數位化高頻軟開關電鍍電源的製作方法
2023-11-01 07:21:37 1
專利名稱：數位化高頻軟開關電鍍電源的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種電鍍電源，具體是指一種數位化的大功率高頻軟開關電鍍電源。
背景技術：
傳統的電鍍電源主要以矽整流或晶閘管整流式為主，整流式電源比較可靠，技術上比較成熟，但設備體積龐大，笨重、能耗高、效率低，而且動態特性較差。較先進的硬開關逆變器，體積小、效率高，技術含量較高、附加值高，但器件的工作環境比較惡劣，開關損耗大，高次諧波會造成電網汙染，需吸收緩衝電路，逆變頻率的提高也受到限制。具體來說，大功率電鍍電源主要存在以下幾個方面的問題(1)可靠性問題 由於電鍍電源的使用環境惡劣，對其可靠性的要求很高。目前，普通電鍍電源由於其工作在潮溼、酸性環境下，且電磁幹擾、偏磁等原因，特別是在大功率情況下，電源存在可靠性不夠的問題。
(2)諧波幹擾 目前，市場上的高頻電鍍電源基本為硬開關工作方式，在開關過程中產生的諧波會回饋電網，對電網造成汙染；同時還會造成嚴重的電磁幹擾。
(3)電鍍電源的控制性能 在電鍍操作中，需要對電鍍電源的輸出電壓和輸出電流進行調節。傳統的電鍍電源控制操作的可控性差、動態響應速度較差，導致電鍍工藝質量問題。
(4)功率因數問題 硬開關工作的電源裝置，其工作波形都存在畸變，還存在高次揩波，降低了功率因數。
(5)高頻功率變壓器傳遞功率大，溫升嚴重，限於磁性材料生產水平以及電源生產成本，磁性材料窗口和有效導磁面積不可能太大，增加了變壓器結構設計、熱設計及電氣設計的技術難度。
發明內容
本發明就是為了解決上述現有技術中存在的不足之處，提供一種抗幹擾能力強，實現全範圍軟開關的數位化高頻軟開關電鍍電源。
上述發明目的可通過以下的技術措施來實現一種全數位化高頻軟開關電鍍電源，包括電磁兼容電路、整流濾波電路、移相式全橋軟開關逆變電路、高頻功率變壓器、磁開關、次級高頻整流濾波電路和基於DSP的全數位化控制電路，電磁兼容電路、整流濾波電路、移相式全橋軟開關逆變電路、高頻功率變壓器之間的輸出/輸入端依次串接，磁開關串接在高頻功率變壓器的次級輸出端與次級高頻整流濾波電路輸入端之間，DSP數位化控制電路的脈寬調製控制信號輸出連接全橋軟開關逆變電路的控制端；三相工頻交流電經過電磁兼容電路處理、整流濾波後變成平滑直流電，作為全橋軟開關逆變電路的母線電壓；由DSP數位化控制電路控制使逆變電路在零電壓下開通和關斷，從而得到25KHz的高頻高壓電，再經高頻功率變壓器變壓、磁開關和次級高頻整流濾波環節濾波後，獲得適合電鍍工藝需要的零到十二伏的直流電壓輸出。
本發明中所述高頻功率變壓器由兩個高頻變壓器連接而成，兩高頻變壓器的初級串聯、次級並聯，以拓寬電源功率輸出能力。
本發明所述高頻功率變壓器與DSP數位化控制電路中相應的採樣接口之間設有內環電流檢測反饋迴路，該電流採樣高頻功率變壓器原邊繞組的峰值電流。所述電源的最後輸出端與DSP數位化控制電路中相應的採樣接口之間設有外環輸出電流平均值檢測反饋迴路和外環輸出電壓檢測反饋迴路。這些反饋迴路調節DSP數位化控制電路的脈寬調製控制信號(PWM)的輸出，控制電源正常工作。
本發明設有溫度過熱保護電路，過熱保護電路與DSP數位化控制電路中相應的中斷信號輸入接口相連，溫度過熱保護電路中的溫度傳感器安裝於高頻功率變壓器的散熱器和次級繞組上。本發明還設有過流保護電路，過流保護電路與DSP數位化控制電路中相應的中斷信號輸入接口相連，過流保護電路的採樣電流為高頻功率變壓器原邊繞組的峰值電流和電源的最後輸出電流。以提高電源的可靠性和工藝適應性。
本發明DSP數位化控制電路採用TMS2407A的控制晶片和EXB841驅動晶片，更利於為數位化控制提供接口和平臺。
