（电力电子与电力传动专业论文）基于磁开关控制的电镀电源均流研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a nu l t r a - h e a v yc u r r e n te l e c t r o p l a t i n gp o w e rs y s t e mw h i c hc o n s i s t so fs c v e r a l s w i t c h m o d ep o w e rm o d u l e si si n t l o d u c e di nt h ea r t i c l e t h i sk i n do fs y s t e mu t 订i z e sa n e wc u r t e m s h 撕n gs c h e m ew l l i c h 锄a z i n 9 1 yb a s e so nm a g n e t i ca m p l 湎e ra 1 1 d a v e r a g ec u i t e n t s h a r i n gm e t h o d t h ew h o l ed e s i g no ft h em o d u l i z e de l e c t r o p l a t i n gp o w e rs y s t e mi sd i s c u s s e d t h e p o w e rs e c t i o no ft h es y s t e mi sm a d eu po faf e wp o w e rm o d u l e s ，a 1 1 dt h ec o n t r 0 1 s e c t i o ni sas i m p l ea n dc o m m o np w mc o n t r o l l e rw 曲c o n 巾e n s a t i o nn e t w o r k a n d t h i sk i n do fs t n l c t l l r ei sv e r ys m a r ta n dc h e 叩 w i t ht h eo u t p u tc u 丌e n to fs m p si n c r e a s i l l g ，p a r a l l e l e dp o w e rm o d u l e sa r e 绌i n g t h ep l a c eo fs i n 9 1 e1 a r g eo u t p u tc u e n tr a t i n gp o w e rs u p p l i e s ，a 1 1 ds m a na 1 1 de f f i c i e n t d i s t r i b u t e dp o w e rs y s t e mi st 1 1 r i v i n g t h e nt h ec u r r e n tb a l a n c eb e c o m e s 廿l ek e yi s s u e i nt h ed e s i g no fap a r a l l e l e dp o w e rs y s t e m ac o m p a r i s o ni sm a d ea m o n gm em o s t p o p u l a rc u r r e n t s h a r i n gs c h e m e si nt 1 1 i sa n i c l e ，a n da n e rt h ec o m p a r i s o nan e wk i n d o fa v e r a g ec u r r e n t s h a r i n gs c h e m ei sp m p o s e d t h ee x p 州m e n tr e s u l ti ss h o w nt o p r o v et 王l a ti th a sah i g hp r e c i s i o n s a t u r a b l ei n d u c t o ri sf r e q u e n t l yu s e da sap o s t r e g u l a t o ra n ds p i k er e s t r a i ni n s m p s i to a e nw o r k sa sap o w e rc o m p o n e n tw h e na c t i n ga sap o s t r e g u l a t o ra n dw e n e e dt oc o n s i d e ri t sp o w e rl o s sa i l dp o w e rr a t i n g b 毗t h i sa n i c l es h o w sy o ui tm r e