铝型材表面氧化的高频开关电源

蓝文辉

（中国电器科学研究院股份有限公司 广州 510300）

概述

以晶闸管为核心的相控技术以其成熟性和可靠性在整流装置中被广泛应用，在大功率和特大功率的整流电源中仍不可替代。可控硅整流电源在铝加工行业（建筑铝材为主）的铝表面氧化得到过广泛应用，可控硅氧化电源具有主电路简单、技术成熟、可靠性高等优点，可以满足铝表面氧化不同工艺的需求、甚至特种工艺和特种波形的要求。随着科学技术的不断进步，可控硅整流氧化电源也有局限性，就是可控硅整流氧化电源采用大容量工频变压器和相控调压技术，整机转换效率低、产生大量谐波和功率因数低，需要配合专用的电力滤波补偿装置,还有可控硅氧化电源的设备体积庞大、重量重、安装空间大，这些缺点在发展过程成为被克服和提升的课题。可控硅氧化电源推动了铝加工表面处理工艺的发展，满足了我国铝加工发展阶段的需求，至今还有不少铝加工企业仍然保留可控制氧化电源，也将一段时间内存在。同时伴随着电力电子技术的不断进步,技术实现手段的日益完善,新型的大功率高频开关电源代替传统的可控硅整流器电源也逐渐成为一个新的发展趋势。以IGBT为核心器件的脉宽调制电源技术不断成熟和进步，逐步走到应用的前台，接受铝材行业工艺技术的充分的认证。高频开关电源具有效率高、功耗低、体积小、质量轻等显著优点，高频开关电源技术正在不断取代可控硅整流电源，成为主流产品。随着绿色能源和环保理念的普及,越来越多的人开始意识到节约能源的重要性。

高频开关电源采用高频逆变技术，可以输出许多特种波形，满足特种波形的氧化工艺，对工艺的适应性强。高频开关电源也被广泛应用于其他行业，例如：电子铝箔腐蚀和化成、电子铜箔的电解等等，总之高频开关电源是铝型材氧化电源发展的必由之路。

1 可控硅整流电源与高频开关电源

1.1 可控硅整流电源与高频开关电源原理比较

相控电源是指采用晶闸管作为整流器件的电源系统，其原理是交流输入电压经工频变压器降压，然后采用晶闸管进行整流，并通过移相控制以保持输出电压的稳定。

高频开关电源先将输入的工频交流电经整流滤波后得到直流电压，再通过功率变换器变换成高频脉冲电压，经高频变压器和整流滤波电路最后转换为稳定的直流输出电压。因其采用脉冲宽度调制（PWM）电路来控制大功率开关器件（功率晶体管、MOS管、IGBT等）的导通和截止时间，故可以得到很高的稳压和稳流精度及很短的动态响应时间。高频开关电源内部还应用了软开关技术和无源功率因数校正（PFC）技术，所以开机浪涌基本消除，功率因数大幅提高。

1.2 高频开关电源与晶闸管整流电源的技术性能对照表（表1）

从表1可以发现，由于高频开关电源比可控硅电源效率高、功率因素高及调节精度高等优势，加上核心器件IGBT等功率器件制造水平和质量比往年有了较大的提高，又有N+1冗余设计，高频开关电源完全可以实现大规模的工业应用，为铝合金表面氧化、特别是挤压铝材表面氧化节能减排、提升工业附加提供了很好的方案。

表1 输出电压17 V条件下技术性能对照表

2 二极管整流与同步场效应管（MOS）整流的高频开关电源

高频开关电源与可控硅整流电源在整流方式上有根本性的区别，可控硅整流电源采用相控技术，可控硅按相序触发开通控制输出；高频开关电源采用脉宽调制（PWM）技术，控制高频脉冲宽度调节输出。高频开关电源的整流方式有二种：二极管整流和同步场效应管（MOS）。二极管整流比较简单，与可控硅整流的整流部分的二极管整流的功能是一样的，通过二极管整流后输出，不同的是高频整流二极管必须是高速整流二极管。而采用场效应管整流方式就是采用通态电阻极低的功率MOSFET来取代整流二极管,控制MOS开通与IGBT开通时序保持一致，通过低损耗MOS输出，能大大降低整流电路的损耗,提高DC/DC变换器的效率,满足低压、大电流整流电源的需要。

2.1 二极管整流高频开关示意图（见图1）

图1 二极管整流高频开关示意图

高频开关电源的桥式整流、高频逆变及高频变压器是高频开关电源的主要部分，也是以IGBT为核心器件完成高频逆变，高频变压器完成高频电压变换，整流部分采用高速肖特基二极管（FRD）或快恢复二极管（SRD），最后输出铝氧化工艺要求的氧化电压。

