1  引言

　　在電鍍行業(ye) 裏，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(ti) 積大、效率低、噪音高、功率因數低、輸出紋波大、動態響應慢、穩定性差等。

　　本文介紹的電鍍用開關(guan) 電源，輸出電壓從(cong) 0~12V、電流從(cong) 0~5000A 連續可調，滿載輸出功率為(wei) 60kW.由於(yu) 采用了ZVT軟開關(guan) 等技術，同時采用了較好的散熱結構，該電源的各項指標都滿足了用戶的要求，現已小批量投入生產(chan) 。

　　2  主電路的拓撲結構

　　鑒於(yu) 如此大功率的輸出，高頻逆變部分采用以IGBT為(wei) 功率開關(guan) 器件的全橋拓撲結構，整個(ge) 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、輸出整流環節、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 隻利用了變壓器本身的漏感。因為(wei) 如果該電感太大，將會(hui) 導致過高的關(guan) 斷電壓尖峰，這對開關(guan) 管極為(wei) 不利，同時也會(hui) 增大關(guan) 斷損耗。另一方麵，還會(hui) 造成嚴(yan) 重的占空比丟(diu) 失，引起開關(guan) 器件的電流峰值增高，使得係統的性能降低。

圖1  主電路原理圖

3  零電壓軟開關(guan)

　　高頻全橋逆變器的控製方式為(wei) 移相FB2ZVS 控製方式，控製芯片采用Unitrode 公司生產(chan) 的UC3875N。超前橋臂在全負載範圍內(nei) 實現了零電壓軟開關(guan) ，滯後橋臂在75 %以上負載範圍內(nei) 實現了零電壓軟開關(guan) 。圖2 為(wei) 滯後橋臂IGBT 的驅動電壓和集射極電壓波形，可以看出實現了零電壓開通。

　　開關(guan) 頻率選擇20kHz ,這樣設計一方麵可以減小IGBT的關(guan) 斷損耗，另一方麵又可以兼顧高頻化，使功率變壓器及輸出濾波環節的體(ti) 積減小。

圖2  IGBT驅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(yu) IGBT 模塊之間的連接母排為(wei) 普通的功率母排。在實驗中發現IGBT上的電壓及流過IGBT的電流均發生了高頻震蕩，圖3 為(wei) 滿功率時采集的變壓器初級的電壓、電流波形圖。原因是並聯在IGBT 模塊上的突波吸收電容與(yu) 功率母排的寄生電感發生了高頻諧振。滿載運行一小時後，功率母排的溫升為(wei) 38 ℃，電容C5 的溫升為(wei) 24 ℃。

圖3 　使用普通功率母排時變壓器初級電壓、電流波形

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

圖4 　使用容性功率母排後變壓器初級電壓和電流波形

5  采用多個(ge) 變壓器串並聯結構，使並聯的輸出整流二極管之間實現自動均流

　　為(wei) 了進一步減小損耗，輸出整流二極管采用多隻大電流（400A） 、耐高電壓（80V） 的肖特基二極管並聯使用。而且，每個(ge) 變壓器的次級輸出采用了全波整流方式。這樣，每一次導通期間隻有一組二極管流過電流。同時，次級整流二極管配上了RC 吸收網絡，以抑止由變壓器漏感和肖特基二極管本體(ti) 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，有利於(yu) 效率的提高。

　　對於(yu) 大電流輸出來說，一般要把輸出整流二極管並聯使用。但由於(yu) 肖特基二極管是負溫度係數的器件，並聯時一般要考慮它們(men) 之間的均流。二極管的並聯方式有許多種，圖5 所示，圖a 為(wei) 直接並聯方式；圖b 為(wei) 串入電阻並聯方式；圖c 為(wei) 串入動態均流互感器並聯方式。（均以四隻二極管的並聯為(wei) 例）。

圖5 　二極管的並聯方式

　　對於(yu) 直接並聯方式，二極管的均流效果很差，輸出電流一般限製在幾十安培到幾百安培左右，不易於(yu) 做到上千安培。在電流為(wei) 上千安培輸出的情況下，為(wei) 了達到均流的目的，可以采用串入電阻方式並聯或采用串入動態均流互感器並聯。由於(yu) 鄰近效應及趨膚效應的影響，對於(yu) 串入電阻的並聯方式，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(wei) 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。對於(yu) 串入動態均流互感器的並聯方式，可以達到較好的均流效果，但大電流互感器的製作工藝複雜，成本高，同時由於(yu) 動態均流互感器的漏感及引線電感的存在，使得二極管在關(guan) 斷時的反向尖峰電壓增高，電磁幹擾及損耗隨之增加。

