高頻軟開關電鍍電源

高頻軟開關電鍍電源是指採用軟開關技術研究將工頻交流電變換為不同電壓、頻率和波形的直流電設備。

在晶閘管整流器中主要套用“整流”技術，在高頻軟開關電源中既套用“整流”技術又套用“逆變”技術。

基本介紹

• 中文名：高頻軟開關電鍍電源
• 外文名：Electroplating Power Supply Based on High-FrequencySoft Switching Technology
• 學科：控制理論與控制工程
• 套用技術：軟開關技術
• 系統組成：主電路控制電路驅動電路保護電路
• 起步時間：20世紀後期

背景

20世紀後期，隨著現代科技的迅速發展，電鍍技術有了很大的進步，特別是在電鍍過程中引進諸多物理因素如:磁場、聲場、溫度、電流波形及頻率、溶液流速和振動等，使鍍層質量和電鍍效率有了明顯提高。所有這些變化，對電鍍設備及其相關的配套裝置和元器件的性能、質量和品種提出了新的更加嚴格的要求。

電鍍電源屬於低壓大電流設備，要求操作簡便，能承受輸入端的突變和輸出端短路及過載的衝擊。同時電源是電鍍行業最主要的能量消耗者，因此，高品質的電源是電鍍業節能增效的決定性因素，同時對電網的綠色化有重要影響。

發展

傳統電鍍電源

電鍍電源是電鍍設備工作的保障，電鍍電源的技術性能直接影響電鍍鍍層的質量。隨著科學技術的不斷發展，電鍍電源經歷了4個發展階段:交流一直流發電機組、不可控矽整流器、晶閘管整流器、高頻開關電源。

50年代的電鍍電源主要是交流一直流發電機組，即利用交流電動機帶動直流發電機，產生直流電壓電流。若想調節直流發電機的輸出，則把直流發電機的輸出作為採樣信號，調節交流電動機的轉速以改變直流輸出。由於這種電源經過了兩次能量形式的轉換(電能一機械能一電能)，機組效率低(<60% )噪聲大且直流電機維修不方便，這類交流設備在有些行業(如電焊行業)已被國家列為淘汰產品。

60年代研製出的硒、矽整流器，它採用變壓器原邊帶抽頭或用調壓器、飽和電抗器方式調壓，副邊用硒或矽二極體整流作為電鍍電源，該電源在技術上比“交流一直流發電機組”有了一定的進步，但由於在控制上需要用電機或人力去驅動自禍變壓器的調壓端，很不方便。這類電源結構簡單、造價低，但重量大、體積大、效率不高、功率因數也不高，難以實現高精度控制。

70年代出現的晶閘管相控電鍍電源具有體積小、效率高、控制方便等一系列優點，它的出現使得整個電化學工業的面貌煥然一新。晶閘管相控電鍍電源的出現促使電鍍電源從電工型向電子型轉變，它把成熟的調節控制原理通過電子電路，運用到對晶閘管導通角的控制中，使得晶閘管相控電鍍電源的輸出特性大大優於以往的產品。但就相控技術本身來說卻具有三大缺點:(1)整流變壓器仍工作在工頻，體積大、重量大、耗銅耗鐵多;(2)由於整流變壓器工作在工頻，而且晶閘管處於相控狀態，系統固有慣量大，很難實現脈衝電鍍;(3)晶閘管開關狀態使電網供電電流不連續，而且濾波電感大，功率因數低，這是電網的一大“公害”。以上三大問題可以利用逆變變流技術(AC-DC-AC-DC)來解決。

隨著現代電鍍工藝要求的不斷提高，以及國家對用電質量的高度重視，晶閘管相控電源的不足之處越來越明顯。進入80年代末期和90年代以後，現代電力電子技術日益成熟，主要表現在以下兩個方面:

一是以功率開關管MOSFET(MetalOxide SemiconductorField Effect Transistor，電力場效應電晶體)和IGBTt3}(insulate-Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型電晶體)為代表的集高頻、高壓和大電流於一身的功率半導體複合器件的出現使電力電子電路拓撲極大地促進了專用控制晶片的快速發展;

