鋁型材表面氧化的高頻開關電源

藍文輝

（中國電器科學研究院股份有限公司 廣州 510300）

概述

以晶閘管為核心的相控技術以其成熟性和可靠性在整流裝置中被廣泛應用，在大功率和特大功率的整流電源中仍不可替代。可控硅整流電源在鋁加工行業（建筑鋁材為主）的鋁表面氧化得到過廣泛應用，可控硅氧化電源具有主電路簡單、技術成熟、可靠性高等優點，可以滿足鋁表面氧化不同工藝的需求、甚至特種工藝和特種波形的要求。隨著科學技術的不斷進步，可控硅整流氧化電源也有局限性，就是可控硅整流氧化電源采用大容量工頻變壓器和相控調壓技術，整機轉換效率低、產生大量諧波和功率因數低，需要配合專用的電力濾波補償裝置,還有可控硅氧化電源的設備體積龐大、重量重、安裝空間大，這些缺點在發展過程成為被克服和提升的課題。可控硅氧化電源推動了鋁加工表面處理工藝的發展，滿足了我國鋁加工發展階段的需求，至今還有不少鋁加工企業仍然保留可控制氧化電源，也將一段時間內存在。同時伴隨著電力電子技術的不斷進步,技術實現手段的日益完善,新型的大功率高頻開關電源代替傳統的可控硅整流器電源也逐漸成為一個新的發展趨勢。以IGBT為核心器件的脈寬調制電源技術不斷成熟和進步，逐步走到應用的前臺，接受鋁材行業工藝技術的充分的認證。高頻開關電源具有效率高、功耗低、體積小、質量輕等顯著優點，高頻開關電源技術正在不斷取代可控硅整流電源，成為主流產品。隨著綠色能源和環保理念的普及,越來越多的人開始意識到節約能源的重要性。

高頻開關電源采用高頻逆變技術，可以輸出許多特種波形，滿足特種波形的氧化工藝，對工藝的適應性強。高頻開關電源也被廣泛應用于其他行業，例如：電子鋁箔腐蝕和化成、電子銅箔的電解等等，總之高頻開關電源是鋁型材氧化電源發展的必由之路。

1 可控硅整流電源與高頻開關電源

1.1 可控硅整流電源與高頻開關電源原理比較

相控電源是指采用晶閘管作為整流器件的電源系統，其原理是交流輸入電壓經工頻變壓器降壓，然后采用晶閘管進行整流，并通過移相控制以保持輸出電壓的穩定。

高頻開關電源先將輸入的工頻交流電經整流濾波后得到直流電壓，再通過功率變換器變換成高頻脈沖電壓，經高頻變壓器和整流濾波電路最后轉換為穩定的直流輸出電壓。因其采用脈沖寬度調制（PWM）電路來控制大功率開關器件（功率晶體管、MOS管、IGBT等）的導通和截止時間，故可以得到很高的穩壓和穩流精度及很短的動態響應時間。高頻開關電源內部還應用了軟開關技術和無源功率因數校正（PFC）技術，所以開機浪涌基本消除，功率因數大幅提高。

1.2 高頻開關電源與晶閘管整流電源的技術性能對照表（表1）

從表1可以發現，由于高頻開關電源比可控硅電源效率高、功率因素高及調節精度高等優勢，加上核心器件IGBT等功率器件制造水平和質量比往年有了較大的提高，又有N+1冗余設計，高頻開關電源完全可以實現大規模的工業應用，為鋁合金表面氧化、特別是擠壓鋁材表面氧化節能減排、提升工業附加提供了很好的方案。

表1 輸出電壓17 V條件下技術性能對照表

2 二極管整流與同步場效應管（MOS）整流的高頻開關電源

高頻開關電源與可控硅整流電源在整流方式上有根本性的區別，可控硅整流電源采用相控技術，可控硅按相序觸發開通控制輸出；高頻開關電源采用脈寬調制（PWM）技術，控制高頻脈沖寬度調節輸出。高頻開關電源的整流方式有二種：二極管整流和同步場效應管（MOS）。二極管整流比較簡單，與可控硅整流的整流部分的二極管整流的功能是一樣的，通過二極管整流后輸出，不同的是高頻整流二極管必須是高速整流二極管。而采用場效應管整流方式就是采用通態電阻極低的功率MOSFET來取代整流二極管,控制MOS開通與IGBT開通時序保持一致，通過低損耗MOS輸出，能大大降低整流電路的損耗,提高DC/DC變換器的效率,滿足低壓、大電流整流電源的需要。

2.1 二極管整流高頻開關示意圖（見圖1）

圖1 二極管整流高頻開關示意圖

高頻開關電源的橋式整流、高頻逆變及高頻變壓器是高頻開關電源的主要部分，也是以IGBT為核心器件完成高頻逆變，高頻變壓器完成高頻電壓變換，整流部分采用高速肖特基二極管（FRD）或快恢復二極管（SRD），最后輸出鋁氧化工藝要求的氧化電壓。

