CN204721238U - 一种硬质阳极化用开关电源 - Google Patents

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李金芝
段宣祥
董宁
贺明智
郑琼林
李忠桥
李志君
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Abstract

本实用新型涉及一种硬质阳极化用开关电源，主电路包括：采用冗余结构的功率模块并联电路，所述功率模块并联电路的输入端与三相配电电路连接，输出端与全桥换向电路连接，所述功率模块并联电路包括N+1个并联连接的功率模块，每个功率模块具有相同的内部结构，采用IGBT作为主功率开关器件，每个功率模块有单独的断路器进行主电分合闸控制，开关电源的控制电路通过数字控制技术产生PWM驱动脉冲，实现对IGBT的通断控制。本实用新型所述的开关电源，采用数字化的设计思路，提高了系统开发的开放性和兼容性，提高了电源效率和功率密度；在提高电源可靠性的同时，为开关电源设计容量的进一步提升提供了思路；实现电源系统脉冲波形输出。

Description

一种硬质阳极化用开关电源
技术领域
本实用新型涉及铝及其合金硬质阳极化表面处理用电源领域，具体说是一种硬质阳极化用开关电源。尤指一种铝及其合金硬质阳极化用开关电源。
背景技术
硬质阳极化表面处理不同工件时，除相关工艺参数要求不同外，还要求硬质阳极化用电源的输出波形不同。目前，硬质阳极化用电源的输出波形有：连续直流、直流正弦半波及脉冲等波形形式，所述脉冲波形还可以具体细化分为：正向脉冲、反向脉冲、双向脉冲及直流叠加脉冲等波形形式。不同输出波形可分别由不同电源独立实现，亦可在一台电源中集成实现多种输出波形。
现有技术中，晶闸管工频相控整流电源方案如图1.a、1.b所示，利用单相桥式半控整流电路，可实现直流正弦半波和连续直流两种输出波形形式。为实现降压和电气隔离，需要增加工频变压器。该方案存在以下缺点：
(1)存在庞大笨重的工频变压器，为避免电网三相不平衡问题，变压器需考虑平衡变压器(T-Scott)设计方案；
(2)直流正弦半波输出时，工频变压器二次侧电流中存在直流分量，容易造成铁芯直流磁化，使铁芯工作在磁饱和附近。为防止磁饱和现象的发生，变压器铁芯中需增加气隙，从而使铁芯磁阻增大，效率降低；
(3)连续直流输出时，为满足电源纹波要求，工频滤波较高频滤波回路设计困难；
(4)晶闸管工频相控整流方案，存在功率因数低，谐波电流大， 动态调节速度慢，稳定性差的问题；
(5)此方案无法实现脉冲波形输出，且直流正弦半波频率固定(50Hz)不可调。
实用新型内容
针对现有技术中存在的缺陷，本实用新型的目的在于提供一种硬质阳极化用开关电源，克服晶闸管工频相控整流方案体积庞大笨重、效率低、功率因数低、谐波污染严重、输出纹波大、动态响应慢及稳定性差等问题。
本实用新型为解决现有技术问题所采用的技术方案如下：
一种硬质阳极化用开关电源，其特征在于，开关电源的主电路包括：采用冗余结构的功率模块并联电路，所述功率模块并联电路的输入端与三相配电电路连接，输出端与全桥换向电路连接，
所述功率模块并联电路包括N+1个并联连接的功率模块，N值大于等于1，
每个功率模块具有相同的内部结构，采用IGBT作为主功率开关器件，每个功率模块有单独的断路器进行主电分合闸控制，
开关电源的控制电路通过数字控制技术产生PWM驱动脉冲，实现对IGBT的通断控制。
在上述技术方案的基础上，通过移相PWM控制策略,可实现所述主功率开关器件IGBT工作在零电压开关ZVS的软开关环境下。
在上述技术方案的基础上，所述功率模块包括：依次连接的三相不控整流及滤波电路、高频逆变电路、超微晶变压器、次级全波整流滤波电路；
高频逆变电路、超微晶变压器和次级全波整流滤波电路构成移相全桥ZVS变换器。
在上述技术方案的基础上，所述次级全波整流滤波电路为快恢复二极管全波整流滤波电路。
在上述技术方案的基础上，所述全桥换向电路用于实现多种脉冲波形的输出，采用IGBT作为换向开关器件，通过数字控制技术实现对IGBT的通断控制。
在上述技术方案的基础上，所述开关电源的控制电路包括高速的数字处理芯片，
所述高速的数字处理芯片集成了AD采样、DA输出、铁电存储、PWM脉冲生成及用于实现各种保护检测功能的保护检测模块。
在上述技术方案的基础上，所述移相全桥ZVS变换器包括：
主功率开关管Q1、Q2、Q3、Q4，反并联二极管D1、D2、D3、D4，主功率开关管的等效输出电容C1、C2、C3、C4，
主功率开关管Q1、反并联二极管D1、主功率开关管的等效输出电容C1并联，
主功率开关管Q2、反并联二极管D2、主功率开关管的等效输出电容C2并联，
主功率开关管Q3、反并联二极管D3、主功率开关管的等效输出电容C3并联，
主功率开关管Q4、反并联二极管D4、主功率开关管的等效输出电容C4并联；
变压器Tr原边串联隔直电容Cb和谐振电感Lr，副边分别接二极管D5、二极管D6阳极；
滤波电感Lf和滤波电容Cf构成输出滤波电路，其输入端分别与二极管D5、二极管D6阴极及变压器中间抽头相连，输出端与负载RL并联。
在上述技术方案的基础上，所述全桥换向电路包括：
换向开关管S1、S2、S3、S4，
换向开关管S1与换向开关管S3串联构成一半桥支路，
换向开关管S2与换向开关管S4串联构成另一半桥支路，
两半桥支路的中间输出节点连接负载两端。
本实用新型所述的硬质阳极化用开关电源，具有以下优点：
1、高频高效的超微晶变压器及移相全桥ZVS变换器，提高了电源效率和功率密度；
2、并联冗余结构及相关控制技术的应用，在提高电源可靠性的同时，为开关电源设计容量的进一步提升提供了思路；