2.2 场效应管高频开关电源示意图（见图2）

图2与二极管整流电路相比较，前面部分相同，只是后面的二极管换成了场效应管，整流的时序受到MOSFET的Vgs控制。

图2 场效应管高频开关电源示意图

2.3 二种整流方式的高频开关电源的适应性能

高频开关电源后面整流方式的不同，对于不同工艺的铝型材表面氧化的适应性也不一样。二极管整流由于器件耐压高，可以输出较高的直流电压，适应从普通氧化到高压硬质氧化的工艺；而MOS整流方式的场效应管耐压低，无法满足高压输出，不能应用于高电压（例如：硬质氧化）氧化的工艺。

高频开关电原由于整流器件的不同、器件压降也不同，最终的输出效率也有很大区别。虽然电源随着输出电压升高、整机效率升高，电压升高到一定程度时，二种整流方式最终效率非常接近。但是在铝合金表面普通氧化工艺条件下，输出电压一般在16～18 V左右，二种高频开关电源的效率差距还是比较大的。在普通氧化工艺的条件下，尽量采用同步整流方式是最好的选择。

2.4 二种高频开关电源的最大区别

二极管整流高频开关整流采用肖特基二极管或快恢复二极管，同步高频开关整流采用MOSFET有源器件，需要控制开通实现整流输出，见图3。

图3 二种高频开关电源区别

2.5 二种高频开关电源的效率比较

高频同步氧化电源采用基于MOSFET的同步整流技术，是目前低压大电流铝合金氧化电源最为节能的方案。采用低导通电阻的全控型器件场效应管MOSFET代替肖特基二极管，在主电路中起到高频整流功能。MOSFET相对于肖特基二极管的开关损耗极小。场效应管的典型压降值为0.2 V，肖特基二极管的典型压降值为0.6～0.8 V。额定电压为直流22 V的高频开关电源，MOSFET整流和肖特基整流折算至整机效率一般至少有2～4个百分点的差距。

2.6 高频开关电源的同步整流与二极管整流（表2）

表2 高频开关电源的同步整流与二极管整流

3 高频同步开关电源在铝表面氧化应用状况

3.1 高频开关电源与可控硅电源氧化膜对后续工艺的影响

高频开关电源在铝加工行业表面氧化使用十多年以来，也有不少的争议，主要集中在，可控硅电源和高频开关电源形成的氧化膜对后续工艺的影响，特别是在建筑铝型材行业，对后续的着色工艺、封孔工艺等的影响。我们知道，氧化工艺条件一样的条件下，氧化电压高低对氧化膜的膜孔结构是有一定影响的，也对后续的工艺的结果产生改变。可控硅电源输出的直流电的纹波系数比高频开关电源输出的直流的纹波系数要大得多（见图4），高频开关电源输出直流电几乎是一条直线，这是二种电源的最大区别。

图4 可控硅整流氧化电源输出波形图

我们还可以通过试验、观察氧化后的氧化膜的膜孔结构，就可以很直观地反应二种电源的区别，只要在相同工艺、输出电压一样条件下，在高倍电镜下观察、记录和对比，就可以证明对后续工艺的影响程度。

通过第三方检测报告，从图5～7可以看出：可控硅电源与高频开关电源氧化后形成的氧化膜的膜孔结构是一致的，也就可以证明对后续的工艺例如电解着色、电泳等工艺不会产生影响。

图5 第三方检测报告

3.2 同步整流与二极管整流高频开关电源的适应性

高频开关电源的损耗主要由3部分组成：功率开关管的损耗，高频变压器的损耗，输出端整流管的损耗。在低电压、大电流输出的情况下，整流二极管的导通压降较高，输出端整流管的损耗尤为突出。快恢复二极管（FRD）或超快恢复二极管（SRD）可达1.0～1.2 V，即使采用低压降的肖特基二极管（SBD），也会产生大约0.6 V的压降，这就导致整流损耗增大，电源效率降低。而同步整流采用低导通电阻的全控型器件场效应管MOSFET代替肖特基二极管，场效应管的典型压降值为0.2 V，在主电路中起到高频整流功能，整流损耗比二极管小。

图6 第三方检测报告

由于场效应管（MOSFET）与肖特基二极管（FRD）的耐压值不一样，肖特基比场效应管使用电源高，适合在高电压工况使用，即高频高压条件，例如：铝合金硬质氧化、电子铝箔低压化成等工艺条件；场效应管的典型压降值为0.2 V，在主电路中起到高频整流功能，整流损耗比二极管小，低压大电流使用工况下，整机效率高，例如：电子铝箔腐蚀工艺、电子铜箔电解及铝合金普通氧化等工艺条件，氧化工艺的电压越低，同步整流高频开关电源节能优势越明显。

