移相全橋大功率軟開關(guān)電源的設(shè)計

1  引言

　　在電鍍行業(yè)里，一般要求工作電源的輸出電壓較低，而電流很大。電源的功率要求也比較高，一般都是幾千瓦到幾十千瓦。目前，如此大功率的電鍍電源一般都采用晶閘管相控整流方式。其缺點是體積大、效率低、噪音高、功率因數(shù)低、輸出紋波大、動態(tài)響應慢、穩(wěn)定性差等。

　　本文介紹的電鍍用開關(guān)電源，輸出電壓從0~12V、電流從0~5000A 連續(xù)可調(diào)，滿載輸出功率為60kW.由于采用了ZVT軟開關(guān)等技術(shù)，同時采用了較好的散熱結(jié)構(gòu)，該電源的各項指標都滿足了用戶的要求，現(xiàn)已小批量投入生產(chǎn)。

　　2  主電路的拓撲結(jié)構(gòu)

　　鑒于如此大功率的輸出，高頻逆變部分采用以IGBT為功率開關(guān)器件的全橋拓撲結(jié)構(gòu)，整個主電路如圖1 所示，包括：工頻三相交流電輸入、二極管整流橋、EMI 濾波器、濾波電感電容、高頻全橋逆變器、高頻變壓器、輸出整流環(huán)節(jié)、輸出LC 濾波器等。

　　隔直電容Cb 是用來平衡變壓器伏秒值，防止偏磁的。考慮到效率的問題，諧振電感LS 只利用了變壓器本身的漏感。因為如果該電感太大，將會導致過高的關(guān)斷電壓尖峰，這對開關(guān)管極為不利，同時也會增大關(guān)斷損耗。另一方面，還會造成嚴重的占空比丟失，引起開關(guān)器件的電流峰值增高，使得系統(tǒng)的性能降低。

圖1  主電路原理圖

3  零電壓軟開關(guān)

　　高頻全橋逆變器的控制方式為移相FB2ZVS 控制方式，控制芯片采用Unitrode 公司生產(chǎn)的UC3875N。超前橋臂在全負載范圍內(nèi)實現(xiàn)了零電壓軟開關(guān)，滯后橋臂在75 %以上負載范圍內(nèi)實現(xiàn)了零電壓軟開關(guān)。圖2 為滯后橋臂IGBT 的驅(qū)動電壓和集射極電壓波形，可以看出實現(xiàn)了零電壓開通。

　　開關(guān)頻率選擇20kHz ,這樣設(shè)計一方面可以減小IGBT的關(guān)斷損耗，另一方面又可以兼顧高頻化，使功率變壓器及輸出濾波環(huán)節(jié)的體積減小。

圖2  IGBT驅(qū)動電壓和集射極電壓波形圖

　　4  容性功率母排

　　在最初的實驗樣機中，濾波電容C5 與IGBT 模塊之間的連接母排為普通的功率母排。在實驗中發(fā)現(xiàn)IGBT上的電壓及流過IGBT的電流均發(fā)生了高頻震蕩，圖3 為滿功率時采集的變壓器初級的電壓、電流波形圖。原因是并聯(lián)在IGBT 模塊上的突波吸收電容與功率母排的寄生電感發(fā)生了高頻諧振。滿載運行一小時后，功率母排的溫升為38 ℃，電容C5 的溫升為24 ℃。

圖3 　使用普通功率母排時變壓器初級電壓、電流波形

　　為了消除諧振及減小功率母排、濾波電容的溫升，我們最終采用了容性功率母排，圖4 為采用容性功率母排后滿功率時采集的變壓器初級的電壓、電流波形圖。從圖中可以看出，諧振基本消除，滿載運行一小時后，無感功率母排的溫升為11 ℃，電容C5的溫升為10 ℃。

圖4 　使用容性功率母排后變壓器初級電壓和電流波形[!--empirenews.page--]

