48kW高頻開關電源的研制

潘 敏

（中國電器科學研究院，廣東廣州510300）

1 引言

現有國內外的大功率電源主要為工頻整流式電源，體積大、笨重、能耗高、多特性較差，且會對電網造成較大的電磁干擾。與其相比，開關電源具有高效節能、重量輕、體積小、動態性能好、適應性強、有利于實現工藝過程自動化和智能化控制等顯著的優點。目前少數高頻開關型電源主要限于小功率容量級別（2000A以下）。而國外同類設備價格過于昂貴，市場迫切需要具有較大功率容量和先進技術水平的國產高頻開關型電源裝置。因此，大功率開關電源具有廣泛的應用前景，是當前國內外研究、開發、應用的主流和方向。但是，開關電源特別是大功率硬開關電源在可靠性、穩定性、效率等方面的缺點成為制約大功率開關電源應用和發展的“瓶頸”，按照傳統電源的設計思路和解決辦法，不能從根本上解決其所面臨的諸多問題。軟開關技術的出現以及先進控制技術的興起，則為解決開關電源諸多問題提供了新的方法。

目前單機容量大于20kW的大功率開關電源在國內外極為少見，單機輸出一般為1000A以下。為適合大功率（低電壓、大電流）輸出的電路拓撲和控制模式，采用全橋移相式電路拓撲和控制模式，采用全橋移相式電路拓撲結構，并通過軟開關技術的應用，研制了48kW、20kHz的大功率高頻開關電源，通過電鍍生產線的現場使用，取得了滿意的效果。

2 全橋移相零電壓開關原理

零電壓全橋移相變換電路拓撲結構適用于大功率開關電源，它采用移相控制，移相芯片選用UC3879，驅動部分采用目前較為成熟的EXB841專用驅動芯片。在換流時利用變壓器的漏感和功率管的寄生電容產生諧振，實現開關器件的零電壓開通，消除了開通損耗，提高了電路效率，其主電路原理如圖1所示。圖中IGBT1-IGBT4為功率開關管，分為超前橋臂（左半橋）和滯后橋臂（右半橋）。電路零電壓開關依靠功率開關管反并聯的二極管VD1-VD4的導通實現功率器件的零電壓開通，通過功率管諧振電容C1-C4的充電過程實現功率器件的零電壓關斷［1］-［2］。

圖1 全橋移相零電壓開關主電路原理圖

在全橋相移零電壓開關變換器中，開關管的導通關斷時間恒定。導通順序為IGBT1-IGBT4-IGBT2-IGBT3。同一橋臂的開關管為反相導通。對角管導通具有相移，從而使共導時間隨相移的變化而變化。由于開關管存在關斷時間，同一橋臂的2個開關管導通關斷時，需要一定的延時時間（死區時間）以防止直通，保證開關管的安全；同時為保證開關管的零壓開通，需要分別設定合適的領先臂與滯后臂的延時時間。IGBT1-IGBT4分別由UC3879輸出的 OUTA-OUTD 控制［3］。

3 電源系統整體設計

電源裝置主要由三相整流濾波電路、高頻逆變電路、高頻變壓器、高頻整流濾波電路、PWM控制電路、穩壓穩流控制電路及故障保護電路組成，如圖2所示。工作時電網三相電源輸入，經整流、濾波電路加至絕緣柵雙極型晶體管IGBT組成的逆變電路，由主電路轉換成脈寬可調的高頻交流（約20kHz），再經高頻變壓器降壓、肖特基二極管整流轉換成適于工作需求的低壓直流。

圖2 電源裝置系統組成圖

高頻逆變電路采用全橋移相零電壓開關主電路，同時采用軟開關技術，以實現大功率低損耗高頻逆變。高頻開關管采用大功率IGBT模塊，以提高電源可靠性，高頻整流管采用肖特基整流模塊以提高電源的效率。

控制單元輸出的控制信號可以對主電路輸出作出迅速響應，從而不但給出優良的動、靜態輸出特性，而且能對各種輸入電壓的波動予以補償，并能對各種原因造成的故障作出迅速的保護響應。

電源系統的主要功能有：

①系統按輸出的電流或電壓偏差分別自動進行PI穩流或穩壓調節。

②設置了過流、過熱和缺水等保護措施，且具有聲光電三維報警方式。

③通過面板上的電壓、電流表（輸出電壓、輸出電流）可分別監測系統的輸出狀態。

④系統具有穩壓及穩流兩種工作模式，保證了系統的穩定運行。用戶可根據工藝需要進行選擇。

⑤系統具有軟起動功能，其給定值由小逐漸增大，軟起動時間約為5s。

⑥系統為遠控方式，其操作簡單，用戶掌握很方便。

3.1 輸入整流橋及平波濾波器

該系統設計輸出為3000A/16V，前端采用三相整流橋輸入，如圖3所示，其中負載R為開關變換器的等效電阻。考慮理想情況，Li為無窮大，id為一平滑直流。通過對三相整流橋電路工作原理分析，考慮電網波動及保留一倍裕量，可選定二極管的額定參數為150A/1200V。

