高精度脉冲电镀电源

高精度脉冲电镀电源

张瑾黄念慈（四川大学，成都 610065）

赵彦春吴月涛（瑞勃电气公司，成都 610064）

摘要：开发了一台输出脉冲频率1000HZ、电流1500A、电压24V的高精度脉冲电镀电源。介绍了它的一些关键器件的设计计算和可靠性问题。

关键词：电镀电源脉冲高精度

1 引言

脉冲电镀工艺可以获得高质量的镀层，同时还可以节约镀层金属和降低生产能耗，因此近年来得到了广泛的发展。由于脉冲电镀工艺要求脉冲频率一般在500至1000HZ左右，传统的可控硅整流电源己无能为力。我们用大功率IGBT开发了一台输出1500A、24V，脉冲频率为1KHZ的高精度脉冲电镀电源。经过半年多的运行考核，证明设备的工作可靠，达到设计要求，满足了生产的需要。本文将介绍我们在开发过程中的一些经验和体会，如大功率IGBT和快恢复整流二极管的选择，缓冲吸收电路的计算，可靠性等等。

2 电源概述

电源的最大输出为1500A/24V，采用全桥式变换器方案，高频变压器次级用全波整流、LC滤波，其中主回路拓朴图见图1。用IGBT作开关元件，设计开关工作频率为20KHz，最小死区时间为7us，考虑到电源电压波动、元器件上压降、滤波电感Lf压降、线路压降等因素，选高频变压器原副边匝数比为10:1。

图 1 电源主回路

3 关键元器件的选择

IGBT和高频整流快恢复二极管是电源工作是否可靠的关键，又是材料成本的主要部分，选择合适的元件是设计的重点。除了一般应注意的电压、电流、安全工作区、安全系数、耗散功率等问题外，有两点容易被忽视。一是温度对参数的影响，有些生产厂商标的是25oC时的参数，有的标的是85oC时的参数，两者差别甚大。同一只管子，在25oC时可以通过150A，到85oC时就只能通过100A了，而管子的实际工作温度随工作环境的差异有时可能达100oC，设计时必须要充分考虑，向供应商索取有关曲线等资料作为设计计算依据；另一个比较容易被忽略的是电流有效值的问题，若以平均值代替有效值来进行计算，往往会造成过热损坏。

3.1 IGBT的选择

采用全桥式电路，高频变压器变比为10:1。当副边输出1500A时，流过IGBT的电流波形如图2，其稳态幅值为150A，宽度17us。平均值为I1(av)=150*17/50=51(A)

有效值为I1(RMS)= ==87.5(A)

后者为前者的1.7倍!

IGBT元件参数上给出的额定电流是直流连续平均电流IF(av)，而元件过流损坏一般是热效应引起的，因此计算时，应以实际流过IGBT的电流的有效值作为计算量，同时还要考虑到开关过程中的损耗发热、工作条件比较严酷等因素，应取2倍以上的安全系数。我们选用了200A/1200V的IGBT模块。

图2 IGBT电流图3 高频整流管电流

3.2 次级快恢复整流二极管的选择

变压器次级采用全波整流、LC滤波且L取较大数值。当输出1500A时，流过整流二极管上的电流波形见图3。其稳态幅值为1500A。平均值为I2(av)=750A

有效值为I2(RMS)===972.1(A)

后者为前者的1.3倍。

同样的，我们计算时应以有效值为依据。另外考虑到多管并联使用、换向损耗发热等因素，取1.5~2倍的安全系数。我们选用了400A/600V的模块(其浪涌电流IFSM=6200A)，4只并联。

4 IGBT的驱动和保护

IGBT的驱动和保护电路对保证IGBT的可靠工作是至关重要的。在IGBT的截止期间，VGS一定要保持有5V以上的负压，过流、短路保护措施必不可少，不能存在侥幸心理。自己用分立元件来做，元件参数较难保证，短路保护效果不易做好。我们是选用M57962L作为IGBT的驱动模块，事实证明效果还比较好。曾发生过一次主变压器副边短路故障，M57962L过流保护动作而使IGBT 免于损坏的情况。另外，在调试时，还不时发现有短路保护动作的尖峰脉冲、听到异常声音的情况，估计若没有短路保护，IGBT 必然会烧毁了，具体电路见图4。

此外，缓冲电路参数的选择和在工艺上使引线尽量地短是抑制开关尖峰电压的关键，图1中的吸收电容Cs1、Cs2、缓冲电阻R1~R4、缓冲电容C1~C4,最好能直接上到模块的C、E端子上，否则接线的电感会使电压尖峰抑制效果大打折扣。R、C参数的计算方法有许多，我们是这样选择的:

缓冲电阻R1~4≤Vcc/I1

缓冲电容C1~4=0.2I Lk/U

其中Vcc为直流母线电压，I1为IGBT关断前电流，Lk为主变原边漏感与线路电感的和，缓冲电阻的选择保证了当IGBT关断，电流转移到缓冲电路上时不会引起超过电源电压的尖峰。当然，实际上若缓冲电容太小，电容上电压上升很快，迭加上电流流过电阻的压降，也会导致VCE超过电源电压，但时间上要后延，幅度也有所减小，dv/dt的减小为箝位二极管导通、向Cs1、Cs2、和C1充电争取了时间，从而降低了电压尖峰的幅度。缓冲电容的选择使IGBT关断前存储在Lk中的能量约1/5转移到缓冲电容上，其余的消耗在缓冲电阻上和给吸收电容Cs、滤波电容C1充电。R取值太小，会出现振荡，R太大又会使电压尖峰过高，因此要适中。缓冲电容太大，会使缓冲电阻损耗发热严重；其太小，则抑制尖峰效果不好，因此，比较根本的解决办法是尽量减小主变漏感和引线电感，由于漏感不易计算准确，最后往往要以调试时实际情况决定R、C的参数相互配合调整。我们一般把VCE 的尖峰控制在800V左右。

图4 驱动及保护原理

5 结论

设备的可靠性是最重要的，要保证设备的可靠工作，一些关键元器件的计算和正确选择是很重要的。保证足够的安全裕度可能使生产成本稍有增加，但设备可靠性的增加会使售后服务费用大幅减小，最终还是经济合理的。此外，生产工艺对保证高频开

关电源可靠工作的作用不容忽视，如何做到结构合理，尽量减少引线接线长度，减少杂散电感，值得花功夫深入研究。对比国外的同类产品，我们就可以发现，安全裕度和生产工艺这两点是国内外产品的最大差距所在，这两点解决好了，产品的可靠性才有保障。

参考文献：

[1] 张占松，蔡宣三. 开关电源的原理与设计. 电子工业出版社，1998.

[2] 徐晓峰等. IGBT逆变器吸收电路的研究. 电力电子技术. 1998,3.

[3] 盛祖权，张立. 模块驱动及保护技术. IR公司2000年IGBT模块应用技术研讨会论文集. 西安. 2000,5.

[4] 秦祖荫. IGBT的过电流及其保护. IR公司2000年IGBT模块应用技术研讨会论文集. 西安. 2000,5.

作者简介：

张瑾（1976-）女，四川遂宁人，硕士研究生，主要研究方向为电力电子变流技术。