移相全橋大功率軟開關電源的設計

1 引言

　　在電鍍行業里，一般要求工作電源的輸出電壓較低，而電流很大。電源的功率要求也比較高，一般都是幾千瓦到幾十千瓦。目前，如此大功率的電鍍電源一般都采用晶閘管相控整流方式。其缺點是體積大、效率低、噪音高、功率因數低、輸出紋波大、動態響應慢、穩定性差等。

　　本文介紹的電鍍用開關電源，輸出電壓從0~12V、電流從0~5000A 連續可調，滿載輸出功率為60kW.由于采用了ZVT軟開關等技術，同時采用了較好的散熱結構，該電源的各項指標都滿足了用戶的要求，現已小批量投入生產。

　　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為功率開關器件的全橋拓撲結構，整個主電路如圖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、輸出整流環節、輸出LC 濾波器等。

　　隔直電容Cb 是用來平衡變壓器伏秒值，防止偏磁的。考慮到效率的問題，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，將會導致過高的關斷電壓尖峰，這對開關管極為不利，同時也會增大關斷損耗。另一方面，還會造成嚴重的占空比丟失，引起開關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 零電壓軟開關

　　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 公司生產的UC3875N。超前橋臂在全負載范圍內實現了零電壓軟開關，滯后橋臂在75 %以上負載范圍內實現了零電壓軟開關。圖2 為滯后橋臂IGBT 的驅動電壓和集射極電壓波形，可以看出實現了零電壓開通。

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

圖2 IGBT驅動電壓和集射極電壓波形圖

　　4 容性功率母排

　　在最初的實驗樣機中，濾波電容C5 與IGBT 模塊之間的連接母排為普通的功率母排。在實驗中發現IGBT上的電壓及流過IGBT的電流均發生了高頻震蕩，圖3 為滿功率時采集的變壓器初級的電壓、電流波形圖。原因是并聯在IGBT 模塊上的突波吸收電容與功率母排的寄生電感發生了高頻諧振。滿載運行一小時后，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功率時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，滿載運行一小時后，無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