基于DSP的高频软开关数字电镀电源的研究

朱 理， 黄辉先

（1.湖南信息职业技术学院，湖南 长沙 410200；2.湘潭大学，湖南 湘潭 411105）

基于DSP的高频软开关数字电镀电源的研究

朱 理1， 黄辉先2

（1.湖南信息职业技术学院，湖南 长沙 410200；2.湘潭大学，湖南 湘潭 411105）

随着工业电源功率不断增大，电源效率已成为一个主要指标。针对电镀行业大功率电源稳定、可靠、灵活的要求，设计了一种全桥移相控制软开关DC/DC数字化电源。通过Matlab/simulink建立了主电路仿真模型，仿真分析了超前桥臂和滞后桥臂实现零电压开关的设计原理，并对其进行了验证，同时采用TMS320F2812作为主控芯片，IGBT作为主开关，试制了一台24kW/20kHz的样机，实现了数字移相控制及全桥变换零电压软开关，实验波形验证控制方案的正确性与有效性。

移相控制；软开关；数字控制；电镀电源

0 前言

电镀是金属表面处理的重要方法，它是电能转换为化学能的过程。电镀电源的数字化技术意义重大。采用数字化技术，从电源的电气性能来看，可以应用现有电源的各种研究成果，通过系统软件实现软开关技术并降低电磁干扰，提高电源的稳定性和智能化程度；从电源的工艺效果来看，数字化电源由于控制策略调整灵活、控制精度高以及控制参数稳定性高，所以具有更好的工艺稳定性和更好的工艺效果及节能特征［1－2］。

本文设计了一种适合ZVS移相全桥的新型高频变压器结构，提出了数字化控制的优点，提出了智能积分型PI控制器在电镀电源中的应用。最后采用TMS320F2812作为主控芯片，IGBT作为主开关，试制了一台24kW/20kHz的样机，实现了数字移相控制及全桥变换零电压软开关。通过仿真及样机实验分析，表明此电源的动静态性能良好，实验波形验证控制方案的正确性与有效性。

1 移相全桥主电路分析

全桥电路的控制方式较多，目前研究较多的是移相控制方式。在这种控制下，全桥变换器可以实现零电压开关（ZVS）、零电压零电流开关（ZVZCS）和零电流开关（ZCS）三种软开关方式。移相控制ZVS PWM DC/DC全桥变换器主电路，如图1所示。它是利用变压器的漏感或原边串联电感和功率管的寄生电容来实现开关管的零电压开关。其中，D1～D4分别是Q1～Q4的内部寄生二极管，C1～C4分别是Q1～Q4的寄生电容或外接电容。Lr是谐振电感，它包括了变压器的漏感。每个桥臂的两个功率管成1 800互补导通，两个桥臂的导通角相差一个相位，即移相角，通过调节移相角来调节输出电压。Q1和Q3分别超前于Q4和Q2一个相位，称Q1和Q3组成的桥臂为超前桥臂，Q2和Q4组成的桥臂为滞后桥臂。

图1 移相控制ZVS PWM DC/DC全桥变换器主电路

本次设计的全数字化大功率软开关电镀电源的主电路采用的是移相控制ZVS PWM DC/DC全桥变换器。整体电路是电网50Hz，380V交流电经过整流后，由LC滤波器滤成直流电；然后由ZVS移相全桥电路逆变成高频交流方波；再由高频变压器降压后由肖特基整流；最后LC滤波成直流电供给负载［3－4］。

2 主电路参数计算

2.1 电源主电路

本文设计的电源主电路，如图2所示。50Hz，380V工业三相交流电经过D1～D6整流模块整流成脉动的直流后，经过滤波电感Li和滤波电容Ci滤波成直流电。然后由ZVS移相全桥电路将直流电逆变成20kHz高频交流方波。其中Q1，Q3为移相全桥的超前桥臂，Q2，Q4为滞后桥臂，Cb为隔直电容。Lr为变压器T1，T2的合成漏感，T1，T2为两个并联的高频变压器，变压器并联采用原边串联、副边并联的形式。由于副边电流之和为2 000A左右，所以副边采用16个肖特基二极管并联，如图中D7～D22所示。最后整流后的脉动直流电经过输出滤波电感Lo和滤波电容Co滤波成高质量的直流电供给负载。

图2 电镀电源主电路

2.2 高频变压器参数计算

高频变压器的匝数比按当输入母线电压最低、输出电压最高、有效占空比最大时设计。该电源的输入电压为三相380V交流电，又因为市网电压的波动范围是±10%，所以输入三相交流电的最小值为Udc＝380×（1－10%）＝342V。此时母线输出的最高电压为483V，以母线电压变化10%计算，则母线输出的最低电压为Udcmin＝483×（1－10%）＝435V。该电源设计的最大输出电压Uout为12 V，因为占空比的损失，假设最大有效占空比为Deff＝0.85，副边整流二极管上压降Urecd为0.7V，再加上副边整流电感上约0.3V的压降ULO，可以估算出变压器副边所需的输出电压Utransec为：

