雙H橋雙峰雙向脈沖電鍍電源設(shè)計(jì)與仿真

摘要：為了使脈沖電鍍電源輸出頻率可調(diào)，電壓可調(diào)，正向脈沖開啟時(shí)間寬度和負(fù)向脈沖開啟時(shí)間寬度可調(diào)的雙峰雙脈沖。特此提出了一種綠色可靠、節(jié)能高效的新設(shè)計(jì)方案，第一個(gè)H橋采用ZVZCSPWM DC／DC變換器時(shí)輸入的直流電壓進(jìn)行降壓，變成高頻交漉脈沖電壓，然后經(jīng)過(guò)高頻變壓器的隔離和耦合，再通過(guò)橋式整流濾波得到穩(wěn)定的直流電壓，最后經(jīng)過(guò)第二個(gè)H橋進(jìn)行切換，得到任意頻率，任意占空比的雙峰雙向脈沖。實(shí)驗(yàn)證明應(yīng)用該方案能降低開關(guān)管的開關(guān)損耗，降低元器件的要求，能將電源的效率提高到90％以上，同時(shí)由于此電源具有脈沖換向功能，在電鍍時(shí)，大大增加了貴金屬的利用效率。
關(guān)鍵詞：全橋移相軟開關(guān)；雙H橋；雙峰雙向；PSIM；雙向多脈沖

    由于脈沖電源擁有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，因此研制高頻高效、綠色可靠、智能化、輸出特性優(yōu)良的脈沖電源對(duì)工程應(yīng)用有重要的實(shí)際意義。同時(shí)，脈沖電源的研究涉及電力電子、新型功率開關(guān)器件的應(yīng)用、自動(dòng)控制技術(shù)、電磁理論、材料科學(xué)和電路系統(tǒng)建模、優(yōu)化等多方面內(nèi)容，因此具有廣泛的理論和學(xué)術(shù)意義。雙峰雙向脈沖電鍍電源與傳統(tǒng)的充電電源相比，雙脈沖雙極性正負(fù)換向脈沖電源采用電源脈沖換向功能，在電鍍時(shí)使鍍層凸處被強(qiáng)烈溶解而整平，提高電鍍質(zhì)量，節(jié)約貴重金屬。能夠取得更好的電鍍效果及節(jié)能效果，對(duì)電網(wǎng)的污染小，特別是應(yīng)用在精密公差要求的一些特殊工件電鍍，以及一些直流電源電鍍不能得到理想效果的場(chǎng)合，如：連接器及其針腳、精密圖案、電路板過(guò)孔、微波電路板、多層板等等。同時(shí)，新技術(shù)的應(yīng)用將減少電鍍電源對(duì)電網(wǎng)的污染，增加貴金屬的利用效率，減少企業(yè)成本，保護(hù)環(huán)境資源。

1 主電路結(jié)構(gòu)
    主電路如圖1所示，第一個(gè)H橋采用全橋移相軟開關(guān)ZVZCS PWM DC／DC變換器進(jìn)行降壓，得到高頻交流脈沖電壓，然后經(jīng)過(guò)高頻變壓器的隔離、降壓，再經(jīng)過(guò)橋式整流濾波得到穩(wěn)定的直流電壓，此處的橋式整流二極管為快速恢復(fù)二極管，能對(duì)高頻變壓器耦合過(guò)來(lái)的高頻交流脈沖做出快速反應(yīng)，并且在快速回復(fù)二極管上接入RC吸收網(wǎng)絡(luò)，抑制其寄生振蕩，減小尖峰電壓。然后將整流濾波得到的直流電壓送往第二個(gè)H橋進(jìn)行切換，獲得任意頻率，任意占空比的雙峰雙向脈沖。該電路中，第一個(gè)H橋由于采用軟開關(guān)，避免了開關(guān)器件大電流與高電壓同時(shí)出現(xiàn)的硬開關(guān)狀態(tài)、抑制感性關(guān)斷電壓尖峰和容性開通時(shí)管溫過(guò)高，減小了開關(guān)損耗與干擾，同時(shí)降低了開關(guān)管的要求。通過(guò)兩個(gè)H橋的巧妙結(jié)合，既大大提高了電源的效率，又節(jié)約了電源制作的成本。

