電鍍用移相全橋軟開關(guān)的電路講解

由于行業(yè)的特殊性，用于電鍍的電源較普通電源有著明顯不同，電鍍電源需要較高的電流輸出，而對輸出電壓則要求較低。電鍍電源的電流要求在幾千瓦到幾十千瓦不等，這種比較大功率的電鍍電源大多采用晶閘管相控整流方式。

此篇文章將為大家介紹一種電鍍用開關(guān)電源，其輸出電壓從0~12V、電流從0~5000A 連續(xù)可調(diào)，滿載輸出功率為60kW。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)。

主電路拓撲結(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)計選用了IGBT作為功率開關(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。

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。因為如果該電感太大，將會導(dǎo)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。

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。

對輸出電流進行限制，是為了對電源當中的開關(guān)元件進行保護，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

在本設(shè)計當中，大量運用了穩(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，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。

以縮小體積增長效率為目的，本設(shè)計采用了軟開關(guān)的技術(shù)，電源實際容量為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)。

在電鍍用電源設(shè)計當中，采用了移向全橋的軟開關(guān)電源技術(shù)。這樣做不僅減少了開關(guān)的損耗和噪聲，還讓功率器件得以在零電壓的狀態(tài)下實現(xiàn)軟開關(guān)。從主電路拓撲到控制電路的設(shè)計，本篇文章對電鍍用電源的設(shè)計進了全面細致的講解，不乏是一篇具有極佳參考價值的文章。