电镀用开关电源技术详解

    1 引言
    在电镀行业里，一般要求工作电源的输出电压较低，而电流很大。电源的功率要求也比较高，一般都是几千瓦到几十千瓦。目前，如此大功率的电镀电源一般都采用晶闸管相控整流方式。其缺点是体积大、效率低、噪音高、功率因数低、输出纹波大、动态响应慢、稳定性差等。
    本文介绍的电镀用开关电源，输出电压从0~12V、电流从0~5000A 连续可调，满载输出功率为60kW.由于采用了ZVT软开关等技术，同时采用了较好的散热结构，该电源的各项指标都满足了用户的要求，现已小批量投入生产。
    2 主电路的拓扑结构
    鉴于如此大功率的输出，高频逆变部分采用以IGBT为功率开关器件的全桥拓扑结构，整个主电路如图1 所示，包括：工频三相交流电输入、二极管整流桥、EMI 滤波器、滤波电感电容、高频全桥逆变器、高频变压器、输出整流环节、输出LC 滤波器等。

    隔直电容Cb 是用来平衡变压器伏秒值，防止偏磁的。考虑到效率的问题，谐振电感LS 只利用了变压器本身的漏感。因为如果该电感太大，将会导致过高的关断电压尖峰，这对开关管极为不利，同时也会增大关断损耗。另一方面，还会造成严重的占空比丢失，引起开关器件的电流峰值增高，使得系统的性能降低。

    图1 主电路原理图
    3 零电压软开关
    高频全桥逆变器的控制方式为移相FB2ZVS 控制方式，控制芯片采用Unitrode 公司生产的UC3875N。超前桥臂在全负载范围内实现了零电压软开关，滞后桥臂在75 %以上负载范围内实现了零电压软开关。图2 为滞后桥臂IGBT 的驱动电压和集射极电压波形，可以看出实现了零电压开通。

    开关频率选择20kHz ,这样设计一方面可以减小IGBT的关断损耗，另一方面又可以兼顾高频化，使功率变压器及输出滤波环节的体积减小。

    图2 IGBT驱动电压和集射极电压波形图
    4 容性功率母排

    在初的实验样机中，滤波电容C5 与IGBT 模块之间的连接母排为普通的功率母排。在实验中发现IGBT上的电压及流过IGBT的电流均发生了高频震荡，图3 为满功率时采集的变压器初级的电压、电流波形图。原因是并联在IGBT 模块上的突波吸收电容与功率母排的寄生电感发生了高频谐振。满载运行一小时后，功率母排的温升为38 ℃，电容C5 的温升为24 ℃。

    图3 使用普通功率母排时变压器初级电压、电流波形

    为了消除谐振及减小功率母排、滤波电容的温升，我们终采用了容性功率母排，图4 为采用容性功率母排后满功率时采集的变压器初级的电压、电流波形图。从图中可以看出，谐振基本消除，满载运行一小时后，无感功率母排的温升为11 ℃，电容C5的温升为10 ℃。

    图4 使用容性功率母排后变压器初级电压和电流波形