2 全橋移相軟開關(guān)變換器工作原理及波形
    在一個(gè)開關(guān)周期中，全橋移相軟開關(guān)變換器共有10種開關(guān)模式。在分析之前作如下假設(shè)：
    阻斷電容Cb足夠大；
    為變壓器初、次級(jí)繞組匝數(shù)比；
    所有開關(guān)管、二極管為理想器件，電容、電感為理想元件。
    1)開關(guān)模式0(to時(shí)刻)在to時(shí)刻，Vg1和Vg4導(dǎo)通，變壓器初級(jí)電流ip給阻斷電容Cb充電。變壓器初級(jí)側(cè)電流Ipo=Io／n。阻斷電容Cb電壓為UCb(to)。
    2)開關(guān)模式1(to，t1)在to時(shí)刻，關(guān)斷Vg1，ip從Vg1轉(zhuǎn)移到C2和C1，給C1充電，C2放電。在這個(gè)時(shí)段，Llk和L是串聯(lián)的，而且L很大，可以認(rèn)為ip近似不變，類似于一個(gè)恒流源，其大小為Ipo=Io／n。變壓器初級(jí)側(cè)電流ip繼續(xù)給阻斷電容Cb充電。C1的電壓從零開始線性上升，C2的電壓從Uin開始線性下降，Vg1是零電壓關(guān)斷。
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    由于Vg1和Vg4同時(shí)導(dǎo)通，uAP=0。變壓器次級(jí)側(cè)二極管同時(shí)導(dǎo)通，導(dǎo)致變壓器初、次級(jí)繞組電壓均為零。因?yàn)槁└休^小，而阻斷電容較大，可以認(rèn)為在這個(gè)開關(guān)模式中，阻斷電容電壓基本不變，初級(jí)側(cè)電流基本是線性減小，即
   
    在t2時(shí)刻，初級(jí)側(cè)電流下降到零，該開關(guān)模式的持續(xù)時(shí)間為
   
    4)開關(guān)模式3(t2，t3)由于二極管VD4阻斷了ip的反向路徑，初級(jí)側(cè)電流恒為零。此段時(shí)間為VD4和Vg4恢復(fù)時(shí)間。
    5)開關(guān)模式4(t3，t4)在t3時(shí)刻，關(guān)斷Vg4，此時(shí)Vg4中并沒(méi)有電流流過(guò)，因此Vg4是零電流關(guān)斷。在很小的延時(shí)后，開通Vg2，由于漏感的存在，初級(jí)側(cè)電流不能突變，Vg2是零電流開通。由于初級(jí)側(cè)電流不足以提供負(fù)載電流，次級(jí)側(cè)整流管依然同時(shí)導(dǎo)通。變壓器的初、次級(jí)繞組被鉗位在零電壓。此時(shí)加在漏感兩端的電壓為-(Uin+UCbp)，初級(jí)側(cè)電流從零開始反方向線性增加。即
   
    在t4時(shí)刻，初級(jí)側(cè)電流反方向增加到負(fù)載電流。該開關(guān)模式的持續(xù)時(shí)間為
   
    6)開關(guān)模式5(t4，t5)從t4時(shí)刻開始，原邊給負(fù)載提供能量，同時(shí)給阻斷電容反向充電。阻斷電容上的電壓為下一次Vg2零電流關(guān)斷和Vg4零電流開通做準(zhǔn)備。在t5時(shí)刻，關(guān)斷Vg3，開始另一個(gè)半周期(t5～t10)，其工作情況類似于前面描述的(t0～t5)。
   

3 技術(shù)指標(biāo)
    輸入電壓幅值Uin=300 V；次級(jí)輸出電壓Uo=24 V；開關(guān)管工作頻率f=20 kHz；額定輸出電流Io=20 A；輸出脈沖的頻率fs=100 Hz；脈沖開通占空比：17％(即PSIM軟件中對(duì)應(yīng))；脈沖關(guān)斷占空比：8％(即PSIM軟件中對(duì)應(yīng))。

4 電路元件參數(shù)設(shè)計(jì)
    1)開關(guān)管的選擇
    超前橋臂承受的最大電壓為最大的直流輸入電壓Uinmax=300x(1+10％)=330 V，由于本設(shè)計(jì)中開關(guān)管工作在軟開關(guān)狀態(tài)，滯后橋臂承受的最大電壓應(yīng)力為Uinmax+UCbp=1．2Uinmax=396 V。
    由于全橋移向變換器開關(guān)管工作在軟開關(guān)狀態(tài)，功率開關(guān)管的額定電壓可降低一些，可選用500 V。
    輸出濾波電感電流的最大平均值為

    加2倍裕度為6．72A。
    通過(guò)綜合考慮，本設(shè)計(jì)選用IR公司HEXFET系列的功率MOSFET管IRFP450LC，VDSS=500 V，RDS(on)=0．4 Ω，ID=14 A，td(off)=30ns，tf=30 ns。[!--empirenews.page--]
    本設(shè)計(jì)中第一個(gè)H橋開關(guān)管選用IR公司HEXFET系列的功率MOSFET管IRFP450L：td(off)=30ns，tf=30 ns，所以開關(guān)管的關(guān)斷時(shí)間：toff=tf+td(off)=30+30=60 ns。第二個(gè)H橋開關(guān)管選用IGBT管GT40T101，選用的方法與選用第一個(gè)H橋開關(guān)管類似，此處不累贅。
    高頻變壓器原邊繞組匝數(shù)為118，副邊繞組匝數(shù)為14，匝數(shù)比n=8．3。
    2)全橋移向變換器中Llk的選擇
   
