大功率高频开关电源在铜电解领域的应用

2020-09-22侯娟奇

铜业工程 2020年4期

安丽，侯娟奇

（江西铜业集团有限公司贵溪冶炼厂，江西贵溪 335424）

1 引言

江铜集团贵溪冶炼厂阴极铜产能达到100万t以上，单厂产能世界第一。贵冶通过不断的技术创新，装备升级，多项技术指标达到世界领先，引领着中国铜冶炼的不断进步。2018年电解车间建立铜电解工业试验平台，对新技术、新装备进行试验，对于提高企业技术水平、装备水平，提高竞争力有着非常重要的意义。该试验平台建立时，整流器采用了新一代的大功率高频开关电源［1］，对其使用效果进行了验证。

2 高频开关电源的工作原理

2.1 工作原理图

高频开关电源由主电路和控制电路组成［2］。主电路包括以下部分：输入输出滤波电路、整流桥、高频全桥IGBT逆变电路、高频功率变压器电压变换、全波同步整流电路，如图1所示。

交流输入电压经过整流电路滤波后，得到高压直流电，“变频转换”将高压直流电逆变成约15kHZ左右的高频交流，经高频变压器变换到次级，再经高频整流滤波得到需要的输出电压。

2.2 关键整流器元件

当今，世界最先进的功率半导体器件飞速进步，高性能半导体器件不断涌现，特别是近年来发展起来的高性能、低导通电阻、大电流MOS管［3］，作为整流器件，具有导通电压低（0.1～0.2V），反向恢复损耗很低的特点，大幅度降低了整流损耗，极大提升了开关电源的整体效率。比较适合低电压大电流的工作模式。铜电解过程，单槽槽电压（含线损）在0.3～0.4V，理论上能够使用该类型整流器。

图 1 高频开关电源工作原理图及组成

MOS管即在集成电路中绝缘性场效应管。MOS英文全称为Metal-Oxide-Semiconductor即金属-氧化物-半导体。在一定结构的半导体器件上，加上二氧化硅和金属，形成栅极。利用VGS来控制“感应电荷”的多少，以改变由这些“感应电荷”形成的导电沟道的状况，然后达到控制漏极电流的目的。在制造管子时，通过工艺使绝缘层中出现大量正离子，故在交界面的另一侧能感应出较多的负电荷，这些负电荷把高渗杂质的N区接通，形成了导电沟道，即使在VGS=0时也有较大的漏极电流ID。当栅极电压改变时，沟道内被感应的电荷量也改变，导电沟道的宽窄也随之而变，因而漏极电流ID随着栅极电压的变化而变化。

图 2 MOS管工作原理图

设每个MOS管的最大通过电流为52A，MOS管导通电阻为0.001欧姆，肖特基整流和MOS整流方式的效率计算如下（理论效率）。

直流输出电压（V）：Vo=7.0

基特二极管正向电压（V）：Vf=0.7

MOS管导通压降（V）公式=平均电流×导通电阻（V）：Vm=52×0.001=0.052

前级效率（包括EMI、三相桥式整流及移相全桥功率级）：ηf=0.995×0.98=0.975

肖基特二极管整流整机效率：ηd=ηf×[Vo/(Vo+Vf)]=0.886

MOS管同步整流整机效率：ηm=ηf×[Vo/(Vo+Vm)]=0.968

计算表明，同步整流模式比肖特基整流模式效率至少高8%～10%。

2.3 控制电路

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）信号控制逆变电路，使输出电压或电流保持稳定［4］。

图 3 高频开关控制电路原理图

2.4 控制系统

采用RS485全数字化网络传输［5］，不存在信号衰减问题，而且双绞线RS485网络抗干扰能力很强，即使偶尔受到干扰，它一定能通过FCS校验检测到，同时它有自我纠错功能，以及多次重复传输功能，所以它总能得到真实的、正确的而且与另一端没有误差的数据，网络控制系统采用西门子S7-200系列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买方综合控制工控机进行数据通讯，传递有关数据。同时，PLC还提供了信号的输入/输出控制信号接入点，可以将电源设备的联锁控制信号等上传到PLC中，还可以输出报警信息，还可以将控制信号下载到设备中。