3、数字化的设计思路，在不改变硬件环境的前提下，尝试不同的控制策略和优化方案满足不同情况下的不同需要，提高了系统开发的开放性和兼容性；
4、增加全桥换向拓扑，实现电源系统脉冲波形输出。
附图说明
本实用新型有如下附图：
图1.a晶闸管工频相控整流电源方案平衡变压器；
图1.b晶闸管工频相控整流电源方案单相桥式半控整流电路；
图2本实用新型的系统拓扑构成图；
图3移相全桥ZVS变换器；
图4全桥换向电路。
具体实施方式
如图2、3、4所示，本实用新型所述硬质阳极化用开关电源，包括：主电路和控制电路，
开关电源的主电路包括：采用冗余结构的功率模块并联电路，所述功率模块并联电路的输入端与三相配电电路连接，输出端与全桥换向电路连接，
所述功率模块并联电路包括N+1个并联连接的功率模块，N值大于等于1，
每个功率模块具有相同的内部结构，采用IGBT作为主功率开关 器件，每个功率模块有单独的断路器进行主电分合闸控制，
开关电源的控制电路通过数字控制技术产生PWM驱动脉冲，实现对IGBT的通断控制。
本实用新型所述硬质阳极化用开关电源，通过移相PWM控制策略实现了功率模块内主功率开关器件IGBT的零电压开关(ZVS)，提高了电源的效率和功率密度；通过N+1个功率模块并联冗余结构克服了单个变压器功率受限的难题，同时，当其中1个功率模块出现故障退出工作后，剩余功率模块仍能正常运行，提高了系统的可靠性。
在上述技术方案的基础上，所述功率模块包括：依次连接的三相不控整流及滤波电路、高频逆变电路、超微晶变压器、次级全波整流滤波电路，所述次级全波整流滤波电路为快恢复二极管全波整流滤波电路。高频逆变电路、超微晶变压器和次级全波整流滤波电路构成移相全桥ZVS变换器。
在上述技术方案的基础上，所述全桥换向电路用于实现多种脉冲波形的输出，采用IGBT作为换向开关器件，通过数字控制技术实现对IGBT的通断控制。
在上述技术方案的基础上，所述开关电源的控制电路采用全数字化设计理念，包括一高速的数字处理芯片，所述高速的数字处理芯片集成了AD采样、DA输出、铁电存储、PWM脉冲生成及用于实现各种保护检测功能的保护检测模块；
数字处理芯片通过结合不同的数字控制策略和优化方案，在相同的硬件环境下满足不同的输出要求(直流输出、正弦半波输出及脉冲输出等)，提高了系统开发的开放性和兼容性。
为充分理解本实用新型的内容，下面结合具体实施实例(2000A/110V硬质阳极化电源)对本实用新型的技术方案做进一步 介绍和说明，但不局限于此。
图2为本实用新型所述的开关电源的系统拓扑构成图：
三相380V进电经三相滤波器和接触器后，分别引入5个具有相同内部结构和功能的功率模块；
每个功率模块有单独的断路器进行主电分合闸控制，并可实现独立的功率输出(本具体实施例中每个功率模块的容量为500A/110V)图2中仅给出了其中的一个功率模块，以此功率模块为例，阐述功率模块的内部结构和功能：所述功率模块包括：依次连接的三相不控整流及滤波电路、高频逆变电路、超微晶变压器、次级全波整流滤波电路，所述次级全波整流滤波电路为快恢复二极管全波整流滤波电路。首先经三相不控整流及滤波电路，将380VAC整流为540VDC，540VDC经移相全桥ZVS变换器后输出110VDC，所述移相全桥ZVS变换器涵盖了高频逆变电路、超微晶变压器和次级全波整流滤波电路(快恢复二极管全波整流滤波电路)；
本具体实施例中的5个功率模块采用并联形式，额定输出时，每个功率模块降额输出，此种功率模块并联冗余结构克服单机柜集中控制结构电压电流应力大、器件选择困难、功率密度低，设计成本高以及电源可靠性低等一系列问题；
5个功率模块并联输出后经全桥换向电路接至负载两端。
图3为移相全桥ZVS变换器的原理图：
Q1～Q4为主功率开关管，D1～D4为其内部的反并联二极管，C1～C4为主功率开关管的等效输出电容，Q1、D1、C1并联，Q2、D2、C2并联，Q3、D3、C3并联，Q4、D4、C4并联；
变压器Tr原边串联隔直电容Cb和谐振电感Lr(变压器漏感)，副边分别接D5、D6阳极；
滤波电感Lf和滤波电容Cf构成输出滤波电路，其输入端分别与D5、D6阴极及变压器中间抽头相连，输出端与负载RL并联。
移相全桥ZVS变换器采用移相控制方式，每个桥臂的两个开关管 180°互补导通，Q1和Q3的驱动信号分别超前Q4和Q2一个相位，即移相角，因此将Q1和Q3作为超前臂，Q2和Q4作为滞后臂，同时，为防止同一桥臂贯穿导通，需要设定死区时间；
移相全桥ZVS变换器利用IGBT等效输出电容和变压器漏感谐振，使变换器四个主开关管依次在零电压下导通；变压器原边串联隔直电容Cb，一方面可避免器件参数不一致引起的直流偏磁问题，另一方面，以Q1关断，D3导通时为例，变压器原边漏感上的电流通过D3和Q4流通，电容Cb上的电压迫使变压器原边电流下降到0，实现滞后臂开关管的零电流开关；
采用平均电压控制，通过数字PID计算，在一个开关周期内(实施实例为20KHz)调节移相角大小即可实现对变换器输出电压的调节，此种方式变换器输出直流电压波形；采用峰值电压控制，通过PID计算得出最大移相角，引入正弦半波调制波，设定合适的载波比，通过计算得出每个开关周期内的移相角，即可得到正弦半波输出波形。
图4为全桥换向电路原理图：
S1～S4为换向开关管，S1与S3串联构成一半桥支路，S2与S4串联构成另一半桥支路，两半桥支路的中间输出节点连接负载两端；S1与S3同时导通时，假设负载端为正向输出，反之，S2与S4同时导通时，负载端为反向输出，同向输出时，控制开关管开通和关断的时间，即可得到可控参数的脉冲输出。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (7)