    聯(lián)立以上兩式得：
    26．892 μH<Llk<747 μH本設(shè)計(jì)中取Llk=30μH。
    3)超前橋臂開關(guān)管并聯(lián)電容Cr(C1、C2)的選擇緩沖電容Cr的作用是實(shí)現(xiàn)超前臂的軟開關(guān)關(guān)斷，為了保證超前臂不直通，必須滿足
   
    其中fL是輸出濾波電感的工作頻率fL=2f=40 kHz；Ioccm是維持電感電流連續(xù)的標(biāo)稱最小電流，本設(shè)計(jì)中?。篒occm=10％Io；得到L=44．6μH增加裕度10％，本設(shè)計(jì)中L取值為50μH。
    6)輸出濾波電容的選擇
    本設(shè)計(jì)選用4 700 μH鉭電解電容和4．7 μF普通電容并聯(lián)濾波。
    7)全橋移向軟開關(guān)各時(shí)間段的計(jì)算
   
    本設(shè)計(jì)中由于用PISIM仿真軟件，其中PWM模塊是利用開關(guān)點(diǎn)的數(shù)目和開關(guān)點(diǎn)(用度表示)來(lái)設(shè)置，所以必須將對(duì)應(yīng)的時(shí)間轉(zhuǎn)換為角度。
    PWM1：頻率：20kHz；開關(guān)點(diǎn)數(shù)：2；開關(guān)點(diǎn)：1．7928 180；
    PWM2：頻率：20kHz；開關(guān)點(diǎn)數(shù)：2；開關(guān)點(diǎn)：181．7928360；
    PWM3：頻率：20 kHz；開關(guān)點(diǎn)數(shù)：2；開關(guān)點(diǎn)：216576．395．13：
    PWM4：頻率：20kHz；開關(guān)點(diǎn)數(shù)：2；開關(guān)點(diǎn)：36．576 215．13；
    PWM5：頻率：100Hz；開關(guān)點(diǎn)數(shù)：4；開關(guān)點(diǎn)：0 60 90 150；
    PWM6：頻率：100Hz：開關(guān)點(diǎn)數(shù)=4；開關(guān)點(diǎn)：180 240 270 330；
    PWM7：頻率：100Hz；開關(guān)點(diǎn)數(shù)：4；開關(guān)點(diǎn)：180 240 270 330；
    PWM8：頻率：100Hz；開關(guān)點(diǎn)數(shù)：4；開關(guān)點(diǎn)：0 60 90 150；

5 主電路仿真結(jié)果
    本設(shè)計(jì)利用PSIM作為仿真軟件，它是專門為電力電子和電動(dòng)機(jī)控制設(shè)計(jì)的一款仿真軟件。它具有快速的仿真功能和友好的用戶界面等優(yōu)點(diǎn)，針對(duì)不同用戶而提供的一種強(qiáng)有效的仿真環(huán)境。PSIM具有獨(dú)特仿真速度、可控制任意大小的電力變換回路、及對(duì)控制回路仿真功能的特點(diǎn)，在各個(gè)不同系統(tǒng)的仿真領(lǐng)域、控制環(huán)的設(shè)計(jì)、以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。PSIM作為仿真工具以及設(shè)計(jì)工具使用，可以大大提高工作效率和生產(chǎn)性能，對(duì)降低開發(fā)成本和到出廠時(shí)間的縮短都起到舉足輕重的作用。仿真結(jié)果如圖3所示。

6 結(jié)束語(yǔ)
    1)無(wú)孔針鍍鎳：用直流電鍍，48 h，鍍層厚度240 μm，且鍍層粗糙。采用雙峰雙向脈沖電鍍電源，鍍層厚度240μm只需20 h，表面光滑，無(wú)毛刺。節(jié)約時(shí)間將近2倍。
    2)雙脈沖鍍銅：給PCB板鍍銅，用普通直流電鍍時(shí)通常出現(xiàn)孔徑兩端之銅層過(guò)厚但中心銅層不足之現(xiàn)象，導(dǎo)致印刷電路板不合格，現(xiàn)采用雙峰雙向脈沖電鍍電源，脈沖頻率1000 Hz，正向開通時(shí)間為300 μs，正向關(guān)斷時(shí)間50μs，反向開通時(shí)間為100 μs，反向關(guān)斷時(shí)間為50μs，即可克服直流電鍍時(shí)出現(xiàn)孔徑兩端之銅層過(guò)厚但中心銅層不足之現(xiàn)象。
    從以上實(shí)驗(yàn)證明，此方案既能提高電鍍質(zhì)量，又能節(jié)約電鍍時(shí)間，有較好的應(yīng)用價(jià)值。