大功率高频开关电源节能技术的研究及应用

王 同

（安徽铜冠铜箔有限公司，池州 247100）



大功率高频开关电源节能技术的研究及应用

王 同

（安徽铜冠铜箔有限公司，池州 247100）

摘 要：采用成熟可靠的IGBT逆变整流技术和全数字化网络控制技术组成的大功率高频开关电源，解决了现有可控硅整流电源存在的效率和功率因素低的缺陷，并在电子铜箔生产中广泛应用，节能效果明显。

关键词：电子铜箔 高频开关电源 大功率 节能

引言

电子铜箔是电子信息产业的重要材料，大功率整流电源是铜箔生产中最重要的设备之一。一提到整流电源，人们马上就想到可控硅整流。这种传统的整流技术是通过对可控硅进行移相控制来获得的。铜箔行业所用的整流电源输出电压很低（DC4.5～7V），输出电流很大（DC40～55KA）。所以，传统的可控硅整流电源用于铜箔行业劣势明显，效率低（一般只有70%～80%左右）、功率因数低（一般只有0.6～0.85），运行成本高。尤其是在负载电压变小时，可控硅导通角变小，其效率会大大降低，谐波会大大增大。对于铜箔生产工艺来说，主要能耗为生箔机整流电源。因此，如果有高效的电源可以取代传统的可控硅整流电源，将会大大降低铜箔的生产成本。从铜箔行业的发展趋势来看，大功率高频开关电源将会逐步取代可控硅整流电源。本文将重点介绍大功率高频开关电源的节能技术研究及应用。

1 大功率高频开关电源的组成

1.1 电路原理

交流输入电压经过三相桥式普通二极管整流电路滤波后，得到较高直流电压；后经4只IGBT进行“高频逆变”，将高压直流逆变成约18KHz的高频交流；经高频变压器变换到次级，再通过肖特基二极管进行单相全波整流滤波，得到需要的输出电压。控制电路对输出电压和输出电流取样，闭环反馈后产生脉宽调制（PWM）信号，控制“功率转换”电路，使输出电压或电流保持稳定，原理框图如图1所示。

图1 单元机原理框图

其中，主电路原理图如图2所示。主电路前级部分采用三相桥式二极管整流电路，核心部分采用成熟的PWM控制IGBT逆变技术，后级高频整流部分则采用低损耗肖特基二极管单相全波整流电路。

图2 主电路原理图

1.2 整机原理

铜箔工艺要求直流电源的规格为50KA/7V，电流能连续可调，采用稳流技术，常年不间断运行。整机通过采用N+2台单元机并联来获得50KA电流，其中任意2台为冗余热备用单元，以提高系统运行的可靠性。如果正常运行中的某个子单元出现故障，系统将自动关闭故障单元机，并将故障单元的电流平均分配给其他单元机，使整机总输出电流不变。然后，切断故障单元机的电源，拆下故障单元机进行维修，整个过程不会影响正常生产。整机采用抽屉模块化结构，各单元底部带滑轮，易抽出，且单元机重量轻，多人即可搬下。此外，单元机维修采用不停机带电热更换。

在N+2台单元机并联的情况下，自动均流控制也是一项关键的技术。实验表明，当多台单元机并联输出电流不平均时与平均时比较，整机损耗约高0.5%～1%。为了提高整机效率，大功率高频开关电源采用基于虚拟阻抗平均自动均流控制技术。

针对多台高频开关电源单元机并联的均流问题，在分析单元机并联模型的物理特性基础上，拟采用基于虚拟电阻的电压反馈方法，将高频DC/DC变换器从控制上虚拟成一个具有内阻为K的可变电源。这样高频开关电源单元机控制上不受其物理内阻的限制，具有可控的输出特性，大大提高了装置的适应能力。当多台开关电源单元机并联时，采用一个相同的K值，使各台开关电源单元机在控制上具有输出特性，通过闭环控制方法实现多台并联高频开关电源的均流控制，提高整机效率和装置的可靠性。

