摘要：介绍大功率开关电镀电源的设计方法。为解决电镀电源中电流严重畸变的问题，采用三相pWM采用高功率因数整流法TMS320LF2812实现逆变器FB-ZVSpWM在控制模式下，功率输出采用变压器功率合成和倍频整流模式，有效提高开关频率和输出效率。采用Matlab模拟、模拟分析和实验结果验证了设计方法的可行性，证明了谐波污染小、功率因数高、转换效率高的优点。
1·引言
晶闸管相控整流模式采用传统电镀电解直流电源，导致电网侧谐波大，功率因数低。现代电镀电解开关电源采用二极管整流-IGBT逆变桥高频变压器耦合低压整流拓扑结构具有体积小、效率高、直流电压纹波小的优点，但直流母线采用大电容滤波器，也会导致网络侧电流畸变和功率因数降低。鉴于电镀电源需要输出直流低压和大电流，设计的电源采用电压空间矢量控制三相pWM实现功率因数校正的整流器。采用IGBT全桥逆变，高频变压器耦合输出，最后通过倍频整流LC滤波显著提高了直流输出电压的质量和设备的能量密度。
满载输出功率为60kW，输出电压为12V，输出电流为5kA，并且可持续可调。采用三相pWM控制相电流实现正弦波的整流技术。理论分析、模拟和实验表明，该电路实现了输入电流的高功率因数整流和低电流畸变，有效抑制了电镀电源的网络电流谐波。采用全桥零电压软开关控制方法，有效减少功耗。
2·主电路拓扑结构
鉴于大功率输出，采用高频逆变器IGBT全桥拓扑结构为功率开关装置。
图1显示了工频三相交流输入、整流桥、滤波电感电容、高频全桥逆变器、高频变压器、输出整流环节LC滤波器等。C用于过滤尖峰脉冲带来的毛刺；C二是大容量电容；VTi(i=1~4)构成全桥逆变器；Cz隔直电容器防止变压器磁偏。
虽然广泛采用软开关技术实现大功率开关电镀电源的设计方法优于以往的晶闸管控制和整流方法，但仍存在损耗大、功率因数低、谐波等问题，因此三相功率因数校正已成为研究的热点。因此，在设计中增加了功率因数校正环节，有效提高了功率因数和效率。
3·三相pWM高功率因数整流环节
三相pWM通过pWM适当电路的适当控制使输入电流非常接近正弦波，与输入电压相同，功率因数接近1。因此，整流电路可称为高功率因数整流器。图2显示了基于三相的pFC电镀电源系统框图，前三相pFC及其控制电路。
3.1整流电路拓扑
图3示出三相pWM整流主电路由6个高频整流拓扑组成IGBT系统中的电流方向如图所示，由快速恢复二极管组成。
设置三相对称开关函数：当Sg=1(Sg*=0)上桥臂开关管导通，下桥臂开关管截止；Sg=1(Sg*=0)开关管导情况相反，其中g=a，b，c。
3.2电压空间矢量原理
三相pWM整流器采用电压空间矢量控制，意味着三相电压型pWM整流器网侧输入电压矢量为：
根据三相pWM对应的空间电压矢量：U0(000)，U1(100)，U2(110)，U3(010)，U4(011)，U5(001)，U6(101)，U7(111)，其中U1～U六个非零有效矢量，U0和U七是两个零矢量。在电流采样周期中，开关管的导通始终以零矢量开始，以零矢量结束。三相正弦波形用六个非零矢量和两个零矢量接近电压圆，整流器三相桥输入端得到等效。两个相邻的非零矢量和两个零矢量可以接近任何空间电压矢量，从而将三相桥输入等效正弦波。因此，在系统运行的电网周期中，电网空间电压矢量的位置可以在空间中生动地分为六个区域：Ⅰ区θ=0～π/3；Ⅱ区θ=π/3～2π/3；Ⅲ区θ=2π/3～π；Ⅳ区θ=π～4π/3；Ⅴ区θ=4π/3～5π/3；Ⅵ区θ=5π/3～2π。
