
在全桥相移零电压开关变换器中,开关管的导通关断时间恒定。导通顺序为IGBT1一IGBT4一IGBT—IGBT2同一桥臂的开关管为反相导通。对角管导通具有相移,从而使共导时间随相移的变化而变化。由于开关管存在关断时间,同一桥臂的2个开关管导通关断时,需要一定的延时时间(死区时间)以防止直通,保证开关管的安全;同时为保证开关管的零压开通,需要分别设定合适的****臂与滞后臂的延时时间。IGBT1一至GBT4分别由uc3879输出的OuTA—OuTD控制。
3电源系统整体设计
电源装置主要由三相整流滤波电路、高频逆变电路、高频变压器、高频整流滤波电路、PWM控制电路、稳压稳流控制电路及故障保护电路组成,如图2所示。工作时电网三相电源输入,经整流、滤波电路加至绝缘栅双极型晶体管IGBT组成的逆变电路,由主电路转换成脉宽可调的高频交流(约20kHz),再经高频变压器降压、肖特基二极管整流转换成适于工作需求的低压直流。

高频逆变电路采用全桥移相零电压开关主电路,同时采用软开关技术,以实现大功率低损耗高频逆变。高频开关管采用大功率IGBT模块,以提高电源可靠性,高频整流管采用肖特基整流模块以提高电源的效率。
控制单元输出的控制信号可以对主电路输出一作出迅速响应,从而不但给出优良的动、静态输出特性,而且能对各种输入电压的波动予以补偿,并一能对各种原因造成的故障作出迅速的保护响应。
电源系统的主要功能有:
①系统按输出的电流或电压偏差分别自动进行PI稳流或稳压调节。
②设置了过流、过热和缺水等保护措施,且具有声光电三维报警方式。
③通过氲板上的电压、电流表(输出电压、输出电流)可分别监测系统的输出状态。
④系统具有稳压及稳流两种工作模式,保证了系统的稳定运行。用户可根据工艺需要进行选择。
⑤系统具有软起动功能,其给定值由小逐渐增大,软起动时间约为5s。
⑥系统为远控方式,其操作简单,用户掌握很方便。
3.1输入整流桥及平波滤波器
该系统设计输出为3000A16V,前端采用三相整流桥输入,如图3所示,其中负载R为开关变换器的等效电阻。考虑理想情况,L1为无穷大,id为一平滑直流。通过对三相整流桥电路工作原理分析,考虑电网波动及保留一倍裕量,可选定二极管的额定参数为150A/1200V。

平波滤波器的作用是平滑整流电压和提高功率因数。设计中需结合经验,选择了一个性能和成本的折中点。此处采用把电感放在直流侧的安置方式。与把电感放在交流侧的安置方法相比,无论是在结构复杂程度,还是成本方面,都要低得多。
而且理论上这种结构可以达到的****输入功率因数为0。955,完全能满足该系统的要求。
3.2高频变压器
在高频开关电源设计中,高频变压器的设计是
一个关键因素,它不仅决定了电源的输出能力,而且直接关系到电源设计的成败。
为了实现大功率转换,该系统采用4个变压器并联,且每个变压器的磁芯采用一个环形磁芯。
环形磁芯的窗口面积和体积都比较容易做大,工艺绕制简单,安装方便,更加适合用于大功率开关电源。并联的4个变压器的原边输入电压相等且为逆变器输入的电压,副边输出并联。通过计算,取变压器原边的匝数为2l匝,副边为l匝。考虑绕制工艺、散热、损耗等因素的影响,原边采用USTC O。l×1050的多殷丝包线,副边则采用’FMY一40x6或TMY-50x5的铜排。
3.3 IGBT及隔直电容
由电路特点可知,IGBT的工作平均电流为母线平均电流的一半。流过IGBT的平均电流及承受的****反向电压为:

考虑到尖峰电压电流的影响,保留一定的裕量,最终确定IGBT的容量为300A/l 200V。
隔直电容的作用是防止变压器发生偏磁现象,选的过大,则会增加成本;选的过小,则会产生EMI,降低电压利用率。设计中还需考虑等效串联电阻和电感的影响及散热问题。
3.4输出整流管及RC吸收网络
选择整流二极管首先要考虑流过二极管的电流。计算流过整流二极管的电流及其额定电压,保留一定的裕量,最终选用的是400A/100V的肖特基二极管。
RC吸收网络的作用是防止输出整流二极管关断时因反向恢复引起的振铃。设计中可选择电容的容值为二极管寄生电容容值的1 0倍,电阻值则必须使电容在十分之一个周期内充、放电完成,同时也要注意电阻功率是否满足吸收要求。
3。5输出滤波器
输出滤波器的设计主要围绕输出纹波指标来考虑。一般情况下,以在最坏的情况下计算的参数为依据来选择滤波电容和滤波电感值。
4试验结果
设计制造的3000A/16V样机如图4所示,试验波形由’FDS5034示波器记录,如图5—7所示。图5为同一桥臂上两个开关管的驱动脉冲波形,开关频率为20kHz。图6为输入电压是220V时,样机的工作波形,l通道为变压器原边电压,2通道为工GBT驱动脉冲,3通道为变压器副边肖特基反向压降,4通道为变压器原边电流。图7为样机满载时的工作波形,l通道为变压器原边电压,2通道为样机直流输出电压。表l列出了样机的各项技术指标,及其与预定目标的比较。试验结果证明,样机已完全满足设计要求。


5结论
高频开关电源,作为中国电器科学研究院研制的新一代逆变式电源,具有高效节能、体积小重量轻、稳定可靠、绿色环保等优良特性。本项目成果中大功率单机输出的实现、软开关技术的应用、水冷却方式的采用等,都为以后电镀行业逆变电源设计提供了很好的借鉴之处,该电源装置已顺利应用于国内某电镀生产线上,并取得了良好的效果 。



