高功率因數(shù)的大功率開關(guān)電鍍電源研究

    圖3示出三相PWM高頻整流拓?fù)?，整流主電路?個(gè)IGBT與快速恢復(fù)二極管構(gòu)成，系統(tǒng)中的電流方向如圖所示。

    設(shè)三相對稱，定義開關(guān)函數(shù)：當(dāng)Sg=1（Sg*=0）時(shí)，上橋臂開關(guān)管導(dǎo)通，下橋臂開關(guān)管截止；而當(dāng)Sg=1（Sg*=0）時(shí)，開關(guān)管導(dǎo)通情況相反，其中g(shù)=a，b，c。

    3.2電壓空間矢量原理

    三相PWM整流器采用電壓空間矢量控制，定義三相電壓型PWM整流器網(wǎng)側(cè)輸入電壓矢量為：

    根據(jù)三相PWM整流器開關(guān)信號S的定義，整流器有8種導(dǎo)通模式，對應(yīng)的空間電壓矢量：U0（000），U1（100），U2（110），U3（010），U4（011），U5（001），U6（101），U7（111），其中U1～U6為6個(gè)非零有效矢量，U0和U7為兩個(gè)零矢量。在一個(gè)電流采樣周期內(nèi)，開關(guān)管的導(dǎo)通總是以零矢量開始并以零矢量結(jié)束。用6個(gè)非零矢量和兩個(gè)零矢量去逼近電壓圓，整流器三相橋輸入端會(huì)得到等效的三相正弦波波形。可用兩個(gè)相鄰非零矢量和兩個(gè)零矢量去逼近任一空間電壓矢量，從而三相橋輸入為等效正弦波。因此，在系統(tǒng)運(yùn)行的一個(gè)電網(wǎng)周期內(nèi)，可以在空間中形象地用6個(gè)區(qū)域來劃分電網(wǎng)空間電壓矢量所在的位置：Ⅰ區(qū)θ=0～π/3；Ⅱ區(qū)θ=π/3～2π/3；Ⅲ區(qū)θ=2π/3～π；Ⅳ區(qū)θ=π～4π/3；Ⅴ區(qū)θ=4π/3～5π/3；Ⅵ區(qū)θ=5π/3～2π。

    按上述定義對電壓空間矢量進(jìn)行合理分配，控制好零矢量的作用時(shí)間，形成等幅不等寬的PWM脈沖波，最終實(shí)現(xiàn)追蹤磁通的圓形軌跡，即實(shí)現(xiàn)SVPWM控制。因?yàn)橹绷鱾?cè)電壓Udc與整流器輸入電流im（m=a，b，c）互相影響，使控制變得困難，因此提出了很多不同的控制方法。在采用電壓SVPWM控制系統(tǒng)中，根據(jù)文獻(xiàn)采用直接計(jì)算合成參考電壓的方法，定義空間矢量如下：

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    通過采用直接計(jì)算合成參考電壓矢量的方法，使計(jì)算變得簡單，簡化了電源硬件和系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)，很好地控制了直流側(cè)電壓和輸入電流，有效地提高了電源的功率因數(shù)和效率。

    4·逆變橋控制及IGBT的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)

    4.1逆變橋控制

    全橋逆變器4個(gè)開關(guān)管均采用IGBT，通過DSP中的事件模塊輸出開關(guān)控制命令，即PWM控制信號。PWM信號通過基于HCLP316J的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路放大后控制逆變電路開關(guān)器件的開通和關(guān)斷，使逆變器輸出預(yù)期波形，從而有效提高電鍍電源開關(guān)頻率，大幅減小器件體積，降低功率器件的開關(guān)損耗。TMS320F2812是專用于電氣控制與傳動(dòng)控制的集成32位DSP芯片，它第一次采用片內(nèi)FLASH，采用了多組總線并行機(jī)制，具有速度高達(dá)150MHz的指令周期頻率，保證了信號處理的實(shí)時(shí)性。

