大功率高頻開關電鍍電源的研究

龐莉

摘 要：電鍍電源作為電鍍行業的主要設備，在電鍍行業不斷發展的過程中，電源輸出功率也在不斷的增加。電鍍工業要求電源在工作過程中具有良好的穩定性，較高的恒壓恒流精度及快速的上鍍時間，并且還要全面滿足低壓電流的需求。現代我國一般使用的可控整流機的體積較大，并且消耗的電量較多，均鍍的誤差較大，所以就要研發輸出功率較大、具有良好控制精度及節能的全新電鍍電源。基于此，文章就使用子模塊并聯結構，對大功率高頻開關電鍍電源的設計進行了全面的研究。

關鍵詞：大功率；高頻開關；電鍍電源；設計；方案

中圖分類號：TQ153 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）31-0185-02

電鍍電源其實就是一種功率變換器，其能夠將電網交流電壓轉變為低直流或者脈沖電壓，從而被電鍍所使用。在科學技術不斷發展的過程中，電鍍工業中涉及的內容不斷增多，并且使用范圍不斷擴展，人們對于鍍層的需求也不斷提高，要求電鍍電源具有較高的工作頻率。所以，全新電鍍電源的研發引起了人們的關注。現代功率變換器逐漸朝著高頻化的方向發展，從而為電鍍電源的發展帶來了全新的機遇。有效提高開關器件開關頻率對功率變換器來說具有較多的好處，比如提高功率變換器的密度、體積及提高響應能力。傳統電鍍電源的變換技術限制了功率變換器工作效率的有效提高，滿足不了現代高頻化的趨勢需求。本文主要針對大功率開關電鍍電源的設計和使用進行分析。

1 大功率高頻開關電鍍電源的硬件設計研究

1.1 總體設計方案

根據設計的需求，為了能夠有效實現電鍍電源的大功率電流輸出，本文設計的電源使用多子模塊并聯，其中電路的輸入端和380V三相交流電相互連接，CPU等控制電路中的電流通過整流和濾波進行提供，部分通過接觸器和主保險絲到子模塊電源中傳輸，通過三相整流橋整流成為540V的直流電壓，通過濾波提供給全橋式功率變換模塊，之后再通過整流濾波實現直流電壓的濾波。CPU控制單元和LCD、鍵盤相互連接，實現電壓電流輸出的調節、顯示、通信及保護[1]。

其中使用全橋移相零電壓開關作為高頻逆變電路的主電路，并且使用軟開關技術實現大功率低損耗的高頻逆變。高頻開關管使用大功率模塊，以此能夠有效提高電源在使用過程中的可靠性，高頻整流管使用肖特基整流模塊從而有效提高電源效率。控制單元輸出控制信號主要目的就是實現主電路輸出的迅速響應，以此得到動態及靜態的輸出特性，并且還能夠實現各種輸入電壓波動的補償，對于由于種種因素產生的故障實現保護響應。電源系統的主要功能包括：根據輸出電壓及電流偏差實現自動穩壓及穩流調節；通過電流及電壓表實現系統輸出狀態的檢測；系統具備過熱保護、過流保護和缺水保護等措施，并且還具有光電三維報警功能；其中的穩壓及穩流工作模式能夠實現系統運行的穩定性[2]。

1.2 驅動電路的設計

使用IGBT驅動電路，其是一種電壓驅動元件，屬于全控型器件，具有較大的輸入阻抗，并且對于柵極電荷較為敏感，具有3V-6V的閾值電壓，所以對于驅動電路具有較高的要求。IGBI驅動電路較多，在大功率場合中使用光電耦合或者變壓器耦合的方式。光電耦合驅動器雙側為有源，通過其提供的脈沖寬度不會受到限制，能夠實現IGBT通態集電極電壓的檢測，并且還能夠實現多種情況的短路及過流保護，還能夠對外實現過流信號的輸出。但是此種方式要求具有較多的工作電源實現，從而提高了電路的復雜性。相反，變壓器耦合驅動器就不需要設置工作電源，并且具有較快的工作速度及較高的輸入輸出耐壓。那么本文就使用變壓器耦合驅動，為驅動短路在關閉過程中得到持續反相柵壓。在使用變壓器耦合驅動基礎上，為了使驅動電路開關管能夠快速的導通及管段，在設計過程中使用高速驅動芯片，從而能夠提供較大的峰值驅動電流[3]。

1.3 高頻變壓器

高頻變壓器是一種能量傳遞和電器隔離的磁性元件，是開關電源中的重要部件，其性能直接影響到了變壓器自身效率，并且決定了電源系統的性能。變壓器在設計過程中包括三個設備的選擇，分別為原副邊匝數、原副邊匝數比和磁芯。在選擇磁芯過程中主要是選擇幾何形狀及材料，主要材料包括鐵氧體和坡莫合金，鐵氧體具有鐵磁性，并且電阻較高，所以其能夠在高頻變壓器中使用方便[4]。

