高功率因數(shù)的大功率開關(guān)電鍍電源研究

通過采用直接計算合成參考電壓矢量的方法，使計算變得簡單，簡化了電源硬件和系統(tǒng)軟件的設(shè)計，很好地控制了直流側(cè)電壓和輸入電流，有效地提高了電源的功率因數(shù)和效率。

4·逆變橋控制及IGBT的驅(qū)動和保護(hù)

4.1逆變橋控制

全橋逆變器4個開關(guān)管均采用IGBT，通過DSP中的事件模塊輸出開關(guān)控制命令，即PWM控制信號。PWM信號通過基于HCLP316J的驅(qū)動保護(hù)電路放大后控制逆變電路開關(guān)器件的開通和關(guān)斷，使逆變器輸出預(yù)期波形，從而有效提高電鍍電源開關(guān)頻率，大幅減小器件體積，降低功率器件的開關(guān)損耗。TMS320F2812是專用于電氣控制與傳動控制的集成32位DSP芯片，它第一次采用片內(nèi)FLASH，采用了多組總線并行機(jī)制，具有速度高達(dá)150MHz的指令周期頻率，保證了信號處理的實(shí)時性。

4.2IGBT的驅(qū)動和保護(hù)

鑒于對電源和驅(qū)動的要求，考慮到可靠性和經(jīng)濟(jì)性，為減小體積、降低噪聲干擾、改善驅(qū)動和保護(hù)性能，選擇了驅(qū)動器件HCLP316J來驅(qū)動開關(guān)管IGBT。HCLP316J內(nèi)部使用了光電耦合器來提供控制與驅(qū)動電氣上的隔離，還具有過流檢測與保護(hù)功能，通過測量IGBT兩端的飽和壓降，當(dāng)IGBT流過電流過大如短路時，HCLP316J可檢測到危險，同時封鎖驅(qū)動脈沖并給出報警信號。圖4示出基于HCPL316J驅(qū)動電路的設(shè)計。

5·功率合成

由于設(shè)計的電源功率較大，為進(jìn)一步提高電源效率，有效實(shí)現(xiàn)大功率合成，該電源通過采用多個變壓器串并聯(lián)結(jié)構(gòu)，使并聯(lián)的輸出整流二極管之間實(shí)現(xiàn)自動均流，如圖1虛線框內(nèi)所示。為進(jìn)一步減小損耗，輸出采用多個額定電流400A、額定電壓100V的肖特基二極管并聯(lián)。該變壓器是由14個相同的小變壓器構(gòu)成，變比均為4∶1。

每個變壓器的次級輸出采用倍流整流方式，從而使變壓器輸出繞組無需中心抽頭，制造工序簡化。與全波整流方式相比，變壓器的匝比減小1/2，從而變壓器的漏感可以更小，變壓器次級電壓升高一倍，電流減小一半，可大幅減小輸出繞組的損耗；與橋式整流相比，倍流整流器使用的二極管數(shù)量減少一半。倍流整流器是結(jié)合全波整流和橋式整流兩者優(yōu)點(diǎn)的整流器。這些措施都最大限度地減小了電源的輸出損耗，提高了效率。

6·實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)以上策略，在圖1所示電路基礎(chǔ)上，采用1.2kV/150A的IGBT模塊開發(fā)了一臺60kW/20kHz（5kA/12V）大功率高頻電鍍電源，輸出電壓電流均可調(diào)。實(shí)驗(yàn)電路參數(shù)如下：三相輸入電壓Uin=380V（50Hz），輸出功率Po=60kW，工作頻率f=20kHz。圖5示出采用Tektronix示波器記錄的實(shí)驗(yàn)波形。

理論分析、仿真及實(shí)驗(yàn)表明，該電路很容易實(shí)現(xiàn)三相單位功率因數(shù)和低電流畸變，可有效抑制三相大功率電鍍電源的網(wǎng)側(cè)電流諧波；負(fù)載電壓電流相位一致，可實(shí)現(xiàn)ZCS，減小開關(guān)損耗，提高電源利用效率。

7·結(jié)論

該電源采用三相PWM高功率因數(shù)整流方案，很好地解決了電鍍電源的電流嚴(yán)重畸變問題；使用全橋軟開關(guān)技術(shù)，使功率器件實(shí)現(xiàn)零電壓軟開關(guān)，減小了開關(guān)損耗及噪聲，提高了效率?；赥MS320LF2812的電鍍電源，充分利用DSP的高速運(yùn)算能力和豐富的片內(nèi)外設(shè)資源；控制電路采用穩(wěn)壓穩(wěn)流自動轉(zhuǎn)換方案，實(shí)現(xiàn)了輸出穩(wěn)壓穩(wěn)流的自動切換，提高了輸出性能；通過變壓器的功率合成方式，增大了電源容量，滿足了大功率應(yīng)用場合的需求。經(jīng)仿真和實(shí)驗(yàn)證明，該電源具有相當(dāng)?shù)耐茝V和使用價值。

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