二是以軟開關技術為核心的新型PWM控制技術日趨成熟，在這兩方面的共同促進下，開關電源迎來了發展的新契機—那就是向大功率、高頻化、高功率密度的方向進軍。在這樣的情況下，高頻大功率開關電源自然成了電鍍電源研究的新熱點。

軟開關技術提出和套用

高頻變換電路中的關鍵器件，大功率場效應管(MOS管)和功率絕緣柵電晶體((IGBT管)的套用，使高頻開關電源整流器工作頻率越來越高，高頻變壓器和濾波器體積越小，整流器體積減小，成本越低。所以，應儘可能提高開關頻率。但是，頻率越高，開關損耗越大，這又限制了頻率的提高，開關損耗越大，整流器效率越低，散熱器體積越大。

為了克服傳統DC-DC變換器在硬開關狀態下工作的諸多問題，80年代以來軟開關技術得到了深入廣泛的研究。所謂“軟開關”通常是指零電壓開關ZVS和零電流開關ZCS。最理想的軟開通過程:電壓先下降到零後，電流再緩慢上升到通態值，所以開通損耗近似為零。因器件開通前電壓己下降到零，器件結電容上的電壓亦為零，故解決了容性開通問題。最理想的軟關斷過程:電流先下降到零，電壓再緩慢上升到斷態值，所以關斷損耗近似為零。由於器件關斷前電流已下降到零，即線路電感中電流亦為零，所以感性關斷問題得以解決。

軟開關包括軟開通和軟關斷:軟開通有零電流開通和零電壓開通兩種;軟關斷有零電流關斷和零電壓關斷兩種，可按照驅動信號的時序來判斷。

零電流關斷:關斷命令在t2時刻或其後給出，開關器件端電壓從通態值上升到斷態值，開關器件進入截止狀態。

零電壓關斷:關斷命令在t1時刻給出，開關器件電流從通態值下降到斷態值後，端電壓才從通態值上升到斷態值，開關器件進入截止狀態。在t2以前，開關器件的端電壓必須維持在通態值(約等於零)。

零電壓開通:開通命令在t2時刻或其後給出，開關器件電流從斷態值上升到通態值，開關器件進入導通狀態。在t2以前，開關器件端電壓必須下降到通態值(約等於零)，並且在電流上升到通態值以前維持在零。

零電流開通:開通命令在t1時刻給出，開關器件端電壓從斷態值下降到通態值以後，電流才從斷態值上升到通態值，開關器件進入導通狀態。在t2以前開關器件電流必須維持在斷態值(約等於零)。

系統組成

電鍍電源的主要電路包括主電路(由工頻三相交流電輸入、二極體整流橋、濾波電感電容、高頻全橋逆變器、高頻變壓器、輸出倍流整流濾波環節組成)、控制電路、驅動電路、保護電路。整個系統的電氣原理框圖如圖所示。系統的負載是電鍍鍍槽，表現為感性。由於電鍍溶液電阻非常小，通過電流很大，所以一定要設計過流保護電路。

該設計包括了輸入、輸出兩路過流保護電路。系統總體方案的選擇考慮了其結構設計、元器件的成本，整個系統控制靈活，保護系統齊全，運行可靠。

大功率開關電源並聯均流電路

各種電子裝置對電源功率的要求越來越高，對電流的要求也越來越大，但受構成電源模組的半導體功率器件，磁性材料等自身性能的影響，單個開關電源模組的輸出參數(如電壓、電流、功率)往往不能滿足要求。若採用多個電源模組並聯供電，如圖所示，就不但可以提供所需電流，而且還可以形成N+m冗餘結構，提高了系統的穩定性，可謂一舉兩得。

但是，在電源模組並聯運行時，由於各個模組參數的分散性，使其輸出的電流不可能完全一樣，導致有些模組負荷過重，有些模組過輕。這將使系統的穩定性降低，會給我們的生產和生活帶來嚴重的後果，而且電源模組自身的壽命也會大大縮短。國外有資料表明，電子元器件在工作環境溫度超過50℃時的壽命是在常溫(25℃)時的1/6。因此，使各並聯電源模組的輸出電流平均分配，是提高並聯電源系統穩定性的一個必須解決的問題。