l y h a sp o w e rl o s sw h e ni tw o r k si nt h ep r o p o s e dp w m s i g n a lp o s t r e g u l a t o ls u c hk i n d o fr e g u l a rc a nn o to n l yb eu s e di nt h ec u r r e n t - s h a r i n gc o n t r o ls y s t e m ，b u ta l s oi ns o m e v o l t a g e _ b a l a n c i n ga n dn e u t r a lp o i mb a l a n c es i t i l a t i o n s k e yw o r d s ：c u r r e n t s h “n g ；e l e c t r o p l a t i n gp o w e rs u p p l y ；m a g n e t i ca m p l m e r 2 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 本章回顾和总结了目前电力电子技术的应用和发展状况，阐述了电镀电源设 计概念、目标及主要内容。在此基础上，对本文的主要研究内容及其意义进行了 简要介绍。 1 - 1 开关电源的模块化“ 电能在当今世界的所有能源中占到4 0 。据统计，1 9 9 7 年全世界的电能中有 4 0 是经过电力电子装置的转换后使用，而这个比例预计到2 0 1 0 年会提高到8 0 。 电力电子技术是使用功率半导体器件，实现对电能高效变换和控制的一门学科。 电力电子技术要获得进步发展，外部因素诸如：封装技术、冷却技术、制造技 术等的影响开始发挥决定性的作用。高效率、高功率密度、高可靠性、低污染、 低成本的电力电子装置成为了今后的发展趋势。电源的设计涉及到电路、电力电 子器件、磁性元件、控制策略、材料、热设计和e m i e m c 等专业知识。随着电子 设备性能的提高及功能的多样化，对电源的性能也提出了更多的要求。同时也使 设计难度越来越大、开发周期越来越长、成本越来越高，这些因素制约了电源的 进、一步发展和应用领域的扩大。 模块化能解决这些问题。模块电源是指采用优化的最佳电路，利用先进的制 造工艺，构成一个整体的结构紧凑体积小的高质量的稳压电源。模块电源具有以 f 优点： 1 标准化的模块设计简单，可靠性高，玎以降低开发周期和成本： 2 可以简单的构成大的电源系统，系统扩容方便： 3 通过模块并联易于实现系统的冗余设计，实现系统的热插拔功能，增强了 系统的维护性和可靠性： 4 构成大系统时，单个模块处理的功率降低，降低功率器件的电和热应力， 提高系统的m t b f ：同时f # l 丁：模块处理功率的降低，可以实现高频工作。 随着近年对开关电源输出功率要求的增加，多模块并联运行的电源系统代替 集中式电源供电系统已经成为大容量高频开关直流电源系统发展的一个重要方 向。和集中式供电系统相比，并联电源系统有更多的优点：能提高系统的灵活性， 提高了电源模块的功率密度，使电源系统的体积、重景下降：各个模块的功率半 浙江大学硕士学位论文 导体器件的电流应力减少，提高了系统的可靠性；可方便的实现n + 1 冗余供电； 减少产品种类，便于标准化；并且分布式系统可非常方便的实现并联方式的扩展。 当需要大功率输出时，可采用小功率电源模块、大规模控制集成电路做基本部件， 组成“积木式”智能化大功率供电电源。这样做大大的减轻了对大功率元器件和 装置的研制压力。基于此，开关电源并联技术的重要性日益增加。但是并联的开 关变换器模块间需要采用均流措旆，用于保证模块间电流应力和热应力的均匀分 配，防止一台或多台模块运行在电流极限值状态。因此采用可靠的均流措施是实 现大功率电源系统的关键。这对实现大容量电源系统的高功率密度和高可靠性的 意义是巨大的，其应用前景非常的可观。 1 2 电镀电源的现状及发展“。8 1 高频大功率开关电源是电镀电源研究的新热点。开关电源由于功率变换嚣在 高频状态下进行能量转换，使其甩掉了传统电源中笨重的工频变压器，不仅提高 了生产效率，而且使电源体积和重量大大减轻。特别是7 0 年代以来，开关电源被 广泛应用于邮电、通讯、计算机等各种行业的电子设备上。而在金属表面处理领 域内，由于其要求电源大电流、低电压、大功率输出，使得开关电源在其领域内 的发展一度受到制约，仅局限于小功率场合。近年来，随着半导体技术的飞速发 展、火功率i g b t 和功能完备的集成控制电路的不断出现，使得开关电源在金属表 面处理中的应用得以飞速发展。国外在这方面的研究比我们起步早，而且很早以 前就有开关型电镀电源的产品面世。