高精度脈沖電鍍電源
1 引 言
脈沖電鍍工藝可以獲得高質(zhì)量的鍍層，同時(shí)還可以節(jié)約鍍層金屬和降低生產(chǎn)能耗，因此近年來得到了廣泛的發(fā)展。由于脈沖電鍍工藝要求脈沖頻率一般在500至1000HZ左右，傳統(tǒng)的可控硅整流電源己無能為力。我們用大功率IGBT開發(fā)了一臺(tái)輸出1500A、24V，脈沖頻率為1KHZ的高精度脈沖電鍍電源。經(jīng)過半年多的運(yùn)行考核，證明設(shè)備的工作可靠，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，滿足了生產(chǎn)的需要。本文將介紹我們在開發(fā)過程中的一些經(jīng)驗(yàn)和體會(huì)，如大功率IGBT和快恢復(fù)整流二極管的選擇，緩沖吸收電路的計(jì)算，可靠性等等。
2 電源概述
電源的最大輸出為1500A/24V，采用全橋式變換器方案，高頻變壓器次級(jí)用全波整流、LC濾波，其中主回路拓樸圖見圖1。用IGBT作開關(guān)元件，設(shè)計(jì)開關(guān)工作頻率為20KHz，最小死區(qū)時(shí)間為7us，考慮到電源電壓波動(dòng)、元器件上壓降、濾波電感Lf壓降、線路壓降等因素，選高頻變壓器原副邊匝數(shù)比為10:1。
圖 1 電源主回路3 關(guān)鍵元器件的選擇
IGBT和高頻整流快恢復(fù)二極管是電源工作是否可靠的關(guān)鍵，又是材料成本的主要部分，選擇合適的元件是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。除了一般應(yīng)注意的電壓、電流、安全工作區(qū)、安全系數(shù)、耗散功率等問題外，有兩點(diǎn)容易被忽視。一是溫度對(duì)參數(shù)的影響，有些生產(chǎn)廠商標(biāo)的是25oC時(shí)的參數(shù)，有的標(biāo)的是85oC時(shí)的參數(shù)，兩者差別甚大。同一只管子，在25oC時(shí)可以通過150A，到85oC時(shí)就只能通過100A了，而管子的實(shí)際工作溫度隨工作環(huán)境的差異有時(shí)可能達(dá)100oC，設(shè)計(jì)時(shí)必須要充分考慮，向供應(yīng)商索取有關(guān)曲線等資料作為設(shè)計(jì)計(jì)算依據(jù)；另一個(gè)比較容易被忽略的是電流有效值的問題，若以平均值代替有效值來進(jìn)行計(jì)算，往往會(huì)造成過熱損壞。
3.1 IGBT的選擇
采用全橋式電路，高頻變壓器變比為10:1。當(dāng)副邊輸出1500A時(shí)，流過IGBT的電流波形如圖2，其穩(wěn)態(tài)幅值為150A，寬度17us。
平均值為I1(av)=150*17/50=51(A)有效值為I1(RMS)==
=87.5(A)
后者為前者的1.7倍!
