保障兩種電平輸出。開關所對應的橋臂輸出狀態可以表示為：

假定直流端的電容與電壓保持一致，那么交流端的電壓可以用下式表示：

另外，因為電路內兩個開關臂是分開進行控制的，互相之間不會影響，這也就利于開關臂電壓的有效輸出。可以肯定的是，依照圖一設計高頻開關電源，PWM整流器會以四種狀況動作，而電壓與電流之間的關系可以這樣表示：

2.以負載功率前饋為基礎的PWM逆變器無差拍控制

文中所選用的整流器為PWM整流器，包含三相四開關，為了提升系統的整流效率，需要以負載功率前饋為基礎設置一種無差拍控制方式，調整逆變器的響應功能，實現負載功率的跟蹤反饋。另外采用無差拍控制方法，能有效減少電壓電流畸變的發生率，保障電能的高效運用。其對應的框架見圖2。

按照文章所描述的設計，應用過三相四個開關實現PWM整流，進而為直流設備提供電能。假定直流側負載的額定功率值為P1，若不考慮系統的開關損耗，那么可以提出對應的能量平衡公式：PL=（3UIcosθ）/2。在該式當中，U、I分別為三相側對應的電壓和電流，θ是相功率因素角。在理想狀態下認定θ值為0，此時cosθ=1，那么我們就可以換算得到三相電網的電流值的計算公式：IS=2PL/（3U）。依據上文的描述，不難計算前饋指令當中的信號IS，即三相電網內的期望電流值。

為了盡可能維持直流側電壓的持續性與穩定性，可以通過調節P1調節器來關閉對應環節，具體表達式為：

實際應用設計的電源時，如果需要由各自開關臂共同承擔功率損失，那么Iout就需要和各個同步信號相乘，將最終成績視為整流器中兩相開關閉的調壓指令信號。可以將其表示為下式：

依據直流側的情況，其本身存在均壓平衡問題，容易對電網的穩定運行造成印象，對此需要給予直流側均壓控制方法，用以實現直流電容器的平衡。

3. 基于虛擬阻抗的自均控制方法

虛擬阻抗的均衡控制能實現電源中各個模塊的電流平衡。為了實現這一功能，應在高頻開關電源運行過程中引入對應模型，具體結構見圖3。在圖3當中，u1與u2分別表示后級中的輸出電壓，Io1、Io2分別為輸出電流，R1、R2指DC/DC變換器中的電阻。

當電解電鍍高頻開關電源以并聯的形式運行時，電源模塊間的環流會受到抑制，目的是保障電流以穩定而平均的形態流出。具體控制策略如下：首先檢測直流側負載電流的Io，留用檢測值減去定值LT，P1調節器調節直至直流電路中外環控制器輸出對應電壓。其次用外環控制器輸出信號減去虛擬阻抗中電壓的反饋信號，得到電壓內環的參考信號，實現信號跟蹤功能。另外應利用電流雙環控制方法，讓系統輸出穩定的電流與電壓，提高整個電源裝置的性能。

4.結語

對大功率高效簡化型電解電鍍高頻開關電源而言，內部的內個變壓器都不需要中心抽頭，制造過程更為簡便，并且變壓器的匝數減少，能降低變壓器的漏感，增強次級電壓。另外系統內引入了少量二極管，提升了倍流整流器的性能，電源的使用效率大大提高。相信隨著社會發展，這一高頻開關電源會得到廣泛應用。

參考文獻

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