像世界上著名的电镀电源制造商瑞典的k r a f t e l e k t r o n i ka b 早在9 3 年左右就己经推出了1 0 k w 以卜 的开关型电镀电源”。由于 同晶闸管相控电源相比，同等功率的开关电源，其体积重量往往只有前者的三分 之一，而且精度、纹波系数大大高于前者。不仅如此，它在全部输出范围内都能 保证标定指标。在国外，开关电源在中小功率范围内，特别是精饰电镀、电予电 镀领域已经占据了绝对统治地位。如美国最大的电子接插件制造商栅p 公司以及 1 p ， i b m 等都使用这种电源。 电镀电源输出功率的目益增加，靠单个电源输出已经越来越无法满足要求， 为了增加电源模块的可靠性及输出功率，在电镀电源中也开始采用模块化的方 式。其优点在上节已经提到，然而模块化需要解决的一个关键问题是负载电流的 浙江大学硕士学位论文 均分。即如果在并联系统中没有进行均流电路的硬件设计或软件设计，则可能出 现其中某个或某些电源模块承担比较大的负载电流，运行在极限状态，而有些模 块处于轻载运行，这将导致分担电流多的模块热应力大，致使系统的可靠性降低。 为其设计一个稳定，高精度的均流系统成为模块化电镀电源成败的关键。 本论文将在前人已有的均流方法的基础之上，研究一种使用磁开关的p 州调节 电路并且把它用于电镀电源模块并联的均流控制中。并且取得了非常稳定而精确 的实验结果。这是一个不同于传统均流系统的尝试，也将可以在今后的实验中尝 试用于串联模块均压控制及桥式电路的中点平衡问题的解决。 1 3 任务来源及技术指标 本课题来源于工程实际产品开发课题的大功率、高性能d c d c 开关电镀脉冲电 源。企业原来的电镀脉冲电源设计不能满足并机要求。改进后主要技术指标是： ( 1 ) 输入电压：d c4 0 0 v ( 2 ) 输出电压：d co 一1 2 v ( 脉冲电压输出) ( 3 ) 输出电流：5 0 0 0 a ( 单模块1 0 0 0 a 5 ) ( 4 ) 均流：多台并联使用时，每台输出电流要求相同，不均衡度小于3 1 4 本文作要做的工作 ( 1 ) 原有主回路的研究与分析，并且设计电镀电源的系统输出电压控制电路 及相应驱动： ( 2 ) 研究并选择合适的均流控制电路： ( 3 ) 对磁开关进行研究并设计出基于之的p w m 调制电路。 浙江大学硕士学位论文 参考文献 1 张占松，蔡宣i ，开关电源的原理与设计，电子工业出版社，1 9 9 8 ：3 2 4 3 6 8 2 丁道宏，国内外开关电源的发展展望，电气时代2 0 0 0 ( 1 0 ) 1 3 1 4 3 蔡宣三，开关电源发展轨迹，电子产品世界2 0 0 0 ( 4 ) 4 24 3 4 一明，开关电源的现状与发展，电子与金系列工程信息1 9 9 9 ( 2 ) 5 9 6 0 5 刘选忠，模块式电源分册，辽宁科学技术出版社，1 9 9 9 年1 月 6 吴金宏，崔同欣，刘丽娜，模块电源的应用，国外电予元器件， 1 9 9 9 n o 1 1 ：81 0 7 杜贵平，姜立新，电镀电源的现状及展望，新技术新工艺2 0 0 5 ( 6 ) 6 8 7 0 8 郑鸥，毛海荣，电镀电源的发展，电镀与涂饰1 9 9 6 ，1 5 ( 3 ) 4 7 5 1 浙江大学硕士学位论文 第二章电镀电源设计 电镀电源是低压大电流输出的开关电源的比较典型的一种“3 。本章将介绍本 设计中电镀电源的拓扑选取，基本结构，电路的元件选择，i g b t 驱动以及电压外 环控制电路的设计。 2 1 电镀电源主电路拓扑的选择“1 相对于升压型变换器来说，降压型变换器更加适用于低压大电流变换器。其 变压器原边的基本拓扑主要可以用正激式、反激式、推挽式、半桥式和全桥式等 五种。但是，其中的反激式变换器因为它的输出纹波较大，变压器漏感引起较大 的电压尖峰，功率不大( 1 5 0 w 以f ) ，变换器效率不高，而且只能在电压和负载调 整率要求不高的场合使用，显然不适合低压大电流的要求。另外，全桥式结构的 主功率开关管所承受的电压虽然要比半桥式结构的小一倍。但是因为是在低压大 电流输出的情况下，并且输入电压也不高，所以可以说半桥式变换器和全桥式所 表现的性能是差不多的，而且半桥式与全桥式结构的变压器原、副边电压波形是 接近的。而半桥式更加节省了昂贵的功率m o s f e t 或i g b t 。所以以半桥式变换器作 为桥式变换器的代表。以下的分析中在变压器原边只考虑通过优选的正激式、推 挽式和桥式( 半桥) 。 2 2 几种可用于电镀开关电源的主电路拓扑 实际当中，开关电源往往都采用带变压器隔离的变换器。而在电镀电源领域 里，从安全、实用、控制的角度出发，都需要采用带变压器的开关变换器。下面 将介绍几种在电镀用丌关电源中常用的变换器拓扑结构。 2 2 1 单端正激型变换器 泽端正激型变换器的主电路如陶2 1 所示。当功率开关导通时，整流二极管d 1 同 时导通，输入电能通过d l 传递给负载r ，同时将能量储存在电感1 中。