電鍍電源中DSP數位化控制電路的脈寬調製控制信號輸出方法，利用DSP中利用其中一個定時器A為超前橋臂的PWM輸出計數，另一個定時器B為滯後橋臂的PWM輸出計數，這兩個定時器的周期寄存器值相同；當定時器A的計數值達到周期的一半時，即產生該定時器比較中斷，然後在中斷子程序中通過根據上次採樣的電壓或電流，再和給定值進行比例積分運算的結果來改變定時器B中的實時計數值，從而實現了定時器B所控制的PWM輸出相對於定時器A所控制的PWM輸出的滯後。
本發明與現有技術相比，具有如下有益效果1.本發明採用帶磁開關的全橋移相零電壓軟開關拓撲結構(如圖2所示)。在傳統的基本移相全橋零電壓逆變器的基礎上，在變壓器的次級串接了兩個飽和電感(磁開關)，當通過的伏秒數低(電流小)時，處於高阻關斷狀態，伏秒數超過一定值後，電感飽和，低阻導通。這樣可以在次極整流二極體共同導通的時間內，既變壓器續流、非工作狀態內，將變壓器次級與整流電路斷開，使變壓器保持為電感狀態，通過合理設置激磁電感和勵磁電流，獲得合適的勵磁能量，拓寬滯後橋臂開關管的軟開關範圍，從而減小環流損失和佔空比丟失，使電源效率有較大改善；帶磁開關的移相式全橋逆變電路拓撲，能實現全範圍零電壓軟開關。
2.本發明採用全數位化控制，提高了電鍍電源的抗幹擾能力、自動化程度、為電鍍全自動化實現提供了平臺；另外數位化控制為實現電鍍系統的智能化控制。通過利用過程控制，可以將整個電鍍的工藝流程集中在一起，從而大大地提高了電鍍工藝的自動化程度和精確性。
3.本發明通過內環峰值電流控制模式和外環平均電流模糊控制相結合的雙閉環控制，大大改善了系統的穩態特性動特性及魯棒性，克服了偏磁現象。
4.本發明通過過溫、過流等多種有效保護措施，實現了對功率開關器件的實時監控和保護，提高了電源可靠性和工藝適應性。
圖1是本發明的原理整體框圖；圖2是本發明的主電路原理圖；圖3是DSP外圍控制電路原理圖；圖4是採樣的電壓、電流信號原理圖；圖5是驅動及驅動輔助電源電路原理圖；
圖6是DSP及運放的輔助電源電路原理圖；圖7是各保護電路原理圖；圖8是鍵盤控制及LCD液晶顯示電路原理圖；圖9是本發明的控制流程框圖。
具體實施例方式
如圖1所示，包括電磁兼容電路、整流濾波電路、移相式全橋軟開關逆變電路、高頻功率變壓器、磁開關、次級高頻整流濾波電路和基於DSP的全數位化控制電路，電磁兼容電路、整流濾波電路、移相式全橋軟開關逆變電路、高頻功率變壓器之間的輸出/輸入端依次串接，磁開關串接在高頻功率變壓器的次級輸出端與次級高頻整流濾波電路輸入端之間，DSP數位化控制電路的脈寬調製控制信號輸出連接全橋軟開關逆變電路的控制端；三相工頻交流電經過電磁兼容環節處理、整流濾波後變成平滑直流電，作為逆變環節的母線電壓(AC-DC)；由DSP的全數位化控制電路根據控制規則使逆變電路中開關管在零電壓下開通和關斷，從而得到25KHz的高頻高壓電(DC-AC)，再經高頻變壓器環節變壓、磁開關環節和次級高頻整流濾波環節濾波後，獲得適合電鍍工藝需要的零到十二伏的直流電(AC-DC)。
如圖2所示，工頻電網給風扇供電後接到整流模塊B1整流，壓敏電阻YM1-YM4用於吸收三相交流電及母線上的電壓尖峰，從而降低EMI的幹擾。之後連接到主要由電感L1、電容C2、C3、C4、C5、電阻R1、R2構成濾波環節濾成平滑直流電，再連接到主要由IGBT功率開關管VT1～VT4，諧振電容C6～C8構成的全橋逆變環節，協助軟開關的實現，經過逆變環節後的高頻(25KHz)方波信號經由並聯的兩個高頻變壓器T1、T2構成的高頻變壓環節降壓，兩高頻變壓器的初級串聯、次級並聯；降壓後經過串接在每個變壓器次級磁開關LS1、LS2、LS3、LS4，再經過由肖特基二極體D1～D16、續流二極體D17～D24、電感L2、電容C12、C13、C14、C15構成的全波整流濾波環節之後輸出直流電，以上環節構成功率主電路。
