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大功率高频开关电镀电源的硬件设计分析

发布人:管理员 发布时间:2022-01-11

电镀电源实际上是一种功率变换器,可以将电网的交流电压转换成低DC或脉冲电压,从而被电镀所使用。


随着科学技术的不断发展,电镀行业中涉及的内容不断增加,应用范围不断扩大,人们对镀层的要求也越来越高,这就要求电镀电源有更高的工作频率。因此,全新电镀电源的研发引起了人们的关注。


现代功率变换器正逐步向高频化的方向发展,这给电镀电源的发展带来了全新的机遇。


有效提高开关器件的开关频率对功率变换器有更多的好处,比如提高功率变换器的密度、体积,提高功率变换器的响应能力。


传统的电镀电源变换技术限制了功率变换器工作效率的有效提高,不能满足现代高频化趋势的需求。


大功率高频开关电镀电源硬件设计研究


01、总体设计方案

根据设计要求,为了能够有效实现电镀电源的大功率电流输出,本文设计的电源采用多个子模块并联,其中电路的输入端连接380V三相交流电,CPU等控制电路中的电流通过整流滤波提供,部分电流通过接触器和主熔断器传输给子模块电源, 通过三相整流桥整流成540伏DC电压,通过滤波提供给全桥式功率变换模块,然后通过整流滤波对DC电压进行滤波。

CPU控制单元与LCD、键盘相互连接,实现电压电流输出的调节、显示、通讯和保护。

高频逆变电路的主电路采用全桥移相零电压开关,利用软开关技术实现大功率低损耗的高频逆变。

高频开关管采用大功率模块,可以有效提高电源在使用过程中的可靠性,高频整流管采用肖特基整流模块,可以有效提高电源效率。

控制单元输出控制信号的主要目的是实现主电路输出的快速响应,从而获得动态和静态的输出特性,同时也实现对各种输入电压波动的品味,实现对各种因素引起的故障的保护响应。

电源系统的主要功能包括:根据输出电压和电流偏差实现自动调压和电流调节;用电流和电压表检测系统的输出状态;系统具有过热保护、过流保护、缺水保护等措施,还具有光电三维报警功能;其中,稳压和稳流工作模式可以实现系统运行的稳定性。


02、驱动电路设计

采用IGBT驱动电路,这是一种电压驱动元件,属于全控型器件,输入阻抗较大,对栅极电荷较为敏感,阈值电压为3V-6V,因此对驱动电路要求较高。

IGBI驱动电路很多,大功率情况下采用光电耦合或变压器耦合。光电耦合驱动器两侧均为有源,其提供的脉冲宽度不受限制,可实现各种情况下的IGBT通态集电极电压检测,还能够实现多种情况的短路和过流保护,并对外输出过流信号。

然而,这种方法需要更多的工作电源实现,因此增加了电路的复杂性。相反,变压器耦合驱动器不需要设置工作电源,工作速度更快,输入输出耐受电压更高。然后本文利用变压器耦合驱动,在闭合过程中获得连续的反向栅极电压,用于驱动短路。

在变压器耦合驱动的基础上,为了使驱动电路的开关管快速导通和管段,在设计过程中使用了高速驱动芯片,从而可以提供更大的峰值驱动电流。


03、高频变压器

高频变压器是一种用于能量传输和电器隔离的磁性元件,是开关电源的重要组成部分,其性能直接影响变压器本身的效率,决定电源系统的性能。

变压器的设计过程包括原副边匝数、原副边匝数比和磁芯三个设备的选择。在选择磁芯的过程中,主要选择几何形状和材料,主要材料包括铁氧体和坡莫合金,铁氧体具有铁磁性和较高电阻,因此可以方便用于高频变压器。


04、输出整流管和RC吸收网络

在整流二极管的选择过程中,要全面考虑二极管电流,通过对整流二极管电流和额定电压的计算,预留足够的量,最终选择使用肖特基二极管。

PC吸收网络的主要目的是避免闭合过程中输出整流二极管反向恢复,导致出现振铃。

在设计过程中,我们可以选择使用电容作为二极管的寄生电容容值,电阻值应使电容器在十分之一周期内充放电,并密切注意电阻功率以满足吸收的要求。

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