    4.2IGBT的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)

    鑒于對電源和驅(qū)動(dòng)的要求，考慮到可靠性和經(jīng)濟(jì)性，為減小體積、降低噪聲干擾、改善驅(qū)動(dòng)和保護(hù)性能，選擇了驅(qū)動(dòng)器件HCLP316J來驅(qū)動(dòng)開關(guān)管IGBT。HCLP316J內(nèi)部使用了光電耦合器來提供控制與驅(qū)動(dòng)電氣上的隔離，還具有過流檢測與保護(hù)功能，通過測量IGBT兩端的飽和壓降，當(dāng)IGBT流過電流過大如短路時(shí)，HCLP316J可檢測到危險(xiǎn)，同時(shí)封鎖驅(qū)動(dòng)脈沖并給出報(bào)警信號。圖4示出基于HCPL316J驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。

    5·功率合成

    由于設(shè)計(jì)的電源功率較大，為進(jìn)一步提高電源效率，有效實(shí)現(xiàn)大功率合成，該電源通過采用多個(gè)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)均流，如圖1虛線框內(nèi)所示。為進(jìn)一步減小損耗，輸出采用多個(gè)額定電流400A、額定電壓100V的肖特基二極管并聯(lián)。該變壓器是由14個(gè)相同的小變壓器構(gòu)成，變比均為4∶1。

    每個(gè)變壓器的次級輸出采用倍流整流方式，從而使變壓器輸出繞組無需中心抽頭，制造工序簡化。與全波整流方式相比，變壓器的匝比減小1/2，從而變壓器的漏感可以更小，變壓器次級電壓升高一倍，電流減小一半，可大幅減小輸出繞組的損耗；與橋式整流相比，倍流整流器使用的二極管數(shù)量減少一半。倍流整流器是結(jié)合全波整流和橋式整流兩者優(yōu)點(diǎn)的整流器。這些措施都最大限度地減小了電源的輸出損耗，提高了效率。

    6·實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

    根據(jù)以上策略，在圖1所示電路基礎(chǔ)上，采用1.2kV/150A的IGBT模塊開發(fā)了一臺60kW/20kHz（5kA/12V）大功率高頻電鍍電源，輸出電壓電流均可調(diào)。實(shí)驗(yàn)電路參數(shù)如下：三相輸入電壓Uin=380V（50Hz），輸出功率Po=60kW，工作頻率f=20kHz。圖5示出采用Tektronix示波器記錄的實(shí)驗(yàn)波形。

    理論分析、仿真及實(shí)驗(yàn)表明，該電路很容易實(shí)現(xiàn)三相單位功率因數(shù)和低電流畸變，可有效抑制三相大功率電鍍電源的網(wǎng)側(cè)電流諧波；負(fù)載電壓電流相位一致，可實(shí)現(xiàn)ZCS，減小開關(guān)損耗，提高電源利用效率。

    7·結(jié)論

    該電源采用三相PWM高功率因數(shù)整流方案，很好地解決了電鍍電源的電流嚴(yán)重畸變問題；使用全橋軟開關(guān)技術(shù)，使功率器件實(shí)現(xiàn)零電壓軟開關(guān)，減小了開關(guān)損耗及噪聲，提高了效率?；赥MS320LF2812的電鍍電源，充分利用DSP的高速運(yùn)算能力和豐富的片內(nèi)外設(shè)資源；控制電路采用穩(wěn)壓穩(wěn)流自動(dòng)轉(zhuǎn)換方案，實(shí)現(xiàn)了輸出穩(wěn)壓穩(wěn)流的自動(dòng)切換，提高了輸出性能；通過變壓器的功率合成方式，增大了電源容量，滿足了大功率應(yīng)用場合的需求。經(jīng)仿真和實(shí)驗(yàn)證明，該電源具有相當(dāng)?shù)耐茝V和使用價(jià)值。

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