高精度脈沖電鍍電源
1 引 言
脈沖電鍍工藝可以獲得高質量的鍍層，同時還可以節約鍍層金屬和降低生產能耗，因此近年來得到了廣泛的發展。由于脈沖電鍍工藝要求脈沖頻率一般在500至1000HZ左右，傳統的可控硅整流電源己無能為力。我們用大功率IGBT開發了一臺輸出1500A、24V，脈沖頻率為1KHZ的高精度脈沖電鍍電源。經過半年多的運行考核，證明設備的工作可靠，達到設計要求，滿足了生產的需要。本文將介紹我們在開發過程中的一些經驗和體會，如大功率IGBT和快恢復整流二極管的選擇，緩沖吸收電路的計算，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，高頻變壓器次級用全波整流、LC濾波，其中主回路拓樸圖見圖1。用IGBT作開關元件，設計開關工作頻率為20KHz，最小死區時間為7us，考慮到電源電壓波動、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比為10:1。
圖 1 電源主回路3 關鍵元器件的選擇
IGBT和高頻整流快恢復二極管是電源工作是否可靠的關鍵，又是材料成本的主要部分，選擇合適的元件是設計的重點。除了一般應注意的電壓、電流、安全工作區、安全系數、耗散功率等問題外，有兩點容易被忽視。一是溫度對參數的影響，有些生產廠商標的是25oC時的參數，有的標的是85oC時的參數，兩者差別甚大。同一只管子，在25oC時可以通過150A，到85oC時就只能通過100A了，而管子的實際工作溫度隨工作環境的差異有時可能達100oC，設計時必須要充分考慮，向供應商索取有關曲線等資料作為設計計算依據；另一個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行計算，往往會造成過熱損壞。
3.1 IGBT的選擇
采用全橋式電路，高頻變壓器變比為10:1。當副邊輸出1500A時，流過IGBT的電流波形如圖2，其穩態幅值為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元件參數上給出的額定電流是直流連續平均電流IF(av)，而元件過流損壞一般是熱效應引起的，因此計算時，應以實際流過IGBT的電流的有效值作為計算量，同時還要考慮到開關過程中的損耗發熱、工作條件比較嚴酷等因素，應取2倍以上的安全系數。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 次級快恢復整流二極管的選擇
變壓器次級采用全波整流、LC濾波且L取較大數值。當輸出1500A時，流過整流二極管上的電流波形見圖3。其穩態幅值為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，我們計算時應以有效值為依據。另外考慮到多管并聯使用、換向損耗發熱等因素，取1.5~2倍的安全系數。我們選用了400A/600V的模塊(其浪涌電流IFSM=6200A)，4只并聯。
4 IGBT的驅動和保護
IGBT的驅動和保護電路對保證IGBT的可靠工作是至關重要的。在IGBT的截止期間，VGS一定要保持有5V以上的負壓，過流、短路保護措施必不可少，不能存在僥幸心理。自己用分立元件來做，元件參數較難保證，短路保護效果不易做好。我們是選用M57962L作為IGBT的驅動模塊，事實證明效果還比較好。曾發生過一次主變壓器副邊短路故障，M57962L過流保護動作而使IGBT免于損壞的情況。另外，在調試時，還不時發現有短路保護動作的尖峰脈沖、聽到異常聲音的情況，估計若沒有短路保護，IGBT必然會燒毀了，具體電路見圖4。
此外，緩沖電路參數的選擇和在工藝上使引線盡量地短是抑制開關尖峰電壓的關鍵，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，否則接線的電感會使電壓尖峰抑制效果大打折扣。R、C參數的計算方法有許多，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IGBT關斷，電流轉移到緩沖電路上時不會引起超過電源電壓的尖峰。當然，實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，也會導致VCE超過電源電壓，但時間上要后延，幅度也有所減小，dv/dt的減小為箝位二極管導通、向Cs1、Cs2、 和C1充電爭取了時間，從而降低了電壓尖峰的幅度。緩沖電容的選擇使IGBT關斷前存儲在Lk中的能量約1/5轉移到緩沖電容上，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，會出現振蕩，R太大又會使電壓尖峰過高，因此要適中。緩沖電容太大，會使緩沖電阻損耗發熱嚴重；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，由于漏感不易計算準確，最后往往要以調試時實際情況決定R、C的參數相互配合調整。我們一般把VCE的尖峰控制在800V左右。
圖4 驅動及保護原理
5 結 論
設備的可靠性是最重要的，要保證設備的可靠工作，一些關鍵元器件的計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成本稍有增加，但設備可靠性的增加會使售后服務費用大幅減小，最終還是經濟合理的。此外，生產工藝對保證高頻開關電源可靠工作的作用不容忽視，如何做到結構合理，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。對比國外的同類產品，我們就可以發現，安全裕度和生產工藝這兩點是國內外產品的最大差距所在，這兩點解決好了，產品的可靠性才有保障。
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