5  采用多個變壓器串并聯(lián)結(jié)構(gòu)，使并聯(lián)的輸出整流二極管之間實現(xiàn)自動均流

　　為了進一步減小損耗，輸出整流二極管采用多只大電流（400A） 、耐高電壓（80V） 的肖特基二極管并聯(lián)使用。而且，每個變壓器的次級輸出采用了全波整流方式。這樣，每一次導通期間只有一組二極管流過電流。同時，次級整流二極管配上了RC 吸收網(wǎng)絡，以抑止由變壓器漏感和肖特基二極管本體電容引起的寄生震蕩。這些措施都最大限度地減小了電源的輸出損耗，有利于效率的提高。

　　對于大電流輸出來說，一般要把輸出整流二極管并聯(lián)使用。但由于肖特基二極管是負溫度系數(shù)的器件，并聯(lián)時一般要考慮它們之間的均流。二極管的并聯(lián)方式有許多種，圖5 所示，圖a 為直接并聯(lián)方式；圖b 為串入電阻并聯(lián)方式；圖c 為串入動態(tài)均流互感器并聯(lián)方式。（均以四只二極管的并聯(lián)為例）。

圖5 　二極管的并聯(lián)方式

　　對于直接并聯(lián)方式，二極管的均流效果很差，輸出電流一般限制在幾十安培到幾百安培左右，不易于做到上千安培。在電流為上千安培輸出的情況下，為了達到均流的目的，可以采用串入電阻方式并聯(lián)或采用串入動態(tài)均流互感器并聯(lián)。由于鄰近效應及趨膚效應的影響，對于串入電阻的并聯(lián)方式，二極管的均流效果隨輸出電流的大小而改變，均流效果較差。為達到較好均流效果，串入的電阻不宜太小，這又帶來較大的損耗。對于串入動態(tài)均流互感器的并聯(lián)方式，可以達到較好的均流效果，但大電流互感器的制作工藝復雜，成本高，同時由于動態(tài)均流互感器的漏感及引線電感的存在，使得二極管在關(guān)斷時的反向尖峰電壓增高，電磁干擾及損耗隨之增加。

　　為了克服以上并聯(lián)方式的不足之處，使輸出整流二極管實現(xiàn)既能自動均流，降低損耗，又可以降低制作工藝的復雜性，我們設(shè)計了一種新穎的高頻功率變壓器，如圖1 所示。這種變壓器是由8 個相同的小變壓器構(gòu)成，變比均為4∶1 ,它們的初級串聯(lián)，而次級則采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)。該變壓器采用初級自冷和次級水冷相結(jié)合的冷卻方式，這樣考慮主要在于它們的熱損耗不同，而且可以大大簡化變壓器的制作工序。

　　下面以兩個變壓器組為例（圖6 所示） ,說明二極管之間的均流。

圖6 　多個變壓器的連接示意圖

　　uin為正時， u1 與u3 為正，二極管D1 與D3 導通，D2 與D4 截止，此時可以得出：

當二極管的管壓降uD1 與uD3 不等時，由公式（3） 、（4） 、（5） 、（6） 可以得出，兩個變壓器原邊的電壓uA與uB 也不等，二極管管壓降高的變壓器原邊的電壓就高，反之亦然。由公式（1） 、（2） 得：

　　即流過二極管D1 與D3 的電流始終相等，實現(xiàn)自動均流?？梢?，變壓器的這種連接方式，是靠調(diào)整單個變壓器原邊的電壓來實現(xiàn)輸出整流二極管的自動均流。

　　多個變壓器的這種連接方式，不僅可以使得輸出整流二極管實現(xiàn)自動均流，還可以使得變壓器的設(shè)計模塊化，簡化變壓器的制作工藝，降低了損耗。

　　與一只單個變壓器相比，多個變壓器的這種連接方式，減小了變壓器的變比，增強了變壓器原副邊的磁耦合性，減小了漏感（實際測量8 個變壓器原邊串聯(lián)后的漏感為6μH） ,減小了占空比的丟失。圖7 為滿載時變壓器初級電壓波形VP 和次級電壓波形VS ,從圖中可以看到占空比丟失不多（大約為5 %） ,使得系統(tǒng)的性能顯著提高。

