《電子技術(shù)應(yīng)用》
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高功率因數(shù)的大功率開關(guān)電鍍電源研究
摘要: 介紹一種大功率開關(guān)電鍍電源的設(shè)計(jì)方案。為解決電鍍電源中出現(xiàn)的電流嚴(yán)重畸變問題,采用三相PWM高功率因數(shù)整流方案,采用TMS320LF2812實(shí)現(xiàn)逆變器的FB-ZVSPWM控制方式,功率輸出采用變壓器功率合成及倍頻整流模式,降低了開關(guān)損耗,有效提高了開關(guān)頻率和輸出效率。采用Matlab對其進(jìn)行了仿真,仿真分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性,證明了設(shè)計(jì)的電源具有諧波污染小,功率因數(shù)高,轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)。
Abstract:
Key words :

    1·引言

    傳統(tǒng)電鍍電解直流電源采用晶閘管相控整流模式,導(dǎo)致電網(wǎng)側(cè)諧波大、功率因數(shù)" title="功率因數(shù)">功率因數(shù)低?,F(xiàn)代電鍍電解開關(guān)電源采用二極管整流-IGBT逆變" title="逆變">逆變橋-高頻變壓器耦合-低壓整流的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),具有體積小、效率高、直流電壓紋波小的優(yōu)點(diǎn),但直流母線采用大電容濾波,同樣會導(dǎo)致網(wǎng)側(cè)電流畸變、功率因數(shù)降低。鑒于電鍍電源" title="電鍍電源">電鍍電源要求輸出直流低電壓和大電流,設(shè)計(jì)的電源采用電壓空間矢量控制三相PWM整流器,從而實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)校正。采用IGBT全橋逆變,高頻變壓器耦合輸出,最后通過倍頻整流和LC濾波,使直流輸出電壓的質(zhì)量和裝置能量密度顯著提高。

    文中介紹的電鍍用開關(guān)電源,其滿載輸出功率為60kW,輸出電壓為12V,輸出電流為5kA,且連續(xù)可調(diào)。通過采用三相PWM整流技術(shù)控制相電流實(shí)現(xiàn)正弦波。理論分析、仿真及實(shí)驗(yàn)表明,該電路實(shí)現(xiàn)了輸入電流的高功率因數(shù)整流和低電流畸變,有效抑制電鍍電源的網(wǎng)側(cè)電流諧波。同時(shí)采用全橋零電壓軟開關(guān)控制方式,有效減少了功率損耗。

    2·主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

    鑒于大功率的輸出,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)。

    圖1示出電源主電路,包括:工頻三相交流電輸入、整流橋、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。其中,C1為小電容,用于濾除尖峰脈沖帶來的毛刺;C2為大容量電容;VTi(i=1~4)構(gòu)成全橋逆變器;Cz為防止變壓器發(fā)生磁偏的隔直電容。

    盡管目前廣泛采用軟開關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)大功率開關(guān)電鍍電源的設(shè)計(jì)方案比以前晶閘管相控整流方式效果更佳,但仍存在損耗大、功率因數(shù)低以及諧波等問題,故三相功率因數(shù)校正成為研究熱點(diǎn)。為此,在設(shè)計(jì)中增加了功率因數(shù)校正環(huán)節(jié),從而有效地提高了電源的功率因數(shù)和效率。

    3·三相PWM高功率因數(shù)整流環(huán)節(jié)

    三相PWM高頻整流電路的主要原理是通過對PWM整流電路的適當(dāng)控制,使輸入電流非常接近于正弦波,且和輸入電壓同相位,功率因數(shù)近似為1,因此,該整流電路可稱為高功率因數(shù)整流器。圖2示出基于三相PFC的電鍍電源系統(tǒng)框圖,其中前級為三相PFC及其控制電路。