3.3 同步整流与二极管整流高频开关电源在铝合金普通氧化工艺的效率

铝合金普通氧化工艺（16～18 V)应用广泛，在建筑铝合金、太阳能光伏等行业得到大规模使用，也是铝加工行业能耗较大的一个环节。我们通过第三方效率检测，就可以明白在铝加工行业大量使用的普通氧化工艺（16～18 V）、推广同步整流高频开关电源的依据。

图7 第三方检测报告

在不同电压工况下我们得到第三方检测报告（图8～10），我们从报告中可以得出，在铝合金普通氧化工艺条件下，同步整流高频开关电源的效率最高，也是未来值得推广的节能产品。

图8 可控硅整流氧化电源

图9 二极管整流高频开关电源

图10 同步整流高频开关电源

图11 同步整流高频开关电源的原理图

3.4 同步高频开关电源在铝合金普通氧化的应用

我们通过各种试验对比和认证，同步整流高频开关电源是铝合金普通氧化未来推广的重点。这几年来、特别是近五年来，同步整流高频开关电源在铝加工行业得到了充分的认证，在不断得改进中进步和提高，这条路是不由之路，需要坚定地走下去。近五年来，在国内建筑铝材、太阳能光伏铝材的铝表面立式氧化线、卧式氧化线等主流铝加工企业，大部分已采用了同步整流高频开关电源，也有不少铝加工企业正在改造、或已改造成为高频氧化电源设备。据不完全统计：到2020年底国内外投运的氧化电源中，同步高频开关电源的使用量超过3 000台套，保有量超过50 %。

3.5 同步高频开关电源的基本参数（以30 kA/22 V电源为例）

同步整流高频开关电源电源设备已基本实现标准化、系列化，可以满足不同氧化工艺电流等级的需求。

3.5.1 电气参数

1）采用高频软开关技术和基于MOSFET（场效应管）同步整流技术，实现高效率电能转换，整机效率≥94 %（适宜工况）。

2）额定直流输出功率：30 kA/22 V。

3）电源采用模块化结构，每台30 kA/22 V电源柜由10个3 kA/22 V单机模块组成。

4）直流输出电压：5～100 %额定连续可调。

5）直流输出电流：5～100 %额定连续可调。

6）控制系统采用全数字化技术，高精度控制，输出稳定精度：≤±0.5 %。

7）软启动时间：5～999 s任意设置。

8）软关断时间：5～999 s任意设置。

9）逆变频率：20 kHz。

10）逆变桥开关模式：软开关。

11）电源整机采用模块化设计，装设有独立的电源开关和水路切断开关，可单独投/切。

12）全数字化控制系统，功能丰富，适应各种智能化、自动化控制方式。

13）电源内部控制系统采用先进的基于CAN总线通讯技术，通讯速率为250 kbps，可靠性高。

14）噪声：≤60 dB。

3.5.2 主要功能

1）具有自动稳流（CC）/自动稳压（CV）模式，可切换。

2）具有稳流限压/稳压限流功能。

3）电源系统具用模块电流自动分配功能，当有单元模块发生故障或停止使用时，在不超出单元模块额定电流的情况下，系统能自动重新分配单元模块的电流以保证总输出稳定。

4）远控部分采用彩色触摸屏操作界面，可实时监控运行参数、运行状态、故障提示；可设置和存储各种生产参数；有急停按钮、结束提示和故障报警。

5）保护功能：电源单机模块具有模块最大电流、模块最高电压输出限制、模块过流、模块过压、模块超温等保护；电源整机具有过流，过压，缺相，欠压，冷却水超温，母排超温，水压异常，漏水检测、IGBT过电压吸收等完善的故障保护功能，确保故障时能快速停止设备输出，防止事故扩大；所有故障检测均有防抖动功能，确保故障保护不会误动作，提高设备可靠性。

6）具有故障报警记录和追溯功能，方便快速排查故障，恢复生产。

7）具有丰富的对外通讯功能：可按需求提供MODBUS RTU、MODBUS TCP/IP标准通讯接口，和生产线控制系统实现无缝连接。

4 结束语

铝合金表面氧化电源经过了长期的可控硅整流电源阶段，逐步到高频开关电源二极管整流的过渡阶段，再到目前大量应用的同步整流高频开关电源，每一次新技术、新产品的应用，不但带来产品技术性能的突破，还有主要的节能降耗指标方面得到提升。我国作为铝加工大国，每年铝合金表面氧化的数量（面积）非常庞大，也是铝加工行业主要的耗电环节，推广高频同步开关电源在铝表面氧化的应用，对行业的节能减排、提升工业附加值有重要的意义。