圖7 　變壓器初級和次級電壓波形圖

　　6  控制電路的設(shè)計

　　由于在本電源中使用的開關(guān)元件的過載承受能力有限，必須對輸出電流進行限制，因此，控制電路采用電壓電流雙環(huán)結(jié)構(gòu)（內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，外環(huán)為電壓環(huán)） ,調(diào)節(jié)器均為PID.圖8 為控制電路的原理框圖。加入電流內(nèi)環(huán)后，不僅可以對輸出電流加以限制，并且可以提高輸出的動態(tài)響應，有利于減小輸出電壓的紋波。

圖8 　控制電路的原理框圖

　　在實際的控制電路中采用了穩(wěn)壓、穩(wěn)流自動轉(zhuǎn)換方式。圖9 為穩(wěn)壓穩(wěn)流自動轉(zhuǎn)換電路。其工作原理是：穩(wěn)流工作時，電壓環(huán)飽和，電壓環(huán)輸出大于電流給定，從而電壓環(huán)不起作用，只有電流環(huán)工作；在穩(wěn)壓工作時，電壓環(huán)退飽和，電流給定大于電壓環(huán)的輸出，電流給定運算放大器飽和，電流給定不起作用，電壓環(huán)及電流環(huán)同時工作，此時的控制器為雙環(huán)結(jié)構(gòu)。這種控制方式使得輸出電壓、輸出電流均限制在給定范圍內(nèi)，具體的工作方式由給定電壓、給定電流及負載三者決定。

圖9 　穩(wěn)壓穩(wěn)流自動轉(zhuǎn)換電路

　　由于本電源的容量為60kW,為了提高效率、減小體積、提高可靠性，因此，采用軟開關(guān)技術(shù)。高頻全橋逆變器的控制方式為移相FB2ZVS 控制方式[1 ] ,它利用變壓器的漏感及管子的寄生電容諧振來實現(xiàn)ZVS .控制芯片采用Unitrode 公司生產(chǎn)的UC3875N。通過移相控制，超前橋臂在全負載范圍內(nèi)實現(xiàn)了零電壓軟開關(guān)，滯后橋臂在75 %以上的負載范圍內(nèi)實現(xiàn)了零電壓軟開關(guān)。圖2 為滯后橋臂IGBT的驅(qū)動電壓和集射極電壓波形，可以看出實現(xiàn)了零電壓開通。

　　7  總結(jié)

　　該電源裝置中，使用移相全橋軟開關(guān)技術(shù)，使得功率器件實現(xiàn)零電壓軟開關(guān)，減小了開關(guān)損耗及開關(guān)噪聲，提高了效率；設(shè)計并使用了一種新穎的高頻功率變壓器，通過調(diào)整單個變壓器的原邊電壓使輸出整流二極管實現(xiàn)自動均流；設(shè)計并使用了容性功率母排，減小了系統(tǒng)中的振蕩，減小了功率母排的發(fā)熱?？刂齐娐分胁捎昧朔€(wěn)壓穩(wěn)流自動轉(zhuǎn)換方案，實現(xiàn)了輸出穩(wěn)壓穩(wěn)流的自動切換，提高了電源的可靠性及輸出的動態(tài)響應，減小了輸出電壓的紋波。

　　實驗取得了令人滿意的結(jié)果，其中功率因數(shù)可達0. 92 , 滿載效率為87 % , 輸出電壓紋波小于25mV.不僅如此，各項指標都達到甚至超過了用戶要求，而且通過了有關(guān)部門的技術(shù)鑒定，現(xiàn)已批量投入生產(chǎn)。