軟開(kāi)關(guān)技術(shù)實(shí)現12V/5000A大功率電源

1 引言

　　本文介紹的電鍍用開(kāi)關(guān)電源，輸出電壓從0~12V、電流從0~5000A 連續可調，滿(mǎn)載輸出功率為60kW.由于采用了ZVT軟開(kāi)關(guān)等技術(shù)，同時(shí)采用了較好的散熱結構，該電源的各項指標都滿(mǎn)足了用戶(hù)的要求，現已小批量投入生產(chǎn)。

　　2 主電路的拓撲結構

　　鑒于如此大功率的輸出，高頻逆變部分采用以IGBT為功率開(kāi)關(guān)器件的全橋拓撲結構，整個(gè)主電路如圖1 所示，包括：工頻三相交流電輸入、二極管整流橋、EMI 濾波器、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、輸出LC 濾波器等。

　　隔直電容Cb 是用來(lái)平衡變壓器伏秒值，防止偏磁的?？紤]到效率的問(wèn)題，諧振電感LS 只利用了變壓器本身的漏感。因為如果該電感太大，將會(huì )導致過(guò)高的關(guān)斷電壓尖峰，這對開(kāi)關(guān)管極為不利，同時(shí)也會(huì )增大關(guān)斷損耗。另一方面，還會(huì )造成嚴重的占空比丟失，引起開(kāi)關(guān)器件的電流峰值增高，使得系統的性能降低。

　　圖1 主電路原理圖

　　3 零電壓軟開(kāi)關(guān)

　　高頻全橋逆變器的控制方式為移相FB2ZVS 控制方式，控制芯片采用Unitrode 公司生產(chǎn)的UC3875N。超前橋臂在全負載范圍內實(shí)現了零電壓軟開(kāi)關(guān)，滯后橋臂在75 %以上負載范圍內實(shí)現了零電壓軟開(kāi)關(guān)。圖2 為滯后橋臂IGBT 的驅動(dòng)電壓和集射極電壓波形，可以看出實(shí)現了零電壓開(kāi)通。

　　開(kāi)關(guān)頻率選擇20kHz ，這樣設計一方面可以減小IGBT的關(guān)斷損耗，另一方面又可以兼顧高頻化，使功率變壓器及輸出濾波環(huán)節的體積減小。

　　圖2 IGBT驅動(dòng)電壓和集射極電壓波形圖

　　4 容性功率母排

　　在最初的實(shí)驗樣機中，濾波電容C5 與IGBT 模塊之間的連接母排為普通的功率母排。在實(shí)驗中發(fā)現IGBT上的電壓及流過(guò)IGBT的電流均發(fā)生了高頻震蕩，圖3 為滿(mǎn)功率時(shí)采集的變壓器初級的電壓、電流波形圖。原因是并聯(lián)在IGBT 模塊上的突波吸收電容與功率母排的寄生電感發(fā)生了高頻諧振。滿(mǎn)載運行一小時(shí)后，功率母排的溫升為38 ℃，電容C5 的溫升為24 ℃。

　　圖3 　使用普通功率母排時(shí)變壓器初級電壓、電流波形

　　為了消除諧振及減小功率母排、濾波電容的溫升，我們最終采用了容性功率母排，圖4 為采用容性功率母排后滿(mǎn)功率時(shí)采集的變壓器初級的電壓、電流波形圖。從圖中可以看出，諧振基本消除，滿(mǎn)載運行一小時(shí)后，無(wú)感功率母排的溫升為11 ℃，電容C5的溫升為10 ℃。

　　圖4 　使用容性功率母排后變壓器初級電壓和電流波形