为了保证系统稳定可靠运行，采用混合冷却方式。此外，单元机内开关器件的冷却采用纯水冷却方式，用纯水带走其热量；单元机箱壁安装散热风扇用来带走其余器件产生的热量。

表1 现场实际运行实测数据一览表

1.3 高频开关电源的控制系统

采用RS485网络控制方式控制N+2台单元机，利用两芯双绞屏蔽线通讯，全数字化网络传输；控制精度高、无衰减，抗干扰能力极强、通讯距离远（最远可达1.2km）。控制系统采用西门子PLC作为中央处理器，继电回路采用高可靠、节能型新型器件。所有控制转换均可由PLC进行控制，并可通过通讯接口与以太网进行数据通讯，传递有关数据。

主机的本地显示及操作面板采用西门子触摸屏进行远程监控，可对输出电流进行设定及控制；显示及查询主机各种故障信息（过压保护故障信号、冷却水压过低、水温过高故障信号、冷却水水位过低信号等）以及电解槽槽压情况。

2 大功率高频开关电源节能的机理

采用移相控制的可控硅整流电源为了达到稳流效果，一般要留3°～10°的控制角，且一般工作在额定输出的80%状态，导致功率因数低、损耗大、谐波大。而采用脉宽控制（PWM）的高频开关电源前级三相桥式整流和后级单相全波整流，始终工作在全开通状态，功率因数可达0.95以上，效率可达90%以上，减少了不必要的无功损耗，免除了功率因素补偿设备的投资成本。

高频开关电源整流元件及变压器损耗比可控硅整流电源小。一般高频开关电源整流二极管管压降为0.5V，高频变压器损耗约占二极管损耗10%左右。而可控硅整流电源整流二极管为0.7V，整流变压器损耗约占二极管损耗20%左右。以输出50KA/6V理论计算，高频开关电源损耗为P1=0.5×50+（0.5×50×10%）=27.5KVA，可控硅电源损耗为P2=0.7×50+（0.5×70×20%）=42KVA。损耗相比，高频开关电源比可控硅电源低35%。

由于高频开关电源采用N+2热冗余备用设计，所以在运行中可以不停机进行维修，保证了正常生产，提高了产量。

3 实际运行的节能效果

本单位生箔机上使用的整流电源有可控硅电源和高频开关电源，现场实际运行实测数据如表1所示。

从表1数据可知，高频开关电源与可控硅电源功率相差（269-225）=44KW，效率提高了16.4%。如果电价平均按0.72元/KW·h计算，则一台机一年可节约电费为：44×24×300×0.72=22.8万元（一年按300天计）。

对于无功损耗而言，从表1可知可控硅电源功率因素cos￠=0.712，而开关电源功率因素为cos￠=0.996。可见，线路上无功损耗大大降低（电缆及变压器无功损耗）。

此外，由于采用了冗余系统设计，生产上停机故障率也大大降低，促使产品成品率提高5%左右。

4 结束语

铜箔的生产成本主要为电能，每吨成品铜箔需要1万度电左右。这种大功率高频开关电源的使用大大降低了生产成本，提高了公司在市场竞争中的优势。公司从2009年一直运行到现在，至今运行效果良好，节能显著，且操作简单、维护方便。

参考文献

[1]王兆安，张明勋.电力电子设备设计和应用手册[M].北京：机械工业出版社，2002.

[2]王兆安，刘进军.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2009.

Research and Application of Energy Saving Technology for High Power High Frequency Switching Power Supply

WANG Tong
(Anhui copper foil crown Co. Ltd., Chizhou 247100)

Abstract:The traditional s ilicon controlled rectifier(SCR) power has defects of low efficiency and power factor, which now can be modified by the technology of high frequency switching power supply of high power. This power supply, comprising mature and reliable IGBT inverterrectifier technology and all-di gital network control technology, is widely applied in the production of electrolytic copper foil with significant energy savings.

Key words:electrolytic copper foil, high frequency switching power supply, high power, energy-saving