高功率因数的大功率开关电镀电源研究
客户资讯 2012-07-31

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全桥逆变器4个开关管均选用IGBT,经过DSP中的事情模块输出开关操控指令,即PWM操控信号。PWM信号经过依据HCLP316J的驱动维护电路扩大后操控逆变电路开关器材的开通和关断,使逆变器输出预期波形,然后有用进步开关频率,大幅减小器材体积,下降功率器材的开关损耗。TMS320F2812是专用于电气操控与传动操控的集成32位DSP芯片,它第一次选用片内FLASH,选用了多组总线并行机制,具有速度高达150MHz的指令周期频率,包管了信号处置的实时性。

传统电镀电解直流电源选用晶闸管相控整流形式,招致电网侧谐波大、功率因数低。现代电镀电解开关电源选用二极管整流-IGBT逆变桥-高频变压器耦合-低压整流的拓扑布局,具有体积小、功率高、直流电压纹波小的长处,但直流母线选用大电容滤波,同样会招致网侧电流畸变、功率因数下降。鉴于恳求输出直流低电压和大电流,描绘的电源选用电压空间矢量操控三相PWM整流器,然后完成了功率因数校对。选用IGBT全桥逆变,高频变压器耦合输出,结尾经过倍频整流和LC滤波,使直流输出电压的质量和设备能量密度明显进步。
文中引见的电镀用开关电源,其满载输出功率为60kW,输出电压为12V,输出电流为5kA,且接连可调。经过选用三相PWM整流技能操控相电流完成正弦波。理论剖析、仿真及试验标明,该电路完成了输入电流的高功率因数整流和低电流畸变,有用按捺的网侧电流谐波。还选用全桥零电压软开关操控办法,有用削减了功率损耗。

2·主电路拓扑布局

鉴于大功率的输出,高频逆变局部选用以IGBT为功率开关器材的全桥拓扑布局。
图1示出电源主电路,包罗:工频三相交流电输入、整流桥、滤波电感电容、高频全桥逆变器、高频变压器、输出整流环节、输出LC滤波器等。其间,C1为小电容,用于滤除尖峰脉冲带来的毛刺;C2为大容量电容;VTi(i=1~4)构成全桥逆变器;Cz为避免变压器发作磁偏的隔直电容。
虽然当前广泛选用软开关技能完成大功率开关的描绘计划比曾经晶闸管相控整流办法效果更佳,但仍存在损耗大、功率因数低以及谐波等问题,故三相功率因数校对成为研讨热门。为此,在描绘中增加了功率因数校对环节,然后有用地进步了电源的功率因数和功率。

3·三相PWM高功率因数整流环节
三相PWM高频整流电路的首要原理是经过对PWM整流电路的恰当操控,使输入电流十分接近于正弦波,且和输入电压同相位,功率因数近似为1,因而,该整流电路可称为高功率因数整流器。图2示出依据三相PFC的体系框图,其间前级为三相PFC及其操控电路。
3.1整流环节电路拓扑

图3示出三相PWM高频整流拓扑,整流主电路由6个IGBT与疾速康复二极管构成,体系中的电流方向如图所示。
设三相对称,界说开关函数:当Sg=1(Sg*=0)时,上桥臂开关管导通,下桥臂开关管截止;而当Sg=1(Sg*=0)时,开关管导通状况相反,其间g=a,b,c。