2.2 場效應管高頻開關電源示意圖（見圖2）

圖2與二極管整流電路相比較，前面部分相同，只是后面的二極管換成了場效應管，整流的時序受到MOSFET的Vgs控制。

圖2 場效應管高頻開關電源示意圖

2.3 二種整流方式的高頻開關電源的適應性能

高頻開關電源后面整流方式的不同，對于不同工藝的鋁型材表面氧化的適應性也不一樣。二極管整流由于器件耐壓高，可以輸出較高的直流電壓，適應從普通氧化到高壓硬質氧化的工藝；而MOS整流方式的場效應管耐壓低，無法滿足高壓輸出，不能應用于高電壓（例如：硬質氧化）氧化的工藝。

高頻開關電原由于整流器件的不同、器件壓降也不同，最終的輸出效率也有很大區別。雖然電源隨著輸出電壓升高、整機效率升高，電壓升高到一定程度時，二種整流方式最終效率非常接近。但是在鋁合金表面普通氧化工藝條件下，輸出電壓一般在16～18 V左右，二種高頻開關電源的效率差距還是比較大的。在普通氧化工藝的條件下，盡量采用同步整流方式是最好的選擇。

2.4 二種高頻開關電源的最大區別

二極管整流高頻開關整流采用肖特基二極管或快恢復二極管，同步高頻開關整流采用MOSFET有源器件，需要控制開通實現整流輸出，見圖3。

圖3 二種高頻開關電源區別

2.5 二種高頻開關電源的效率比較

高頻同步氧化電源采用基于MOSFET的同步整流技術，是目前低壓大電流鋁合金氧化電源最為節能的方案。采用低導通電阻的全控型器件場效應管MOSFET代替肖特基二極管，在主電路中起到高頻整流功能。MOSFET相對于肖特基二極管的開關損耗極小。場效應管的典型壓降值為0.2 V，肖特基二極管的典型壓降值為0.6～0.8 V。額定電壓為直流22 V的高頻開關電源，MOSFET整流和肖特基整流折算至整機效率一般至少有2～4個百分點的差距。

2.6 高頻開關電源的同步整流與二極管整流（表2）

表2 高頻開關電源的同步整流與二極管整流

3 高頻同步開關電源在鋁表面氧化應用狀況

3.1 高頻開關電源與可控硅電源氧化膜對后續工藝的影響

高頻開關電源在鋁加工行業表面氧化使用十多年以來，也有不少的爭議，主要集中在，可控硅電源和高頻開關電源形成的氧化膜對后續工藝的影響，特別是在建筑鋁型材行業，對后續的著色工藝、封孔工藝等的影響。我們知道，氧化工藝條件一樣的條件下，氧化電壓高低對氧化膜的膜孔結構是有一定影響的，也對后續的工藝的結果產生改變。可控硅電源輸出的直流電的紋波系數比高頻開關電源輸出的直流的紋波系數要大得多（見圖4），高頻開關電源輸出直流電幾乎是一條直線，這是二種電源的最大區別。

圖4 可控硅整流氧化電源輸出波形圖

我們還可以通過試驗、觀察氧化后的氧化膜的膜孔結構，就可以很直觀地反應二種電源的區別，只要在相同工藝、輸出電壓一樣條件下，在高倍電鏡下觀察、記錄和對比，就可以證明對后續工藝的影響程度。

通過第三方檢測報告，從圖5～7可以看出：可控硅電源與高頻開關電源氧化后形成的氧化膜的膜孔結構是一致的，也就可以證明對后續的工藝例如電解著色、電泳等工藝不會產生影響。

圖5 第三方檢測報告

3.2 同步整流與二極管整流高頻開關電源的適應性

高頻開關電源的損耗主要由3部分組成：功率開關管的損耗，高頻變壓器的損耗，輸出端整流管的損耗。在低電壓、大電流輸出的情況下，整流二極管的導通壓降較高，輸出端整流管的損耗尤為突出。快恢復二極管（FRD）或超快恢復二極管（SRD）可達1.0～1.2 V，即使采用低壓降的肖特基二極管（SBD），也會產生大約0.6 V的壓降，這就導致整流損耗增大，電源效率降低。而同步整流采用低導通電阻的全控型器件場效應管MOSFET代替肖特基二極管，場效應管的典型壓降值為0.2 V，在主電路中起到高頻整流功能，整流損耗比二極管小。

圖6 第三方檢測報告

由于場效應管（MOSFET）與肖特基二極管（FRD）的耐壓值不一樣，肖特基比場效應管使用電源高，適合在高電壓工況使用，即高頻高壓條件，例如：鋁合金硬質氧化、電子鋁箔低壓化成等工藝條件；場效應管的典型壓降值為0.2 V，在主電路中起到高頻整流功能，整流損耗比二極管小，低壓大電流使用工況下，整機效率高，例如：電子鋁箔腐蝕工藝、電子銅箔電解及鋁合金普通氧化等工藝條件，氧化工藝的電壓越低，同步整流高頻開關電源節能優勢越明顯。