    3.1整流環(huán)節(jié)電路拓?fù)?/strong>

    圖3示出三相PWM高頻整流拓?fù)?,整流主電路?個(gè)IGBT與快速恢復(fù)二極管構(gòu)成,系統(tǒng)中的電流方向如圖所示。

    設(shè)三相對稱,定義開關(guān)函數(shù):當(dāng)Sg=1(Sg*=0)時(shí),上橋臂開關(guān)管" title="開關(guān)管">開關(guān)管導(dǎo)通,下橋臂開關(guān)管截止;而當(dāng)Sg=1(Sg*=0)時(shí),開關(guān)管導(dǎo)通情況相反,其中g(shù)=a,b,c。

    3.2電壓空間矢量原理

    三相PWM整流器采用電壓空間矢量控制,定義三相電壓型PWM整流器網(wǎng)側(cè)輸入電壓矢量為:

    根據(jù)三相PWM整流器開關(guān)信號S的定義,整流器有8種導(dǎo)通模式,對應(yīng)的空間電壓矢量:U0(000),U1(100),U2(110),U3(010),U4(011),U5(001),U6(101),U7(111),其中U1~U6為6個(gè)非零有效矢量,U0和U7為兩個(gè)零矢量。在一個(gè)電流采樣周期內(nèi),開關(guān)管的導(dǎo)通總是以零矢量開始并以零矢量結(jié)束。用6個(gè)非零矢量和兩個(gè)零矢量去逼近電壓圓,整流器三相橋輸入端會得到等效的三相正弦波波形。可用兩個(gè)相鄰非零矢量和兩個(gè)零矢量去逼近任一空間電壓矢量,從而三相橋輸入為等效正弦波。因此,在系統(tǒng)運(yùn)行的一個(gè)電網(wǎng)周期內(nèi),可以在空間中形象地用6個(gè)區(qū)域來劃分電網(wǎng)空間電壓矢量所在的位置:Ⅰ區(qū)θ=0~π/3;Ⅱ區(qū)θ=π/3~2π/3;Ⅲ區(qū)θ=2π/3~π;Ⅳ區(qū)θ=π~4π/3;Ⅴ區(qū)θ=4π/3~5π/3;Ⅵ區(qū)θ=5π/3~2π。

    按上述定義對電壓空間矢量進(jìn)行合理分配,控制好零矢量的作用時(shí)間,形成等幅不等寬的PWM脈沖波,最終實(shí)現(xiàn)追蹤磁通的圓形軌跡,即實(shí)現(xiàn)SVPWM控制。因?yàn)橹绷鱾?cè)電壓Udc與整流器輸入電流im(m=a,b,c)互相影響,使控制變得困難,因此提出了很多不同的控制方法。在采用電壓SVPWM控制系統(tǒng)中,根據(jù)文獻(xiàn)采用直接計(jì)算合成參考電壓的方法,定義空間矢量如下:

    通過采用直接計(jì)算合成參考電壓矢量的方法,使計(jì)算變得簡單,簡化了電源硬件和系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì),很好地控制了直流側(cè)電壓和輸入電流,有效地提高了電源的功率因數(shù)和效率。

    4·逆變橋控制及IGBT的驅(qū)動和保護(hù)

    4.1逆變橋控制

    全橋逆變器4個(gè)開關(guān)管均采用IGBT,通過DSP中的事件模塊輸出開關(guān)控制命令,即PWM控制信號。PWM信號通過基于HCLP316J的驅(qū)動保護(hù)電路放大后控制逆變電路開關(guān)器件的開通和關(guān)斷,使逆變器輸出預(yù)期波形,從而有效提高電鍍電源開關(guān)頻率,大幅減小器件體積,降低功率器件的開關(guān)損耗。TMS320F2812是專用于電氣控制與傳動控制的集成32位DSP芯片,它第一次采用片內(nèi)FLASH,采用了多組總線并行機(jī)制,具有速度高達(dá)150MHz的指令周期頻率,保證了信號處理的實(shí)時(shí)性。