如圖3所示，數字處理晶片DSP TMSLF2407作為電鍍電源系統控制的核心，在本發明中DSP不僅代替了3875、3879等作為移相全橋控制的模擬控制晶片，並且系統的鍵盤輸入的控制以及LCD顯示都是由2407來完成。DSP的控制過程的實現見圖9。其中移相PWM輸出控制利用DSP中利用其中一個定時器A為超前橋臂的PWM輸出計數，另一個定時器B為滯後橋臂的PWM輸出計數，這兩個定時器的周期寄存器值相同。其實現過程是當定時器A的計數值達到周期的一半時，即產生該定時器比較中斷，然後在中斷子程序中通過根據上次PI算法的結果來改變定時器B中的實時計數值，從而實現了定時器B所控制的PWM輸出相對於定時器A所控制的PWM輸出的滯後，從而構成了PWM輸出。產生的PWM連接到圖5所示的4個驅動晶片(EXB841)的14、15管腳相連，驅動環節的輸出分別與逆變橋的四個開關管的G、E極相連，上述環節構成電源驅動環節。
如圖4所示，利用圖2中的內環電流檢測環節霍爾傳感器HALL1採樣到變壓器原邊的電流後，接到圖4中接口J10，經過電感L3濾去共模幹擾、電容C64濾除串模幹擾後，再經過運放IC10二階濾波放大後送到DSP的AD採樣接口SAMPI1(見圖3)，以上完成對內環電流的檢測。利用圖2中的外環平均電流檢測環節霍爾傳感器HALL2檢測到電源的輸出電流後，接到圖4接口J9，經過電感L4濾共模幹擾、電容C65濾除串模幹擾後，再經過運放IC10二階濾波放大後送到DSP的AD採樣接口SAMPI2(見圖3)，以上完成了對電源輸出電流的檢測。通過圖2的電壓檢測表M1輸出的電壓信號接到接口J8、然後接到接口J8進行濾除共模幹擾，電容C66主要是用來濾除引入的串模幹擾，然後通過運放IC15組成的二階低通濾波器濾除信號中的高頻部分，然後再接到DSP的一組AD轉換接口SAMPU(見圖3)，根據採樣的電壓電流，再由DSP的算法便得出四路移相的PWM，由54、56、62、65腳輸出，然後經過由一個與非門IC5、兩個與門IC6、IC7組成的防復位和程序死機而造成的直通的閉鎖電路(見圖3)。
如圖6所示，溫度傳感器直接安裝在散熱器和變壓器次級，然後連接到圖6的接口J13後經過再傳送到DSP的自定義中斷XINT1，當散熱片上溫度過高傳感器上兩個金屬片跳開，輸入到XINT1的信號由低變高，產生中斷，閉鎖PWM，顯示過熱保護。電流檢測(HALL2)檢測的輸出電流通過濾波放大後接到圖6中的Ipro，當Ipro超過設定的限值，輸入到DSP的PDPINTA端的電壓由高變低，產生中斷，閉鎖PWM，顯示輸出過流保護。同理，電流檢測(HALL1)檢測的變壓器原邊電流接到圖中的接口J11，引入的電流值經過整流後與設定值進行比較，超過設定值輸入到DSP的XINT1的電壓由低變高，產生中斷，閉鎖PWM，顯示原邊電流保護。其中圖6中接口J12為升級所預留的保護或自檢功能。另外還設置由R0和接觸器S1組成的合閘保護環節，合閘保護採取了兩個措施，一是在初級支流母線側採用了LC濾波，串聯一個大的濾波電感，一方面限制電流的增長速度，另一方面改善初級電流波形，減少高次諧波，提高功率因數；另一個措施是採用延時，保證主電路先導通，控制電路後導通，還可以在啟動瞬間，防止誤觸發而損壞功率器件。
如圖7所示，該圖是DSP和運放的電路所需的輔助電源環節。輔助電源的主要是由線形穩壓電源產生的，由工頻變壓器得到的15和8V交流電被線形穩壓電源7812、7805整成+12V、+5V的直流電。其中+12V為電路板模擬地部分電源，+5V為數字地部分電源。其中+5V電源由穩壓IC1117整成適合DSP供電系統所需的+3.3V穩壓電源。而由於DSP的AD轉換部分需要精確的參考電壓以提高AD轉換精度，所以利用高精密穩壓ICTL431將+12V轉換成+3.3V的基準電壓信號，同時通過一個射極跟隨器將該信號負載能力放大用於給AD轉換提供電源。