当开关管q 关断，电感l 续流向负载r 供电。 浙江人学硕士学位论文 厂一 r + 圳。一 1 出 图2 1f o r w a r d 变换器的主电路 主要工作波形如下图： jl 峋 i ： i 一 f v w v i n 一 w 3 1 7 i n 一f 1 - 伽 i 。i ( ，l ，o | 一， ， - - 一 一 f 图2 2f o r w a r d 变换器的工作波形 其中砌为变压器激磁电流，九为输出电感电流。 由上图看到正激变换器变压器磁芯一般都工作在第一向限，而且需要磁复位装 置，从而影响了能量传递的效率，因此正激变换器常用于中功率的应用中。 2 2 2 推挽变换器 推挽变换器主电路的提出t 要是为了解决正激电路变压器不能双向磁化的问 题，同时省去了复位电路，改善了能量传递效率，理论上占空比可以达到1 0 0 。 浙江大学硕士学位论文 其主电路如图2 3 所示 弋引，w 。_ 专l，樽1 n 之 明砒b ； d j 一p 丁一 一 | ， 一ll t r 芝 图2 3p u s hp u l l 变换器的主电路 其工作波形如下图 l v g t q 1q 2 r v w 仉w 伯 r f 晶 一 、 一r、厂i “。， 7弋7 f 矧2 4p u s h p u l l 变换器的工作波形 但是推挽变换器也有其天生的固疾，就是开关管应力大，是输入电压的：倍 之多，而且必须采用电流环控制以防止变压器磁偏的发生，冈而这个电路一般在 输入电压比较低的场合使用。 2 2 3 半桥变换器 半桥变换器的开关管应力只是输入电压，而且没有磁偏的问题。其主电路如下 图所示 浙江大学硕+ 学位论文 t + 一 图2 5 l a j f b r i d g e 变换器的主电路 浚电路的工作原理是：当丌关管v 1 导通时，电流通过v 1 ，t 和c 2 流回电源负 极，变压器原边感应出上负下正的电压，此电压大小为电源电压的一半。由于同 名端的关系，副边与此同阡寸感应出上负下正的电压。d 2 导通，d 1 ，截止，电流流 经副边，d 2 ，l ，负载r 。当v l ，v 2 都关断时，副边两个绕组电压变为零，变压器激 磁电流不变，但漏感上的能量通过开关管的体二极管返回到电容上；同时l 上存 储的能量向负载放电。当副边线圈电压降到零时，d 1d 2 都起着续流作用，两者 分得的电流近似相等。在d i ，d 2 都导通时，副边电压被钳位到零。当v 2 导通时， 电路工作与v l 导通时类似，不再详述。其主要的工作波形如下图所示， l v g t 2 q 1q 2 i ： f m ： 一 f ，” ，1 l。， rl ! 一 t ： “ 。 一 1 一 f 图2 6h a 】卜b r i d g e 变换器工作波形 浙江大学硕士学位论文 2 3 单个半桥电路功率模块的设计 本作电镀电源由5 个1 2 k w ( 1 2 v 1 0 0 0 a 输出) 的功率模块并联而成。这节将介 绍单个功率模块电路的设计，主要包括输入整流桥，开关管，变压器，副边整流 二极管等。本节要介绍电路一些主要参数的设计与计算。它们包括：输入整流桥 设计，i g b t 的选择，功率变压器的设计，输出二极管及吸收网络的设计以及输出 滤波器的设计。 图2 7 给出了主电路图。市电经过三相整流桥整流，再经电容滤波，然后将比 较平滑的直流经过d c d c 半桥变换器后，得到所要求的2 0 k h z 的脉冲波输出。 三相交流电兹 一 _一 l zzz 亏。_ j 5 7 3 j j 以满足设计要求。 接下粜验证下常 作时磁环不会饷和 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 浙江大学硕士学位论文 曲：掣- 1 6 5 2 g s 胁r 5 0 0 0 删 ，- 6 爿p 砌f 为磁芯资料中规定的饱和磁感应强度。 ( 2 1 0 ) 2 4 2 线圈的选择9 1 在高频大电流工作时，绕组导线的集肤效应影响很大，必须加以考虑。集肤 效应就是导线中通过交变电流时，导线横截面上的电流分布不均匀，内部电流密 度小，边缘部分电流密度大，使导线有效截面积减小，电阻增大。导线中通过交 变电流时，有效截面积减少可以用穿透深度来表示。的意义如下，由于集肤 效应，电流密度卜l 降到导线表面电流密度的o 3 6 8 ( 即1 e ) 时的径向深度称为穿透 深度。穿透深度与交流频率f ，导线的磁导率以及电导率有下述关系 式中， 为角频率( = 2 矿) ( 2 ) y 为铜导线的电导率 口为导线的磁导率 女为材料的电导率温度系数 对于2 0 k h z 的开关频率，有20 5 m m ，显然在选用绕组的导线时，应使线径小 于两倍穿透深度。由于变压器次级电流密度较大，若使用圆铜漆包线，则需要很 多股并绕，很难绕整齐，因此使用扁铜带绕制。 