IGBT元件參數(shù)上給出的額定電流是直流連續(xù)平均電流IF(av)，而元件過流損壞一般是熱效應(yīng)引起的，因此計(jì)算時(shí)，應(yīng)以實(shí)際流過IGBT的電流的有效值作為計(jì)算量，同時(shí)還要考慮到開關(guān)過程中的損耗發(fā)熱、工作條件比較嚴(yán)酷等因素，應(yīng)取2倍以上的安全系數(shù)。我們選用了200A/1200V的IGBT模塊。
圖2 IGBT電流 圖3 高頻整流管電流
3.2 次級(jí)快恢復(fù)整流二極管的選擇
變壓器次級(jí)采用全波整流、LC濾波且L取較大數(shù)值。當(dāng)輸出1500A時(shí)，流過整流二極管上的電流波形見圖3。其穩(wěn)態(tài)幅值為1500A。
平均值為I2(av)=750A有效值為I2(RMS)==
=972.1(A)
后者為前者的1.3倍。
同樣的，我們計(jì)算時(shí)應(yīng)以有效值為依據(jù)。另外考慮到多管并聯(lián)使用、換向損耗發(fā)熱等因素，取1.5~2倍的安全系數(shù)。我們選用了400A/600V的模塊(其浪涌電流IFSM=6200A)，4只并聯(lián)。
4 IGBT的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)
IGBT的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路對(duì)保證IGBT的可靠工作是至關(guān)重要的。在IGBT的截止期間，VGS一定要保持有5V以上的負(fù)壓，過流、短路保護(hù)措施必不可少，不能存在僥幸心理。自己用分立元件來做，元件參數(shù)較難保證，短路保護(hù)效果不易做好。我們是選用M57962L作為IGBT的驅(qū)動(dòng)模塊，事實(shí)證明效果還比較好。曾發(fā)生過一次主變壓器副邊短路故障，M57962L過流保護(hù)動(dòng)作而使IGBT免于損壞的情況。另外，在調(diào)試時(shí)，還不時(shí)發(fā)現(xiàn)有短路保護(hù)動(dòng)作的尖峰脈沖、聽到異常聲音的情況，估計(jì)若沒有短路保護(hù)，IGBT必然會(huì)燒毀了，具體電路見圖4。
此外，緩沖電路參數(shù)的選擇和在工藝上使引線盡量地短是抑制開關(guān)尖峰電壓的關(guān)鍵，圖1中的吸收電容Cs1、Cs2、緩沖電阻R1~R4、緩沖電容C1~C4,最好能直接上到模塊的C、E端子上，否則接線的電感會(huì)使電壓尖峰抑制效果大打折扣。R、C參數(shù)的計(jì)算方法有許多，我們是這樣選擇的:
緩沖電阻R1~4≤Vcc/I1
緩沖電容C1~4=0.2I
Lk/U
Lk/U 其中Vcc為直流母線電壓，I1為IGBT關(guān)斷前電流，Lk為主變原邊漏感與線路電感的和，緩沖電阻的選擇保證了當(dāng)IGBT關(guān)斷，電流轉(zhuǎn)移到緩沖電路上時(shí)不會(huì)引起超過電源電壓的尖峰。當(dāng)然，實(shí)際上若緩沖電容太小，電容上電壓上升很快，迭加上電流流過電阻的壓降，也會(huì)導(dǎo)致VCE超過電源電壓，但時(shí)間上要后延，幅度也有所減小，dv/dt的減小為箝位二極管導(dǎo)通、向Cs1、Cs2、 和C1充電爭取了時(shí)間，從而降低了電壓尖峰的幅度。緩沖電容的選擇使IGBT關(guān)斷前存儲(chǔ)在Lk中的能量約1/5轉(zhuǎn)移到緩沖電容上，其余的消耗在緩沖電阻上和給吸收電容Cs、濾波電容C1充電。R取值太小，會(huì)出現(xiàn)振蕩，R太大又會(huì)使電壓尖峰過高，因此要適中。緩沖電容太大，會(huì)使緩沖電阻損耗發(fā)熱嚴(yán)重；其太小，則抑制尖峰效果不好，因此，比較根本的解決辦法是盡量減小主變漏感和引線電感，由于漏感不易計(jì)算準(zhǔn)確，最后往往要以調(diào)試時(shí)實(shí)際情況決定R、C的參數(shù)相互配合調(diào)整。我們一般把VCE的尖峰控制在800V左右。
圖4 驅(qū)動(dòng)及保護(hù)原理
5 結(jié) 論
設(shè)備的可靠性是最重要的，要保證設(shè)備的可靠工作，一些關(guān)鍵元器件的計(jì)算和正確選擇是很重要的。保證足夠的安全裕度可能使生產(chǎn)成本稍有增加，但設(shè)備可靠性的增加會(huì)使售后服務(wù)費(fèi)用大幅減小，最終還是經(jīng)濟(jì)合理的。此外，生產(chǎn)工藝對(duì)保證高頻開關(guān)電源可靠工作的作用不容忽視，如何做到結(jié)構(gòu)合理，盡量減少引線接線長度，減少雜散電感，值得花功夫深入研究。對(duì)比國外的同類產(chǎn)品，我們就可以發(fā)現(xiàn)，安全裕度和生產(chǎn)工藝這兩點(diǎn)是國內(nèi)外產(chǎn)品的最大差距所在，這兩點(diǎn)解決好了，產(chǎn)品的可靠性才有保障。
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