移相全橋大功率軟開關(guān)電源的設(shè)計(jì)

1  引言

　　在電鍍行業(yè)里，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(diǎn)是體積大、效率低、噪音高、功率因數(shù)低、輸出紋波大、動態(tài)響應(yīng)慢、穩(wěn)定性差等。

　　本文介紹的電鍍用開關(guān)電源，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.由于采用了ZVT軟開關(guān)等技術(shù)，同時采用了較好的散熱結(jié)構(gòu)，該電源的各項(xiàng)指標(biāo)都滿足了用戶的要求，現(xiàn)已小批量投入生產(chǎn)。

　　2  主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　鑒于如此大功率的輸出，高頻逆變部分采用以IGBT為功率開關(guān)器件的全橋拓?fù)浣Y(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。

　　隔直電容Cb 是用來平衡變壓器伏秒值，防止偏磁的?？紤]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1  主電路原理圖

3  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2  IGBT驅(qū)動電壓和集射極電壓波形圖

　　4  容性功率母排

　　在最初的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)中，濾波電容C5 與IGBT 模塊之間的連接母排為普通的功率母排。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)IGBT上的電壓及流過IGBT的電流均發(fā)生了高頻震蕩，圖3 為滿功率時采集的變壓器初級的電壓、電流波形圖。原因是并聯(lián)在IGBT 模塊上的突波吸收電容與功率母排的寄生電感發(fā)生了高頻諧振。滿載運(yùn)行一小時后，功率母排的溫升為38 ℃，電容C5 的溫升為24 ℃。

圖3 　使用普通功率母排時變壓器初級電壓、電流波形

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

圖4 　使用容性功率母排后變壓器初級電壓和電流波形