2 5 输入三相整流管的选择 如下图所示为前端三相输入整流桥、l c 滤波器。考虑理想情况，l 无穷大，u d 为一平滑直流，圈2 1 2 为浚理想情况下的波形图。 互w 浙江大学硕士学位论文 三相 _ u l j 、 z a d 1d 3 d 5 b c u l 一 - _ _ _ zzz d 2d 4d 6 图2 1 1 三相整流电路 y 、y 、 ，： 一 ，、；，二八、：? a ，a ，a 一? 、厂y 1 ， | ：，+ 。、 厂y ：、j ：j 。- t 7 ：y i 、： 7 ：j j ： - ： j 二，r? j k 、l 。一i 。：，；j j 、；i j ! _ 。；j ： x j ：t 、：；：曩! t ；、：t ：j !： ； ： 厂 ：；厂 ! 一 ， f ， 图2 1 2 理想情况下的波形图 通过对三相整流电路工作原理的分析可知，整流输出电压u d 的波形在一周期内脉 动6 次，且每次脉动的波形相同，因此在计算其平均值时，只需对一个脉波( 即l 6 周期) 进行计算即”t 。此外，以线电压的过零点为时间坐标的零点。于是可得当 整流输出电压连续时( 即带阻感负载时) 的平均值为： e ，d = 三拓u 2 s i n f 疏= 2 _ 3 4 u 2 石号 ( 2 1 2 ) 这罩u 222 2 吖，则。5 1 4 矿 浙江大学硕+ 学位论文 设效率为o 8 ，已知输出功率为1 2 k w ，则町以计算出输入电流 d ，。= - 二! 一= 2 9 2 爿 “ 0 8 u 。 而整流桥所承受的最大反压应为 u = 石- u ，= 5 3 9 矿 因此选择i r 公司的3 6 m t 8 0 ，额定电流为3 t 5 a ，耐压值为8 0 0 v 。 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 2 6 高频开关管的选择( m o s f e to ri g b t ? ) “3 绝缘栅双极型晶体管i gb 1 ( i n s u l a t e dg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ) 是一种由双 极晶体管与m o s f e t 组合的器件，它既具有m 0 s f e t 的栅极电压控制快速开关特 性又具有双极晶体管大电流处理能力和低饱和压降的特点近年来在各种电 力变换装置中得到广泛应用。但在开关电源领域，m o s f e ，r 和i g b t 作为有源开关 两分天下，一个占据中低功率而另一个则占据大功率领域，而他们的交界点则 是在5 0 0 v 左右的中功率领域中的应用，需要工程进行l r a d e o f f 。而由上式我们 看到在本设计中开关管承受应力的理论值就有5 3 9 v ，设计值应该在7 0 0 v 一8 0 0 v 左右，而且输入电流也有3 0 a 之多，毫无疑问i g b t 是首选。 根据i g b t 的耐压值和工作电流值，选择i r 的g a 7 5 t s l o o u 2 7 输出整流管的选择 输出整流二极管d 7 ，d 8 最主要的一个工作特征就是大电流流过，每个管子要在 工作时承受1 0 0 0 a 2 = 5 0 0 a 的平均电流值。而且由于半桥电路的工作特性，每个整 流一极管都是自然关断，因此不存在反向恢复的问题，所以只需要考虑选择在所 需工作电压下导通压降最小的二极管。如下图所示为d 8 导通时d 7 关断时的情况， 计算整流二极管d 7 的反向承受的最大电压： u m = 堡2 ：婴2 ：3 8 6 矿 1 4 ( 2 1 5 ) 浙江大学硕士学位论文 t 引 1 4 ： 图2 1 3d 7 耐压计算示意图 由于电流大，因此选择i r 的双管二极管u f b 2 0 0 f a 2 0 ，5 个共l o 个二极管并联并且必 须放在同一个散热片上。因为理论上二极管存在负温度系数不能并联，但是如果 是放在同一个散热片上则是通过温度来平衡二极管上的电流，实验证明是可行和 可靠的。 2 8i g b t 驱动的设计“”“ l g b t 的门极驱动电路影响i g b t 的通态压降、开关时间、开关损耗、承受短路 电流能力及d u d t 等参数决定了i g b t 的静态与动态特性因此，在使用i g b t 时， 最重要的工作就是要设计好驱动与保护电路。i g b t 驱动电路设计要求主要有： a 动态驱动能力强能为t g b t 栅极提供具有陡峭前后沿的驱动脉冲。否则i g b t 会在开通及关断过程中产生较大的开关损耗。 b 能向1 g b t 提供适当的正向和反向栅压。般取+ 1 5 v 左右的正向栅压比较恰 当，取一5 v 的反向栅压让i g b t 能可靠截止。 c 具有栅压限幅电路。保护栅极不被击穿。t g b t 栅极极限电压一般为2 0 v 。 