均流的思想就是至少兩個模組的輸出值之間相互比較，取輸出值的最大值作為均流信號通過均流匯流排輸入到其他各個模組中，以控制其他各個模組的輸出值;控制系統檢測各個模組中DC/DC部分的電壓控制電路的輸出信號，經過電路處理後，通過級聯控制匯流排反饋控制信號到各個模組部分中，以控制各個模組的輸出。對應的系統包括:至少兩個並聯連線負載的模組;一個控制系統，控制正弦脈寬調製信號發生器通過級聯控制匯流排把正弦脈寬調製信號輸出給模組，以調節模組的輸出。簡化了系統的接線，提高了系統穩定性。

電感參數

高頻開關變壓器的選擇

開關電源開關器件的作用是在變壓器的原邊產生一個對稱的交流電壓，即通過控制開關的動作速率使變壓器成為通常的高頻交流變壓器。變壓器能使原邊、副邊得到極好的電隔離。在高頻工作中，普通的變壓器過熱，開關損耗增大，需要專門設計高頻變壓器。開關電源在市場發展中主要追求的指標是效率高、體積小、成本低，因此對其中採用的變壓器也主要考慮這幾方面的要求。

開關變壓器的設計一般包括磁芯的設計及線圈的繞制，其中最主要的就是磁芯的設計與選擇。開關變壓器磁芯的選擇包括磁芯材料和磁芯結構兩方面。

1、變壓器磁芯材料的選擇

目前高頻功率變換器常用的磁性材料主要有鐵氧體材料、坡莫合金、非晶態合金材料等。

鈷基非晶態飽和磁通密度高、損耗低等特點，是目前用於高性能高頻變壓器磁芯的首選材料。但鈷基非晶態價格昂貴，熱處理工藝複雜，在高溫條件下磁性能會下降。

坡莫合金芯材的特點是飽和磁通密度高，居里溫度高，但一般都繞製成環形，適合作功率電感用。鐵氧體磁芯的磁通密度多數在0.3T~0.5T範圍內，其居里溫度約在150℃左右，大大低於金屬軟鐵磁材料;其低頻反磁化損耗較小，磁芯很易飽和，從而導致波形畸變和發熱等一系列和矽鋼片磁材類似的問題，不過，隨著頻率的增加，其反磁化損耗增大，特別適宜高頻使用。

另外，鐵氧體材料的抗渦流電阻率很高，高頻損耗小，繞組的禍合特性好，成形方便，是目前功率變壓器中採用最多的磁性材料。

2、變壓器磁芯結構的選擇

開關電源變壓器磁芯有很多種結構可供選擇。其結構選擇取決於變壓器的工作體制、磁芯材料、工作頻率、輸出功率、絕緣耐壓及使用環境等因素。一般鐵氧體磁芯由製造廠家直接製成U型、EE型、EI型和EC型等標準規格供選用，採用U型和E型磁芯繞制高頻功率變壓器的成本較低。

在相同的使用條件下，環形鐵芯損耗低，磁場分布均勻，但是環形磁芯的絕緣系統設計複雜，降低了變壓器的可靠性。矩形磁芯輸出功率大、線圈纏繞方便、分布參數影響小、磁芯視窗利用率高、系統絕緣可靠。

輸出濾波電感

輸出濾波電感由輸出電流的紋波來確定，由於最大電流的紋波不能超過輸出電流的2%

由於倍流整流結構是交錯並聯的連線方式，通過兩個輸出電感的電流值交錯變化，輸出電流的紋波互相抵消，因此，和常規的濾波電感相比，輸出紋波要求相同的情況下，倍流整流電路中電感值可以較小。電感電流的紋波大小△i_L和輸出電流的紋波大小△i_o存在如下的關係:

式中K是電流互消比例係數。