3.3 同步整流與二極管整流高頻開關電源在鋁合金普通氧化工藝的效率

鋁合金普通氧化工藝（16～18 V)應用廣泛，在建筑鋁合金、太陽能光伏等行業得到大規模使用，也是鋁加工行業能耗較大的一個環節。我們通過第三方效率檢測，就可以明白在鋁加工行業大量使用的普通氧化工藝（16～18 V）、推廣同步整流高頻開關電源的依據。

圖7 第三方檢測報告

在不同電壓工況下我們得到第三方檢測報告（圖8～10），我們從報告中可以得出，在鋁合金普通氧化工藝條件下，同步整流高頻開關電源的效率最高，也是未來值得推廣的節能產品。

圖8 可控硅整流氧化電源

圖9 二極管整流高頻開關電源

圖10 同步整流高頻開關電源

圖11 同步整流高頻開關電源的原理圖

3.4 同步高頻開關電源在鋁合金普通氧化的應用

我們通過各種試驗對比和認證，同步整流高頻開關電源是鋁合金普通氧化未來推廣的重點。這幾年來、特別是近五年來，同步整流高頻開關電源在鋁加工行業得到了充分的認證，在不斷得改進中進步和提高，這條路是不由之路，需要堅定地走下去。近五年來，在國內建筑鋁材、太陽能光伏鋁材的鋁表面立式氧化線、臥式氧化線等主流鋁加工企業，大部分已采用了同步整流高頻開關電源，也有不少鋁加工企業正在改造、或已改造成為高頻氧化電源設備。據不完全統計：到2020年底國內外投運的氧化電源中，同步高頻開關電源的使用量超過3 000臺套，保有量超過50 %。

3.5 同步高頻開關電源的基本參數（以30 kA/22 V電源為例）

同步整流高頻開關電源電源設備已基本實現標準化、系列化，可以滿足不同氧化工藝電流等級的需求。

3.5.1 電氣參數

1）采用高頻軟開關技術和基于MOSFET（場效應管）同步整流技術，實現高效率電能轉換，整機效率≥94 %（適宜工況）。

2）額定直流輸出功率：30 kA/22 V。

3）電源采用模塊化結構，每臺30 kA/22 V電源柜由10個3 kA/22 V單機模塊組成。

4）直流輸出電壓：5～100 %額定連續可調。

5）直流輸出電流：5～100 %額定連續可調。

6）控制系統采用全數字化技術，高精度控制，輸出穩定精度：≤±0.5 %。

7）軟啟動時間：5～999 s任意設置。

8）軟關斷時間：5～999 s任意設置。

9）逆變頻率：20 kHz。

10）逆變橋開關模式：軟開關。

11）電源整機采用模塊化設計，裝設有獨立的電源開關和水路切斷開關，可單獨投/切。

12）全數字化控制系統，功能豐富，適應各種智能化、自動化控制方式。

13）電源內部控制系統采用先進的基于CAN總線通訊技術，通訊速率為250 kbps，可靠性高。

14）噪聲：≤60 dB。

3.5.2 主要功能

1）具有自動穩流（CC）/自動穩壓（CV）模式，可切換。

2）具有穩流限壓/穩壓限流功能。

3）電源系統具用模塊電流自動分配功能，當有單元模塊發生故障或停止使用時，在不超出單元模塊額定電流的情況下，系統能自動重新分配單元模塊的電流以保證總輸出穩定。

4）遠控部分采用彩色觸摸屏操作界面，可實時監控運行參數、運行狀態、故障提示；可設置和存儲各種生產參數；有急停按鈕、結束提示和故障報警。

5）保護功能：電源單機模塊具有模塊最大電流、模塊最高電壓輸出限制、模塊過流、模塊過壓、模塊超溫等保護；電源整機具有過流，過壓，缺相，欠壓，冷卻水超溫，母排超溫，水壓異常，漏水檢測、IGBT過電壓吸收等完善的故障保護功能，確保故障時能快速停止設備輸出，防止事故擴大；所有故障檢測均有防抖動功能，確保故障保護不會誤動作，提高設備可靠性。

6）具有故障報警記錄和追溯功能，方便快速排查故障，恢復生產。

7）具有豐富的對外通訊功能：可按需求提供MODBUS RTU、MODBUS TCP/IP標準通訊接口，和生產線控制系統實現無縫連接。

4 結束語

鋁合金表面氧化電源經過了長期的可控硅整流電源階段，逐步到高頻開關電源二極管整流的過渡階段，再到目前大量應用的同步整流高頻開關電源，每一次新技術、新產品的應用，不但帶來產品技術性能的突破，還有主要的節能降耗指標方面得到提升。我國作為鋁加工大國，每年鋁合金表面氧化的數量（面積）非常龐大，也是鋁加工行業主要的耗電環節，推廣高頻同步開關電源在鋁表面氧化的應用，對行業的節能減排、提升工業附加值有重要的意義。