1.4 輸出整流管和RC吸收網絡

在整流二極管選擇過程中，要全面考慮二極管電流，通過整流二極管電流及額定電壓的計算，保留充足的量，最后選擇使用肖特基二極管。PC吸收網絡的主要目的就是避免輸出整流二極管在關閉過程中出現反向恢復，從而導致出現振鈴。在設計過程中可以選擇使用電容容值作為二極管寄生電容容值，電阻值要使用能夠使電容在十分之一周期中完成充電和放電的，并且還要密切注意電阻功率能夠滿足吸收的需求[5]。

2 電源的實驗

通過理論分析實現電鍍電源的設計，成功研制出水冷卻，其工作頻率和功率分別為20kHz、18kV的大功率高頻開關電鍍電源[7]。本文中所實驗的主回路實驗裝置是一個箱體結構，其具有較小的體積和較輕的重量，功率元件和高頻變壓器原副邊繞組都使用了水冷卻，右上方的三根促管是冷卻水管，主回路導電通路鋼管為空心。在實驗裝置下方是高頻變壓器、濾波電路及輸出整流電路。電鍍的工作原理為通過電源電極的吸附性相反電荷離子，因為離子運動成為電流。但是由于條件的限制，為了實現生產現場電鍍的模擬，在實驗過程中使用氯化鈉溶液成為電解液，將電鍍電源輸出正負極和鋁極板相互連接放入到氯化鈉溶液中。縮短極板之間的距離，也就是提高負載及輸出電流。因為有電流，所以氯化鈉就開始反應，電源正極由于負離子的吸附變黑，電源負極就會變白，電流越大，那么反應就會越激烈。現場故障的模擬系統都能夠正確的響應，并且停止脈沖，對模塊進行保護，還能夠相互切換恒壓和恒流，輸出電壓能夠調節。

將本裝置安裝到某材料公司的電鍍生產線中，通過一年的運行情況可以看出來，本文所設計的系統工作穩定、系統良好，并且能源消耗較低，能夠繼續使用[8]。endprint

3 開鍍電源的應用趨勢

其一，高頻高效。大功率高頻開關使用的開關電源能夠替代傳統的整流電源，其能夠有效降低損耗，提高功率的密度。現代電鍍開關電源主要是使用在1500A以下的中小功率方面，所以使用先進的功率電子器件及技術能夠創新現代功率器件及磁性材料輸出功率的局限性，通過變壓器的串聯及并聯將開關管功率輸出能力充分的發揮出來，以此有效提高單機功率的輸出效率。使用多單元積木式并聯技術有效提高電源輸出能力。軟開關技術能夠有效降低器件的開關損耗，以此有效提高開關頻率，優化器件工作環境，使用此技術能夠降低高頻狀態下功率的開關管損耗，提高電源的整體效率，并且有效提高電源的工作頻率。

其二，智能化。要求電鍍工藝將人為因素影響消除并且降低過程能量損耗，從而對電源智能化提出了較高的需求。從節能和提高工藝質量方面分析，電鍍中除了電源裝置損耗，工藝過程能耗也占據了大部分內容，其對工藝過程能耗的主要影響因素為電流效率及槽壓，通過檢測電解液溫度、濃度等參數，合理調整電源電流電壓輸出，以此實現節能增效及提高工藝質量的目的。從控制方面分析，電鍍工藝電鍍能源能量轉換為非線性的時變系統，無法創建標準的模型實現控制。智能控制能夠不依賴人，通過人的操作知識、經驗，從而進行相應的控制，從而有效提高電鍍電源工藝質量及性能。所以在電鍍技術不斷發展過程中，要開發滿足不通過工藝需求的智能化電源設備，從而滿足現代社會全新技術的發展需求。

4 結束語

本文設計的主要目的就是完成大功率高精度電鍍單元的設計，要求此電源能夠滿足低壓大電流的需求，使用積木結構實現多模組冗余并聯，通過相應的實驗表示，其能夠使用到實際工業生產中，并且系統在運行過程中良好且穩定，能源的消耗較低，能夠滿足電鍍工藝需求。并且對電鍍電源的應用趨勢進行了研究，使電鍍電源在發展過程中能夠有效滿足現今社會的使用需求。

參考文獻：

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[4]馬登輝，程曉雨.大功率電鍍高頻開關電源的設計探討[J].民營科技，2012（1）：43-43.

[5]陳嵐.大功率高效簡化型電解電鍍高頻開關電源研究[J].科技經濟導刊，2016（6）：96-97.

[6]馬伏軍，羅安，周明詮，等.基于電流型PWM整流的電解電鍍高頻開關電源[J].電源技術，2014，38（3）：498-501.

[7]馬伏軍，羅安，肖華根.大功率高效簡化型電解電鍍高頻開關電源[J].中國電機工程學報，2012（21）：71-78.

[8]王昭，王文理.大功率高頻電鍍電源的損耗分析及優化設計[J].現代科學儀器，2012（6）：105-107.endprint