移相全橋高功率軟開關電源自動轉換方案設計

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，該電源的各項指標均滿足用戶的要求，已小批量投入生產。　　

1 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

2 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

3 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

4 采用多個變壓器串并聯結構，使并聯的輸出整流二極管之間實現自動均流　　

為了進一步減小損耗，輸出整流二極管采用多只大電流（400A） 、耐高電壓（80V） 的肖特基二極管并聯使用。而且，每個變壓器的次級輸出采用了全波整流方式。這樣，每一次導通期間只有一組二極管流過電流。同時，次級整流二極管配上了RC 吸收網絡，以抑止由變壓器漏感和肖特基二極管本體電容引起的寄生震蕩。這些措施都最大限度地減小了電源的輸出損耗，有利于效率的提高。　

對于大電流輸出來說，一般要把輸出整流二極管并聯使用。但由于肖特基二極管是負溫度系數的器件，并聯時一般要考慮它們之間的均流。二極管的并聯方式有許多種，圖5 所示，圖a 為直接并聯方式；圖b 為串入電阻并聯方式；圖c 為串入動態均流互感器并聯方式。（均以四只二極管的并聯為例）。

圖5 　二極管的并聯方式

對于直接并聯方式，二極管的均流效果很差，輸出電流一般限制在幾十安培到幾百安培左右，不易于做到上千安培。在電流為上千安培輸出的情況下，為了達到均流的目的，可以采用串入電阻方式并聯或采用串入動態均流互感器并聯。由于鄰近效應及趨膚效應的影響，對于串入電阻的并聯方式，二極管的均流效果隨輸出電流的大小而改變，均流效果較差。為達到較好均流效果，串入的電阻不宜太小，這又帶來較大的損耗。對于串入動態均流互感器的并聯方式，可以達到較好的均流效果，但大電流互感器的制作工藝復雜，成本高，同時由于動態均流互感器的漏感及引線電感的存在，使得二極管在關斷時的反向尖峰電壓增高，電磁干擾及損耗隨之增加。　

為了克服以上并聯方式的不足之處，使輸出整流二極管實現既能自動均流，降低損耗，又可以降低制作工藝的復雜性，我們設計了一種新穎的高頻功率變壓器，如圖1 所示。這種變壓器是由8 個相同的小變壓器構成，變比均為4∶1 ,它們的初級串聯，而次級則采用并聯結構。該變壓器采用初級自冷和次級水冷相結合的冷卻方式，這樣考慮主要在于它們的熱損耗不同，而且可以大大簡化變壓器的制作工序。　　

下面以兩個變壓器組為例（圖6 所示） ,說明二極管之間的均流。

圖6 　多個變壓器的連接示意圖

uin為正時， u1 與u3 為正，二極管D1 與D3 導通，D2 與D4 截止，此時可以得出：

當二極管的管壓降uD1 與uD3 不等時，由公式（3） 、（4） 、（5） 、（6） 可以得出，兩個變壓器原邊的電壓uA與uB 也不等，二極管管壓降高的變壓器原邊的電壓就高，反之亦然。由公式（1） 、（2） 得：

即流過二極管D1 與D3 的電流始終相等，實現自動均流。可見，變壓器的這種連接方式，是靠調整單個變壓器原邊的電壓來實現輸