1.一种硬质阳极化用开关电源，其特征在于，开关电源的主电路包括：采用冗余结构的功率模块并联电路，所述功率模块并联电路的输入端与三相配电电路连接，输出端与全桥换向电路连接，
所述功率模块并联电路包括N+1个并联连接的功率模块，N值大于等于1，
每个功率模块具有相同的内部结构，采用IGBT作为主功率开关器件，每个功率模块有单独的断路器进行主电分合闸控制，
开关电源的控制电路通过数字控制技术产生PWM驱动脉冲，实现对IGBT的通断控制。
2.如权利要求1所述的硬质阳极化用开关电源，其特征在于：所述功率模块包括：依次连接的三相不控整流及滤波电路、高频逆变电路、超微晶变压器、次级全波整流滤波电路；
高频逆变电路、超微晶变压器和次级全波整流滤波电路构成移相全桥ZVS变换器。
3.如权利要求2所述的硬质阳极化用开关电源，其特征在于：所述次级全波整流滤波电路为快恢复二极管全波整流滤波电路。
4.如权利要求1所述的硬质阳极化用开关电源，其特征在于：所述全桥换向电路用于实现多种脉冲波形的输出，采用IGBT作为换向开关器件。
5.如权利要求1所述的硬质阳极化用开关电源，其特征在于：所述开关电源的控制电路包括高速的数字处理芯片，
所述高速的数字处理芯片集成了AD采样、DA输出、铁电存储、PWM脉冲生成及保护检测模块。
6.如权利要求2所述的硬质阳极化用开关电源，其特征在于：所述移相全桥ZVS变换器包括：
主功率开关管Q1、Q2、Q3、Q4，反并联二极管D1、D2、D3、D4，主功率开关管的等效输出电容C1、C2、C3、C4，
主功率开关管Q1、反并联二极管D1、主功率开关管的等效输出电容C1并联，
主功率开关管Q2、反并联二极管D2、主功率开关管的等效输出电容C2并联，
主功率开关管Q3、反并联二极管D3、主功率开关管的等效输出电容C3并联，
主功率开关管Q4、反并联二极管D4、主功率开关管的等效输出电容C4并联；
变压器Tr原边串联隔直电容Cb和谐振电感Lr，副边分别接二极管D5、二极管D6阳极；
滤波电感Lf和滤波电容Cf构成输出滤波电路，其输入端分别与二极管D5、二极管D6阴极及变压器中间抽头相连，输出端与负载RL并联。
7.如权利要求1所述的硬质阳极化用开关电源，其特征在于：所述全桥换向电路包括：
换向开关管S1、S2、S3、S4，
换向开关管S1与换向开关管S3串联构成一半桥支路，
换向开关管S2与换向开关管S4串联构成另一半桥支路，
两半桥支路的中间输出节点连接负载两端。
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