圖3 三相整流橋及LC濾波器電路

平波濾波器的作用是平滑整流電壓和提高功率因數。設計中需結合經驗，選擇了一個性能和成本的折中點。此處采用把電感放在直流側的安置方式。與把電感放在交流側的安置方法相比，無論是在結構復雜程度，還是成本方面，都要低得多。而且理論上這種結構可以達到的最大輸入功率因數為0.955，完全能滿足該系統的要求。

3.2 高頻變壓器

在高頻開關電源設計中，高頻變壓器的設計是一個關鍵因素，它不僅決定了電源的輸出能力，而且直接關系到電源設計的成敗。

為了實現大功率轉換，該系統采用4個變壓器并聯，且每個變壓器的磁芯采用一個環形磁芯。環形磁芯的窗口面積和體積都比較容易做大，工藝繞制簡單，安裝方便，更加適合用于大功率開關電源。并聯的4個變壓器的原邊輸入電壓相等且為逆變器輸入的電壓，副邊輸出并聯。通過計算，取變壓器原邊的匝數為21匝，副邊為1匝。考慮繞制工藝、散熱、損耗等因素的影響，原邊采用USTC 0.1×1050的多股絲包線,副邊則采用TMY-40×6或 TMY-50×5的銅排.

3.3 IGBT 及隔直電容

由電路特點可知，IGBT的工作平均電流為母線平均電流的一半。流過IGBT的平均電流及承受的最大反向電壓為：

考慮到尖峰電壓電流的影響，保留一定的裕量，最終確定IGBT的容量為300A/1200V。

隔直電容的作用是防止變壓器發生偏磁現象，選的過大，則會增加成本；選的過小，則會產生EMI，降低電壓利用率。設計中還需考慮等效串聯電阻和電感的影響及散熱問題。

3.4 輸出整流管及RC吸收網絡

選擇整流二極管首先要考慮流過二極管的電流。計算流過整流二極管的電流及其額定電壓，保留一定的裕量，最終選用的是400A/100V的肖特基二極管。

RC吸收網絡的作用是防止輸出整流二極管關斷時因反向恢復引起的振鈴。設計中可選擇電容的容值為二極管寄生電容容值的10倍，電阻值則必須使電容在十分之一個周期內充、放電完成，同時也要注意電阻功率是否滿足吸收要求。

3.5 輸出濾波器

輸出濾波器的設計主要圍繞輸出紋波指標來考慮。一般情況下，以在最壞的情況下計算的參數為依據來選擇濾波電容和濾波電感值。

4 試驗結果

設計制造的3000A/16V樣機如圖4所示，試驗波形由TDS5034示波器記錄，如圖5-7所示。圖5為同一橋臂上兩個開關管的驅動脈沖波形，開關頻率為20kHz。圖6為輸入電壓是220V時，樣機的工作波形，1通道為變壓器原邊電壓，2通道為IGBT驅動脈沖，3通道為變壓器副邊肖特基反向壓降，4通道為變壓器原邊電流。圖7為樣機滿載時的工作波形，1通道為變壓器原邊電壓，2通道為樣機直流輸出電壓。表1列出了樣機的各項技術指標，及其與預定目標的比較。試驗結果證明，樣機已完全滿足設計要求。

圖4 3000A/16V樣機

圖5 IGBT的驅動脈沖波形

5 結論

高頻開關電源，作為中國電器科學研究院研制的新一代逆變式電源，具有高效節能、體積小重量輕、穩定可靠、綠色環保等優良特性。本項目成果中大功率單機輸出的實現、軟開關技術的應用、水冷卻方式的采用等，都為以后電鍍行業逆變電源設計提供了很好的借鑒之處。該電源裝置已順利應用于國內某電鍍生產線上，并取得了良好的效果。

圖6 輸入電壓為220V時，樣機的工作波形

圖7 滿載時，樣機的工作波形

表1 樣機的各項技術指標及其與預定目標的比較

［1］Zhou Linquan，Ruan xinbo.Soft-switching PWM boost fullbridge converter［J］.Journal of Southeast University（English Edition），2003，19（3）：250-255.

［2］殷樹言，黃鵬飛，黃 勇.軟開關弧焊逆變電源的工作機理研究［J］.北京工業大學學報，1998，24（3）：55-60.

［3］李春旭，李德武，張學紅.軟開關弧焊逆變電源全橋移相控制電路設計［J］.電焊機，2004（S1）：37-43.