——韓立圣 惠晶

    摘要：介紹一種大功率開關(guān)電鍍電源的設(shè)計方案。為解決電鍍電源中出現(xiàn)的電流嚴重畸變問題，采用三相PWM高功率因數(shù)整流方案，采用TMS320LF2812實現(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對其進行了仿真，仿真分析和實驗結(jié)果驗證了設(shè)計方案的可行性，證明了設(shè)計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。

    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)低。現(xiàn)代電鍍電解開關(guān)電源采用二極管整流-IGBT逆變橋-高頻變壓器耦合-低壓整流的拓撲結(jié)構(gòu)，具有體積小、效率高、直流電壓紋波小的優(yōu)點，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。鑒于電鍍電源要求輸出直流低電壓和大電流，設(shè)計的電源采用電壓空間矢量控制三相PWM整流器，從而實現(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)控制相電流實現(xiàn)正弦波。理論分析、仿真及實驗表明，該電路實現(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·主電路拓撲結(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)器件的全橋拓撲結(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)實現(xiàn)大功率開關(guān)電鍍電源的設(shè)計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。為此，在設(shè)計中增加了功率因數(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)電路拓撲

    圖3示出三相PWM高頻整流拓撲，整流主電路由6個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Sg=1（Sg*=0）時，上橋臂開關(guān)管導(dǎo)通，下橋臂開關(guān)管截止；而當Sg=1（Sg*=0）時，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個非零有效矢量，U0和U7為兩個零矢量。在一個電流采樣周期內(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個非零矢量和兩個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。可用兩個相鄰非零矢量和兩個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)運行的一個電網(wǎng)周期內(nèi)，可以在空間中形象地用6個區(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行合理分配，控制好零矢量的作用時間，形成等幅不等寬的PWM脈沖波，最終實現(xiàn)追蹤磁通的圓形軌跡，即實現(xiàn)SVPWM控制。因為直流側(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)文獻采用直接計算合成參考電壓的方法，定義空間矢量如下：

    通過采用直接計算合成參考電壓矢量的方法，使計算變得簡單，簡化了電源硬件和系統(tǒng)軟件的設(shè)計，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

    4.1逆變橋控制

    全橋逆變器4個開關(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制，具有速度高達150MHz的指令周期頻率，保證了信號處理的實時性。

    4.2IGBT的驅(qū)動和保護

    鑒于對電源和驅(qū)動的要求，考慮到可靠性和經(jīng)濟性，為減小體積、降低噪聲干擾、改善驅(qū)動和保護性能，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功能，通過測量IGBT兩端的飽和壓降，當IGBT流過電流過大如短路時，HCLP316J可檢測到危險，同時封鎖驅(qū)動脈沖并給出報警信號。圖4示出基于HCPL316J驅(qū)動電路的設(shè)計。

    5·功率合成

    由于設(shè)計的電源功率較大，為進一步提高電源效率，有效實現(xiàn)大功率合成，該電源通過采用多個變壓器串并聯(lián)結(jié)構(gòu)，使并聯(lián)的輸出整流二極管之間實現(xiàn)自動均流，如圖1虛線框內(nèi)所示。為進一步減小損耗，輸出采用多個額定電流400A、額定電壓100V的肖特基二極管并聯(lián)。該變壓器是由14個相同的小變壓器構(gòu)成，變比均為4∶1。

    每個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·實驗結(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)。實驗電路參數(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示波器記錄的實驗波形。

    理論分析、仿真及實驗表明，該電路很容易實現(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；負載電壓電流相位一致，可實現(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重畸變問題；使用全橋軟開關(guān)技術(shù)，使功率器件實現(xiàn)零電壓軟開關(guān)，減小了開關(guān)損耗及噪聲，提高了效率。基于TMS320LF2812的電鍍電源，充分利用DSP的高速運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)仿真和實驗證明，該電源具有相當?shù)耐茝V和使用價值。

    參考文獻

    [1]賈貴璽，武香群.三相大功率焊接逆變電APFC[J].電工技術(shù)學(xué)報，2006，21（12）：104-107.

    [2]姜桂賓，裴云慶，劉海濤，等.12V/5kA大功率軟開關(guān)電源的設(shè)計[J].電工電能新技術(shù)，2003，22（1）：56-60.

    [3]王婷婷，謝運祥.三相功率因數(shù)校正及其軟開關(guān)技術(shù)分析[J].電力電子技術(shù)，2003，37（7）：52-55.

    [4]沈錦飛，吳雷.電源變換應(yīng)用技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007.

    [5]趙葵銀，王輝，吳俊.三相高功率因數(shù)PWM整流器的研究[J].電氣開關(guān)，2004，46（1）：39-41.

    [6]浦志勇.三相PWM整流器空間矢量控制簡化算法的研究[J].電工電能新技術(shù)，2002，（2）：43-45.

    [7]吳雷，惠晶.基于DSP大功率中頻感應(yīng)焊機的研究[J].電力電子技術(shù)，2003，37（4）：62-64.<