驱动信号超出此范围可能破坏栅极。 d 当i g b t 处于负载短路或过流状态时，能在i g b t 允许时间内通过逐渐降低栅 压自动抑制故障电流，实现i g b t 的软关断。驱动电路的软关断过程不应随输入信 号的消失而受到影响，当然驱动电路还要注意其他几个问题。主要是要选择合适 的栅极电阻尺和尺以及要有足够的输入输h 电隔离能力要能够保证输入输出 信号无延时同时要保证当i g b t 损坏时驱动电路中的其他元件不会被损坏。 | _ _ 1 本雕j i 公司的e x b 8 4 1 芯片具有单电源、【卜负偏压、过流检测、保护、软关 断等主要特性，是一种比较典型的驱动电路。其功能比较完善，其内部电路框图 如下图所示。 浙江大学硕士学位论文 图2 1 4e x b 8 4 1 原理图 各引脚功能如下：脚1 ：连接用于反向偏置电源的滤波电容器：脚2 ：电源( + 2 0 v ) ； 脚3 ：驱动输出；脚4 ：用于连接外部电容器，以防止过流保护电路误动作( 大多 数场合不需要该电容) ；脚5 ：过流保护输出；脚6 ：集电极电压监视；脚7 ，8 、 1 0 1 3 ：不接；脚9 ：接地线；脚1 4 、1 5 ：驱动信号输入( ，+ ) 。e x b 8 4 1 的原理 图如图2 所示。它主要由放大部分、过流保护部分和5 v 电压基准部分组成。它的 主要特点有： ( 1 ) i g b t 通常只能承受1 0 u s 的短路电流，所以在f x b 系列驱动器内设有过流保护电 路，实现过流检测和延时保护功能。如果发生过电流，驱动器的低速切断电 路就慢速关断i g b t ( l o u s 的过流不响应) ，从而保证l g b t 不被损坏。而如果以 正常速度切断过电流，集电极产生的电压尖脉冲足以破坏i g b t 。 ( 2 ) i g b t 在开关过程中需要一个+ 1 5 v 电压以获得低开启电压，还需要一个一5 v 关 栅电压以防止关断时的误动作。这两种电压均可由2 0 v 供电的驱动器内部电路 产生。 ( 3 ) t g b t 开通和关断时，稳压管z 易受浪涌电压和电流冲击，易损坏。经实验发现 是由于e x b 8 4 1 内部的稳压管z ( 额定功耗为o ，5 w ) 功耗太大以至于损坏，通过 以下电路f u 以保证其安全工作。 浙江大学硕士学位论文 2 0 v 图2 1 5 改进后的驱动 i g b t 所需的5 v 反向关断栅压则由外接的额定功耗较大的稳压管提供，这就保证了 电路的稳定可靠工作。即使当i g b t 开关过程中产生大的浪涌电流、电压时，由于 e x b 8 4 1 的1 脚与i g b t 射极e 问的连线已断开，这就避免了内部稳压管z 的损坏，而 将烧毁外接的稳压管，从而起到保护f x b 8 4 l 的作用。 2 9 控制电路的实现o “ 2 9 1t l 4 9 4 介绍 t l 4 9 4 是种固定频率脉宽调制电路，它包含了开关电源控制所需的全部功 能，广泛应用于单端正激双管式、半桥式、全桥式丌关电源。t l 4 9 4 有s 旷1 6 和 p d i p1 6 两种封装形式，以适应不同场合的要求。其主要特性如下： a 集成了全部的脉宽调制电路。 b 片内置线性锯齿波振荡器，外置振荡元件仅 两个( 一个电阻和一个电容) 。 c 内置误差放大器。 d 内置5 v 参考基准电压源。 e 可调整死区时间。 f 内置功率晶体管可提供5 0 0 m a 的驱动能力。 g 推或拉两种输出方式。 9 o m m呲蛳l 龆 艘 雕 h呲一一q 嘶 翻 浙江大学硕士学位论文 图2 1 7t l 4 9 4 内部框图 工作原理简述 t l 4 9 4 是一个固定频率的脉冲宽度调制电路，内置了线性锯齿波振荡器，振 荡频率可通过外部的一个电阻和一个电容进行调节，其振荡频率如下： 1 1 ，= “ r t c t ( 2 1 6 ) 输出脉冲的宽度是通过电容c t 卜的正极性锯齿波电压与另外两个控制信号 进行比较来实现。功率输出管q 1 和q 2 受控于或非门。当双稳触发器的时钟信号 为低电平时才会被选通，即只有在锯齿波电压大于控制信号期问才会被选通。当 控制信号增大，输出脉冲的宽度将减小。参见图2 1 8 。控制信号由集成电路外部 输入，一路送至死区时间比较器，一路送往误差放大器的输入端。死区时间比较 器具有1 2 0 m v 的输入补偿电压，它限制了最小输出死区时间约等于锯齿波周期的 4 ，当输出端接地，最大输出占空比为9 6 ，而输出端接参考电平时，占空比为 4 8 。当把死区时问控制输入端接上固定的电压( 范围在0 3 3 v 之问) 即能在 输出脉冲上产生附加的死区时问。脉冲宽度调制比较器为误差放大器调节输出脉 宽提供了一个于段：当反馈电压从0 5 v 变化到3 5 时，输出的脉冲宽度从被死 区确定的最大导通百分比时问中下降到零。