    4.2IGBT的驅(qū)動和保護(hù)

    鑒于對電源和驅(qū)動的要求,考慮到可靠性和經(jīng)濟(jì)性,為減小體積、降低噪聲干擾、改善驅(qū)動和保護(hù)性能,選擇了驅(qū)動器件HCLP316J來驅(qū)動開關(guān)管IGBT。HCLP316J內(nèi)部使用了光電耦合器來提供控制與驅(qū)動電氣上的隔離,還具有過流檢測與保護(hù)功能,通過測量IGBT兩端的飽和壓降,當(dāng)IGBT流過電流過大如短路時(shí),HCLP316J可檢測到危險(xiǎn),同時(shí)封鎖驅(qū)動脈沖并給出報(bào)警信號。圖4示出基于HCPL316J驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)。

    5·功率合成

    由于設(shè)計(jì)的電源功率較大,為進(jìn)一步提高電源效率,有效實(shí)現(xiàn)大功率合成,該電源通過采用多個(gè)變壓器串并聯(lián)結(jié)構(gòu),使并聯(lián)的輸出整流二極管之間實(shí)現(xiàn)自動均流,如圖1虛線框內(nèi)所示。為進(jìn)一步減小損耗,輸出采用多個(gè)額定電流400A、額定電壓100V的肖特基二極管并聯(lián)。該變壓器是由14個(gè)相同的小變壓器構(gòu)成,變比均為4∶1。

    每個(gè)變壓器的次級輸出采用倍流整流方式,從而使變壓器輸出繞組無需中心抽頭,制造工序簡化。與全波整流方式相比,變壓器的匝比減小1/2,從而變壓器的漏感可以更小,變壓器次級電壓升高一倍,電流減小一半,可大幅減小輸出繞組的損耗;與橋式整流相比,倍流整流器使用的二極管數(shù)量減少一半。倍流整流器是結(jié)合全波整流和橋式整流兩者優(yōu)點(diǎn)的整流器。這些措施都最大限度地減小了電源的輸出損耗,提高了效率。

    6·實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

    根據(jù)以上策略,在圖1所示電路基礎(chǔ)上,采用1.2kV/150A的IGBT模塊開發(fā)了一臺60kW/20kHz(5kA/12V)大功率高頻電鍍電源,輸出電壓電流均可調(diào)。實(shí)驗(yàn)電路參數(shù)如下:三相輸入電壓Uin=380V(50Hz),輸出功率Po=60kW,工作頻率f=20kHz。圖5示出采用Tektronix示波器記錄的實(shí)驗(yàn)波形。

    理論分析、仿真及實(shí)驗(yàn)表明,該電路很容易實(shí)現(xiàn)三相單位功率因數(shù)和低電流畸變,可有效抑制三相大功率電鍍電源的網(wǎng)側(cè)電流諧波;負(fù)載電壓電流相位一致,可實(shí)現(xiàn)ZCS,減小開關(guān)損耗,提高電源利用效率。

    7·結(jié)論

    該電源采用三相PWM高功率因數(shù)整流方案,很好地解決了電鍍電源的電流嚴(yán)重畸變問題;使用全橋軟開關(guān)技術(shù),使功率器件實(shí)現(xiàn)零電壓軟開關(guān),減小了開關(guān)損耗及噪聲,提高了效率?;赥MS320LF2812的電鍍電源,充分利用DSP的高速運(yùn)算能力和豐富的片內(nèi)外設(shè)資源;控制電路采用穩(wěn)壓穩(wěn)流自動轉(zhuǎn)換方案,實(shí)現(xiàn)了輸出穩(wěn)壓穩(wěn)流的自動切換,提高了輸出性能;通過變壓器的功率合成方式,增大了電源容量,滿足了大功率應(yīng)用場合的需求。經(jīng)仿真和實(shí)驗(yàn)證明,該電源具有相當(dāng)?shù)耐茝V和使用價(jià)值。

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