【導(dǎo)讀】電鍍的電源與普通電源的不同之處在于電鍍電源需要電流輸出，而且對輸出電壓要求較低。電鍍電源功率較大，因此多數(shù)采用晶閘管相控整流方式。本文中深入解析了電鍍用開關(guān)電源，電流從0-5000A，輸出電壓從0-12V連續(xù)可調(diào)，60KW的滿載輸出功率。
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(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了零電壓軟開關(guān)，滯后橋臂在75 %以上負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)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(shí)現(xiàn)了零電壓開通。
開關(guān)頻率選擇20kHz ,這樣設(shè)計(jì)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1：IGBT驅(qū)動電壓和集射極電壓波形圖
主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
考慮到對大電流輸出的需要，在主電路的高頻逆變部分，本設(shè)計(jì)選用了IGBT作為功率開關(guān)器件的全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。整個(gè)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。
為了防止偏磁，電路中包含了隔直電容Cb，用它來對變壓器的伏秒值進(jìn)行平衡。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?yàn)槿绻撾姼刑?，將會?dǎo)致過高的關(guān)斷電壓尖峰，這對開關(guān)管極為不利，同時(shí)也會增大關(guān)斷損耗。另一方面，還會造成嚴(yán)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2：主電路原理圖
對輸出電流進(jìn)行限制，是為了對電源當(dāng)中的開關(guān)元件進(jìn)行保護(hù)，以免出現(xiàn)超出過載承受能力的情況。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3 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(yīng)，有利于減小輸出電壓的紋波。
圖3：控制電路的原理框圖
[page]在本設(shè)計(jì)當(dāng)中，大量運(yùn)用了穩(wěn)壓和穩(wěn)流的控制電路，圖4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(shí)，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(shí)，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(yùn)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(shí)工作，此時(shí)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(fù)載三者決定。
圖4：穩(wěn)壓穩(wěn)流自動轉(zhuǎn)換電路
以縮小體積增長效率為目的，本設(shè)計(jì)采用了軟開關(guān)的技術(shù)，電源實(shí)際容量為60kw高頻全橋逆變器的控制方式為移相FB2ZVS 控制方式,它利用變壓器的漏感及管子的寄生電容諧振來實(shí)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(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了零電壓軟開關(guān)，滯后橋臂在75 %以上的負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了零電壓軟開關(guān)。
在本次設(shè)計(jì)中，電鍍電源采用移相全橋的軟開關(guān)電源技術(shù)。從主電路拓?fù)涞娇刂齐娐返脑O(shè)計(jì)，有效的減少了開關(guān)的損耗以及噪聲問題，而且功率器件在零電壓狀態(tài)實(shí)現(xiàn)了軟開關(guān)。
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