两个误差放大器具有从一( ) 3 v 到 ( v c c 一2 o ) 的共模输入范围，这可能从电源的输出电压和电流察觉得到。误差 放大器的输出端常处于高电平，它与脉冲宽度调制器的反相输入端进行“或”运 浙江人学硕士学位论文 算，正是这种电路结构，放大器只需最小的输出即可支配控制回路。当比较器c t 放电，一个正脉冲出现在死区比较器的输出端，受脉冲约束的双稳触发器进行计 时，同时停止输出管q l 和q 2 的工作。若输出控制端连接到参考电压源，那么调 制脉冲交替输出至两个输出晶体管，输出频率等于脉冲振荡器的一半。如果工作 于单端状态，月，最大占空比小于5 0 时，输出驱动信号分别从晶体管q 1 或q 2 取 得。输出变压器一个反馈绕组及二极管提供反馈电压。在单端工作模式下，当需 要更高的驱动电流输出，亦可将q l 和q 2 并联使用，这时，需将输出模式控制脚 接地以关闭双稳触发器。这种状态下，输出的脉冲频率将等于振荡器的频率。 t l 4 9 4 内置个5 0 v 的基准电压源，使用外置偏置电路时，可提供高达1 0 【i l a 的 负载电流，在典型的0 7 0 温度范围5 0 m v 温漂条件。f ，该基准电压源能提供 5 的精确度。 匕凼么二i 7 7 沙77 舻天么 r l n 门一飞一n 一 加z矶矶z 广n厂 几 厂厂广 fj 迅 广r f 。 | 图2 1 8t l 4 9 4 工作内部信号时序 2 9 2 本设计中t l 4 9 4 的应用 本设计多模块并联系统的功率部分由n 个完全一样的功率模块组成，为了便于 介绍，图2 1 9 中只画出了a ，b ，c ，d 四个功率模块。由单个p w m 控制器t l 4 9 4 对整 个系统的输出电压进行采样，构成输出电压反馈控制。p w m 控制器产生的p w m 信号 作为后级p w m 信号调整电路( 即后文将详细说明的磁开关电路) 的输入信号，磁 开关电路的输出信号提供给其相应的功率模块作为开关管驱动信号。后级p w m 信 号调整电路会对所控功率模块对应那路的电流进行采样，控制对p w m 信号进行 浙江大学硕士学位论文 斩波的幅度，若某一路采样出来的电流偏大，则这一路后级p w m 信号调整电路会 将p w m 信号脉宽减小后送至功率模块，使得这一路的输出电压降低而输出电流减 少，从而达到均流的目的。 图2 1 9 电镀电源系统结构图 2 1 0 实验波形 图2 2 0 为单个电源模块满载时变压器原边两端波形 浙江大学硕士学位论文 图2 2 0 变压器原边波形 下图为放大后的波形： lo ：“! 脚襁 兰”呻月；譬 j i 专 ； j 三l 一。，+ “5 d 9 + r ir 一一t 6 。一。一一j r + 4 、p _ “l 。! 。 。 _ 1 i j 蕊m 擎 芸 ! j 1 12 月2 0 0 6 1 0 ：4 s ：2 3 图2 2 l 变压器原边波形放大 我们看到在开关管关断时变压器两端有漏感引起的尖峰，但是由于变压器漏 感控制得当，尖峰辐值较小。 图2 2 2 为模块电源的输出波形 菇ij 王 i i 妊酗# # 螨懒麴蜥燃魂鲢? j ； ，：。；，。，。! o h ，一：。；h “。_ ，j |j _ | 王 i i j 一一 一二一一 。d i f7 ； ：； 图2 2 2 为模块电源的输出波形 1 12 月2 0 0 6 1 0 ：s 1 ：2 4 浙江大学硕士学位论文 2 小结 本章详细的介绍了大功率电镀电源主电路及外电压环的设计过程。通过介绍， 我们基本上能够对本作大功率开关电源的设计有了明晰的认识轮廓。在下面的章 节里，我们将讨论多个模块均流电路和磁开关后级调整电路的一些相关问题。 浙江人学硕十学位论文 参考文献 1 王翠，佘致廷，刘爱华，大功率高频软开关电镀电源的设计，电源世 界2 0 0 4 ( 8 ) ：4 9 5 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源的模块化可以带来这几方面的好处：一是小功率的电源可以组合成大功率的电 源系统，其容量可以任意扩展：二是可以实现系统的冗余设计，提高可靠性：三是 使用场合不受限制，根据需要任意组合，方便灵活。但是，多个电源模块的并联 运行需要解决的一个关键问题是负载电流的均分。即如果在并联系统中没有进行 均流电路的硬件设汁或软件设计，则可能出现其中某个或某些电源模块承担比较 大的负载电流，运行在极限状态，而有些模块处于轻载运行，这将导致分担电流 多的模块热应力大，致使系统的可靠性降低。本章对电源的均流技术进行了研究， 将详细讨论均流的几种控制方法以及本装置实现均流方法和试验分析。 3 1 均流问题的产生及其主要任务“1 图3 1 为两个模块并联工作时的等效电路及其外特性曲线。如果两个模块的 参数完全相同，即= 屹：胄。