3.2电压空间矢量原理

三相PWM整流器选用电压空间矢量操控,界说三相电压型PWM整流器网侧输入电压矢量为:
依据三相PWM整流器开关信号S的界说,整流器有8种导通形式,对应的空间电压矢量:U0(000),U1(100),U2(110),U3(010),U4(011),U5(001),U6(101),U7(111),其间U1~U6为6个非零有用矢量,U0和U7为两个零矢量。在一个电流采样周期内,开关管的导通总是以零矢量开端并以零矢量完毕。用6个非零矢量和两个零矢量去迫临电压圆,整流器三相桥输入端会得到等效的三相正弦波波形。可用两个相邻非零矢量和两个零矢量去迫临任一空间电压矢量,然后三相桥输入为等效正弦波。因而,在体系运转的一个电网周期内,可以在空间中形象地用6个区域来区分电网空间电压矢量地点的方位:Ⅰ区θ=0~π/3;Ⅱ区θ=π/3~2π/3;Ⅲ区θ=2π/3~π;Ⅳ区θ=π~4π/3;Ⅴ区θ=4π/3~5π/3;Ⅵ区θ=5π/3~2π。
按上述界说对电压空间矢量进行合理分配,操控好零矢量的效果工夫,构成等幅不等宽的PWM脉冲波,结尾完成追寻磁通的圆形轨道,即完成SVPWM操控。由于直流侧电压Udc与整流器输入电流im(m=a,b,c)相互影响,使操控变得艰难,因而提出了许多异样的操控办法。在选用电压SVPWM操控体系中,依据文献选用直接核算组成参阅电压的办法,界说空间矢量如下:
经过选用直接核算组成参阅电压矢量的办法,使核算变得简略,简化了电源硬件和体系软件的描绘,很好地操控了直流侧电压和输入电流,有用地进步了电源的功率因数和功率。

4·逆变桥操控及IGBT的驱动和维护

4.1逆变桥操控

全桥逆变器4个开关管均选用IGBT,经过DSP中的事情模块输出开关操控指令,即PWM操控信号。PWM信号经过依据HCLP316J的驱动维护电路扩大后操控逆变电路开关器材的开通和关断,使逆变器输出预期波形,然后有用进步开关频率,大幅减小器材体积,下降功率器材的开关损耗。TMS320F2812是专用于电气操控与传动操控的集成32位DSP芯片,它第一次选用片内FLASH,选用了多组总线并行机制,具有速度高达150MHz的指令周期频率,包管了信号处置的实时性。

4.2IGBT的驱动和维护
鉴于对电源和驱动的恳求,考虑到可靠性和经济性,为减小体积、下降噪声搅扰、改善驱动和维护功用,挑选了驱动器材HCLP316J来驱动开关管IGBT。HCLP316J内部运用了光电耦合器来供给操控与驱动电气上的阻隔,还具有过流检测与维护功用,经过丈量IGBT两头的饱满压降,当IGBT流过电流过大如短路时,HCLP316J可检测到风险,还封闭驱动脉冲并给出报警信号。图4示出依据HCPL316J驱动电路的描绘。
5·功率组成
由于描绘的电源功率较大,为进一步进步电源功率,有用完成大功率组成,该电源经过选用多个变压器串并联布局,使并联的输出整流二极管之间完成主动均流,如图1虚线框内所示。为进一步减小损耗,输出选用多个额外电流400A、额外电压100V的肖特基二极管并联。该变压器是由14个一样的小变压器构成,变比均为4∶1。
每个变压器的次级输出选用倍流整流办法,然后使变压器输出绕组无需中间抽头,制作工序简化。与全波整流办法比较,变压器的匝比减小1/2,然后变压器的漏感可以更小,变压器次级电压升高一倍,电流减小一半,可大幅减小输出绕组的损耗;与桥式整流比较,倍流整流器运用的二极管数量削减一半。倍流整流器是连系全波整流和桥式整流两者长处的整流器。这些办法都最大极限地减小了电源的输出损耗,进步了功率。

6·试验成果剖析
依据以上战略,在图1所示电路基础上,选用1.2kV/150A的IGBT模块开发了一台60kW/20kHz(5kA/12V)大功率高频,输出电压电流均可调。试验电路参数如下:三相输入电压Uin=380V(50Hz),输出功率Po=60kW,任务频率f=20kHz。图5示出选用Tektronix示波器记载的试验波形。
理论剖析、仿真及试验标明,该电路很简单完成三相单位功率因数和低电流畸变,可有用按捺三相大功率的网侧电流谐波;负载电压电流相位共同,可完成ZCS,减小开关损耗,进步电源运用功率。

7·定论
该电源选用三相PWM高功率因数整流计划,很好地处理了的电流严峻畸变问题;运用全桥软开关技能,使功率器材完成零电压软开关,减小了开关损耗及噪声,进步了功率。依据TMS320LF2812的,充分运用DSP的高速运算才能和丰厚的片内外设资源;操控电路选用稳压稳流主动改换计划,完成了输出稳压稳流的主动切换,进步了输出功用;经过变压器的功率组成办法,增大了电源容量,满意了大功率使用场合的需求。经仿真和试验证明,该电源具有适当的推行和运用价值。

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