　　為(wei) 了克服以上並聯方式的不足之處，使輸出整流二極管實現既能自動均流，降低損耗，又可以降低製作工藝的複雜性，我們(men) 設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(ge) 相同的小變壓器構成，變比均為(wei) 4∶1 ,它們(men) 的初級串聯，而次級則采用並聯結構。該變壓器采用初級自冷和次級水冷相結合的冷卻方式，這樣考慮主要在於(yu) 它們(men) 的熱損耗不同，而且可以大大簡化變壓器的製作工序。

　　下麵以兩(liang) 個(ge) 變壓器組為(wei) 例（圖6 所示） ,說明二極管之間的均流。

圖6 　多個(ge) 變壓器的連接示意圖

　　uin為(wei) 正時， u1 與(yu) u3 為(wei) 正，二極管D1 與(yu) D3 導通，D2 與(yu) D4 截止，此時可以得出：

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當二極管的管壓降uD1 與(yu) uD3 不等時，由公式（3） 、（4） 、（5） 、（6） 可以得出，兩(liang) 個(ge) 變壓器原邊的電壓uA與(yu) 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(yu) D3 的電流始終相等，實現自動均流。可見，變壓器的這種連接方式，是靠調整單個(ge) 變壓器原邊的電壓來實現輸出整流二極管的自動均流。

　　多個(ge) 變壓器的這種連接方式，不僅(jin) 可以使得輸出整流二極管實現自動均流，還可以使得變壓器的設計模塊化，簡化變壓器的製作工藝，降低了損耗。

　　與(yu) 一隻單個(ge) 變壓器相比，多個(ge) 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(ge) 變壓器原邊串聯後的漏感為(wei) 6μH） ,減小了占空比的丟(diu) 失。圖7 為(wei) 滿載時變壓器初級電壓波形VP 和次級電壓波形VS ,從(cong) 圖中可以看到占空比丟(diu) 失不多（大約為(wei) 5 %） ,使得係統的性能顯著提高。

圖7 　變壓器初級和次級電壓波形圖

　　6  控製電路的設計

　　由於(yu) 在本電源中使用的開關(guan) 元件的過載承受能力有限，必須對輸出電流進行限製，因此，控製電路采用電壓電流雙環結構（內(nei) 環為(wei) 電流環，外環為(wei) 電壓環） ,調節器均為(wei) PID.圖8 為(wei) 控製電路的原理框圖。加入電流內(nei) 環後，不僅(jin) 可以對輸出電流加以限製，並且可以提高輸出的動態響應，有利於(yu) 減小輸出電壓的紋波。

圖8 　控製電路的原理框圖

　　在實際的控製電路中采用了穩壓、穩流自動轉換方式。圖9 為(wei) 穩壓穩流自動轉換電路。其工作原理是：穩流工作時，電壓環飽和，電壓環輸出大於(yu) 電流給定，從(cong) 而電壓環不起作用，隻有電流環工作；在穩壓工作時，電壓環退飽和，電流給定大於(yu) 電壓環的輸出，電流給定運算放大器飽和，電流給定不起作用，電壓環及電流環同時工作，此時的控製器為(wei) 雙環結構。這種控製方式使得輸出電壓、輸出電流均限製在給定範圍內(nei) ，具體(ti) 的工作方式由給定電壓、給定電流及負載三者決(jue) 定。

圖9 　穩壓穩流自動轉換電路

　　由於(yu) 本電源的容量為(wei) 60kW,為(wei) 了提高效率、減小體(ti) 積、提高可靠性，因此，采用軟開關(guan) 技術。高頻全橋逆變器的控製方式為(wei) 移相FB2ZVS 控製方式[1 ] ,它利用變壓器的漏感及管子的寄生電容諧振來實現ZVS .控製芯片采用Unitrode 公司生產(chan) 的UC3875N。通過移相控製，超前橋臂在全負載範圍內(nei) 實現了零電壓軟開關(guan) ，滯後橋臂在75 %以上的負載範圍內(nei) 實現了零電壓軟開關(guan) 。圖2 為(wei) 滯後橋臂IGBT的驅動電壓和集射極電壓波形，可以看出實現了零電壓開通。

　　7  總結

　　該電源裝置中，使用移相全橋軟開關(guan) 技術，使得功率器件實現零電壓軟開關(guan) ，減小了開關(guan) 損耗及開關(guan) 噪聲，提高了效率；設計並使用了一種新穎的高頻功率變壓器，通過調整單個(ge) 變壓器的原邊電壓使輸出整流二極管實現自動均流；設計並使用了容性功率母排，減小了係統中的振蕩，減小了功率母排的發熱。控製電路中采用了穩壓穩流自動轉換方案，實現了輸出穩壓穩流的自動切換，提高了電源的可靠性及輸出的動態響應，減小了輸出電壓的紋波。

　　實驗取得了令人滿意的結果，其中功率因數可達0. 92 , 滿載效率為(wei) 87 % , 輸出電壓紋波小於(yu) 25mV.不僅(jin) 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(guan) 部門的技術鑒定，現已批量投入生產(chan) 。