由以上分析及计算可知，母线上最低电压为435V，忽略管压降，隔直电容上最大压降设计为母线电压的5%，又由全桥电路前述的输出特点可知原边输入电压为：

变压器变比ktran为

为确保在母线电压最低时，输出电压能够达到12V，所以取原副边匝数比Ntran为27。

高频变压器匝数计算公式如下：

式中：Npri为变压器原边匝数；Vdcmin为电源输出12V时，原边电压的最低值；T为电源的周期；Δmax为最大占空比；B为磁芯的最大磁通密度；Ae为单个磁芯的有效磁通面积。

变压器原边的匝数为：

因为匝数比为27，且副边至少为1匝，所以原边变压器的匝数就为27匝，这样变压器的磁芯就预留了50%的磁通余量。磁通量密度的减小，可以大幅降低磁芯的铁耗，降低了变压器工作温升［5］。

3 电路实验分析

3.1 仿真实验分析

本次仿真的任务主要是利用Matlab的simulink仿真软件实现主电路在全数字化控制（TMS320F2812）下的运行情况。各个主要器件的模型建立之后就可以完成对整个主电路的仿真，如图3所示。工作条件：输入直流电压＋520V，工作频率20kHz，开关管并联电容C＝20nF，主电路原边漏感L＝20uH，比例参数Kp＝1，积分参数Ki＝0.1，滤波电感L＝1uH，滤波电容C＝45mF，Vo＝12V，负载R＝6mΩ。

图3 全数字控制仿真电路模型

图4为变压器原边电压和电流的波形。由该图可见，该仿真原边电压和电流波形与前面分析的移相全桥工作原理的结果是一致的。

图4 变压器原边电压和电流波形

图5为输出电流在2 000A时，S4的D，S两端的电压波形（幅值高的）和加在其G极的驱动波形（经过放大）。由图5可知：在开关管打开之前，D，S两端的电压已降为零，说明滞后桥臂的开关管实现了零电压打开。

图5 滞后桥臂两端电压及其驱动

3.2 样机实验分析

设计实例：全桥桥式拓扑，移相控制策略，输入电压Ui＝380V±10%，输出电压12V，额定容量Po＝24kW，开关频率Fs＝20kHz，变压器原、副边匝比为 N1/N2＝27/1，IGBT功率开关均选用西门子公司的BSM200GB120DN2（200A/1 200V），移相控制信号由 TI的 DSP TMS320F2812产生［6－7］。

图6为变换器功率开关的漏源电压和驱动电压波形，零电压开关（ZVS）良好的波形证实了理论分析的正确性。

图6 样机相关波形

4 结论

本文设计了一种适合电镀电源恒压和恒流模式运行的全数字化控制电路，智能积分型PI控制被采用到控制电路中，提高了系统的动态性能。采用全数字化PI控制实现了电源工作在恒压输出或恒流输出两种状态。设计了一种新型结构的变压器，该结构的变压器适用于移相全桥控制电路中，它不仅可以提供移相全桥为实现软开关而需要的漏感，而且开放式结构更有利于变压器散热，减小变压器的损耗，从而提高整机的效率。

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［1］刘海涛.大功率电镀用开关电源的研制［D］.西安：西安交通大学，2003.

［2］周洁.逆变电源的数字控制技术［J］.电焊机，2004，32（12）：8-10.

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A Study of High Frequency Soft Switching Digital Electroplating Power Supply Based on DSP

ZHU Li1， HUANG Hui-xian2
（1.Hunan College of Information，Changsha 410200，China；2.Xiangtan University，Xiangtan 411105，China）

As the power of industrial power supplies increases，power efficiency becomes a major indicator.According to the stable，reliable and efficient requirements on high electroplating power supplies，a soft switch DC/DC converter based on full-bridge phase-shifted control is designed；a simulation model of main circuit is established via the simulation software of Matlab/simulink；and the design principle of realizing ZVS in ahead bridge and lagging bridge is analyzed by simulation and proved.At the same time，with TMS320F2812as main control chip and IGBT as main switch，a 24kW/20kHz prototype is developed，realizing digital phase-shifted control and full-bridge zero voltage converting soft switch.The experimental waveforms have proved the correctness and validity of the control scheme.

phase-shifted control；soft switch；digital control；electroplating power supply

TN 86

A

1000-4742（2013）01-0036-04

2011-07-18