合理分配电压空间矢量，控制零矢量的使用时间，形成等幅不等宽pWM脉冲波最终实现跟踪磁通的圆轨，即实现SVpWM控制。因为直流侧电压Udc与整流器输入电流im(m=a，b，c)互相影响，使控制变得困难，因此提出了很多不同的控制方法。在采用电压SVpWM在控制系统中，根据文献直接计算合成参考电压，空间矢量如下：
通过采用直接计算合成参考电压矢量的方法，使计算变得简单，简化了电源硬件和系统软件的设计，很好地控制了直流侧电压和输入电流，有效地提高了电源的功率因数和效率。
4·逆变桥控制及IGBT驱动和保护
4.1逆变桥控制
全桥逆变器4个开关管均采用IGBT，通过DSp事件模块输出开关控制命令，即pWM控制信号。pWM信号通过基于HCLp316J驱动保护电路放大后，控制逆变电路开关设备的开关，使逆变器输出预期波形，有效提高电镀电源开关频率，大大降低设备体积，减少功率设备的开关损耗。TMS320F2812是专用于电气控制与传动控制的集成32位DSp第一次使用芯片FLASH，采用多组总线并行机制，速度高达150MHz指令周期的频率保证了信号处理的实时性。
4.2IGBT驱动和保护
考虑到电源和驱动的要求，考虑到可靠性和经济性，为了减少体积，减少噪声干扰，提高驱动和保护性能，选择了驱动器HCLp316J驱动开关管IGBT。HCLp316J光电耦合器用于供应控制和驱动电气上的隔离，通过测量具有过流检测和保护功能IGBT两端饱和压降，当IGBT当流过电流过大如短路时，HCLp316J可阻止驱动脉冲并给出报警信号的同时，可以检测到危险。图4示出基于HCpL316J驱动电路的设计。
5·功率合成
由于设计的电源功率较大，为了进一步提高电源效率，有效实现大功率合成，并联输出整流二极管通过多个变压器串并联结构实现自动均流，如图1虚线框所示。为了进一步减少损个额定电流为400A、额定电压100V肖特基二极管并联。变压器由14个相同的小变压器组成，变比为4∶1。
各变压器的二次输出采用倍流整流方式，使变压器输出绕组无需中心抽头，简化了制造工艺。与全波整流模式相比，变压器匝比降低1/2，使变压器泄漏感小，变压器次级电压增加一倍，电流减少一半，输出绕组损耗大大降低；与桥式整流相比，倍流整流器使用的二极管数量减少了一半。倍流整流器是结合全波整流和桥式整流优点的整流器。这些措施最大限度地减少了电源的输出损耗，提高了效率。
6·分析实验结果
根据上述策略，在图1所示电路的基础上使用1.2kV/150A的IGBT开发了60个模块kW/20kHz(5kA/12V)输出电压电流可调大功率高频电镀电源。实验电路参数如下：三相输入电压Uin=380V(50Hz)，输出功率po=60kW，工作频率f=20kHz。图5示出采用Tektronix实验波形记录在示波器中。
理论分析、模拟和实验表明，电路易于实现三相单位功率因数和低电流畸变，可有效抑制三相大功率电镀电源的网络侧电流谐波；负载电压电流相位一致ZCS，减少开关损耗，提高电源利用效率。
7·结论
电源采用三相pWM高功率因数整流方法很好地解决了电镀电源电流的严重畸变问题；采用全桥软开关技术，实现零电压软开关，减少开关损耗和噪声，提高效率。基于TMS320LF充分利用2812电镀电源DSp控制电路采用稳压稳流自动转换法，实现输出稳压稳流自动切换，提高输出性能；通过变压器功率合成，增加电源容量，满足大功率应用的需要。模拟和实验证明，该电源具有相当大的推广和使用价值。
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