= 尺：，两条外特性曲线重合，负载电流均匀分配。 如果其中一个模块的电压参考值较高，输出电阻较小( 外特性斜率小) ，如图3 1 中的模块1 将承受大部分负载电流，模块1 将运行于满载或超载限流状态，影响了 系统可靠性。可见，并联电源系统l l 各模块按照外特性曲线分配负载电流，外特 性的差异是电流难以均分的根源。 l 一1 竺“竺一j l 一竺竺2 一j 图3 1 均流问题的产生 正常情况下，各并联模块输出电阻是个恒值，输出电流不均衡主要是由于各 模块输出电压不相等引起。均流的实质即是通过均流控制电路，调整各模块的输 浙江大学硕士学位论文 出电压，从而调整输出电流，以达到电流均分的目的。一般开关电源是一个电压 型控制的闭环系统，均流的基本思想是采样各自输出电流信号，并把该信号引入 控制环路中，来参与调整输出电压。选择不同的电流信号注入点，可以直接调节 系统基准电压、电压调节器的输出误差电压、或者电流工作脉宽，形成多种均流 方案，以满足不同的稳态性能和动态响应。 对于多个模块并联运行电源系统的基本要求是： a 当负载变化时，每台负载的输出电压变化相同。 b 使每台电源的输出电流按功率份额均摊。 3 2 均流的主要方法“” 从本质上讲，模块并联运行需要均流主要是由于模块输出属于电压源性质， 输出电压的稍微偏差可以导致输出电流的很大差别。实现均流的方法多种多样， 他们的均流精度和控制原理也各不相同。为实现均流的目的，可以通过改变电压 源的特性( 使特性变软) 或改变电压源的幅值来实现，这就是目前两大类均流方 法的基本出发点，即下垂法( d r o o p 法) 和有源均流法( a c t i v ec u r r e n ts h a r i n g m e t h o d ) ，两者的主要差别在于有无均流母线。如下图所示。这节就来介绍形 形色色的各种均流方法中，我们到底选择哪一种，是各种方法各有千秋还是某一 种方法统江湖，看f 面的分析。 铲擎 图3 2 两种主流均流方法 3 2 1d r o o p 法”1 ” 下垂法也分为，l 种，但其基本出发点都是利用输出电压随输出电流的增加而 下降的特性，通过控制或改变输出阻抗，达到并联模块闯的均流。如下图： 浙江大学硕士学位论文 图3 3 单个模块等效示意图 有u 。2 u t j 。r m 其中尺。t 为模块的输出阻抗 其输出电压特性如f 图所示，显然u i 的斜率只与胄。，有关。 u i ( 3 1 ) 图3 4 负载调整特性曲线 由于各个模块的初始电压不同，输出阻抗不同，其分配的电流也不同，输出 阻抗越小，均流特性越差。输出阻抗大，均流效果好，但负载调整率就差。 主要有两种手段可以实现d r 0 0 p 法均流： a 串联电阻 r 1 r 2 1- t广一 mo d u i el 1由r 。下 mo d u | e2 图3 5 串联电阻法 塑坚奎堂堡堂些堡塞 如图3 5 所示，若在模块的输出端串入电阻，改变输出阻抗，可以改善均流性能。 这时模块的输出阻抗等效于r 。件足。如图3 6 所示，这个方法简单直观。由于串 入的电阻一般大于输出阻抗，这个方法的最大的缺点就是功耗大，不适合高功率 大电流的应用场合。 u l u 2 0 5 i o 图3 ，6 串联电阻法的输出阻抗特性 b 输出电流反馈 输出电流反馈法的控制图如下图所示： 图3 7 输出电流反馈法的控制图 v i 为电流放大器输出信号，与模块输出电流成比例，v f 为电压反馈信号。 当某模块电流增加时，v i 上升，运放输出f 降，通过反馈使该模块输出电压随之 下降，即外特性向f 倾斜，接近其他模块的外特性，从而使其他模块电流增大， 实现近似均流。电压误差放大器有无穷大的直流增益，则有 浙江大学硕士学位论文 = 一+ y r 玎= 】0 k l 七v o 。kv 圪= 气竽 ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) 因此通过调节盯，即可达到改变电源模块外特性的目的。但是相对前面一种 方法，其功耗可以明显降低。 由上面的分析，d r o o p 法在负载调整率和均流性能必须有所折衷，而且其初始 电压在整个温度和产品寿命内的稳定性要求非常高，综合前面所述，下垂法的优 缺点可以归纳为： 优点： 简单，容易实现，易扩充 无需均流母线 模块化特性好 开环的均流方案，无稳定性问题 缺点： 负载调整率差 模块的电压稳定性要求很高 均流性能差 因此我们在大功率的应用中常不采用此法。 3 2 2 有源均流法“4 ”1 ” 有源均流法是均漉方法中一大类别，其特征是采用互连通讯线连接所有的并 联模块。该互连线称为均流母线c s b ( c u r r e n t s h a r i n gb u s ) ，用于提供共同的电 流参考信号。f 图为单台直流电源模块控制电路的基本结构： 浙江大学硕士学位论文 图3 8 电源模块的