如圖8所示，該圖為LCD的接線圖和鍵盤的結構圖。通過鍵盤和LCD液晶顯示即可實現對電源的各種控制和顯示功能。
權利要求
1.一種數位化高頻軟開關電鍍電源，其特徵在於包括電磁兼容電路、整流濾波電路、移相式全橋軟開關逆變電路、高頻功率變壓器、磁開關、次級高頻整流濾波電路和基於DSP的全數位化控制電路，電磁兼容電路、整流濾波電路、移相式全橋軟開關逆變電路、高頻功率變壓器之間的輸出/輸入端依次串接，磁開關串接在高頻功率變壓器的次級輸出端與次級高頻整流濾波電路輸入端之間，DSP數位化控制電路的脈寬調製控制信號輸出連接全橋軟開關逆變電路的控制端；三相工頻交流電經過電磁兼容電路處理、整流濾波後變成平滑直流電，作為全橋軟開關逆變電路的母線電壓；由DSP數位化控制電路控制使逆變電路在零電壓下開通和關斷，從而得到25KHz的高頻高壓電，再經高頻功率變壓器變壓、磁開關和次級高頻整流濾波環節濾波後，獲得適合電鍍工藝需要的零到十二伏的直流電壓輸出。
2.根據權利要求1所述的數位化高頻軟開關電鍍電源，其特徵在於所述高頻功率變壓器由兩個高頻變壓器連接而成，兩高頻變壓器的初級串聯、次級並聯。
3.根據權利要求1或2所述的數位化高頻軟開關電鍍電源，其特徵在於所述高頻功率變壓器與DSP數位化控制電路中相應的採樣接口之間設有內環電流檢測反饋迴路，該電流採樣於高頻功率變壓器原邊繞組的峰值電流。
4.根據權利要求1或2所述的數位化高頻軟開關電鍍電源，其特徵在於所述電源的最後輸出端與DSP數位化控制電路中相應的採樣接口之間設有外環輸出電流平均值檢測反饋迴路和外環輸出電壓檢測反饋迴路。
5.根據權利要求1所述的數位化高頻軟開關電鍍電源，其特徵在於設有溫度過熱保護電路，過熱保護電路與DSP數位化控制電路中相應的中斷信號輸入接口相連，溫度過熱保護電路中的溫度傳感器安裝於高頻功率變壓器的散熱器和次級繞組上。
6.根據權利要求1所述的數位化高頻軟開關電鍍電源，其特徵在於設有過流保護電路，過流保護電路與DSP數位化控制電路中相應的中斷信號輸入接口相連，過流保護電路的採樣電流為高頻功率變壓器原邊繞組的峰值電流和電源的最後輸出電流。
7.根據權利要求1所述的數位化高頻軟開關電鍍電源，其特徵在於DSP全數位化控制電路採用TMS2407A的控制晶片和EXB841驅動晶片。
8.權利要求1所述的電鍍電源中DSP數位化控制電路的脈寬調製控制信號輸出方法，其特徵在於利用DSP中利用其中一個定時器A為超前橋臂的PWM輸出計數，另一個定時器B為滯後橋臂的PWM輸出計數，這兩個定時器的周期寄存器值相同；當定時器A的計數值達到周期的一半時，即產生該定時器比較中斷，然後在中斷子程序中通過根據上次採樣的電壓或電流值，以及給定值進行比例積分運算得出的結果來改變定時器B中的實時計數值，從而實現了定時器B所控制的PWM輸出相對於定時器A所控制的PWM輸出的滯後。
全文摘要
本發明公開了一種數位化高頻軟開關電鍍電源，包括電磁兼容電路、整流濾波電路、移相式全橋軟開關逆變電路、高頻功率變壓器、磁開關、次級高頻整流濾波電路和基於DSP的全數位化控制電路，DSP數位化控制電路的脈寬調製控制信號輸出連接全橋軟開關逆變電路的控制端，其他各電路的輸出/輸入端依次串接；三相工頻交流電經過電磁兼容電路處理、整流濾波後變成平滑直流電，作為逆變電路的母線電壓；由DSP數位化控制電路使逆變電路在零電壓下開通和關斷，從而得到25KHz的高頻高壓電，再經高頻功率變壓器變壓、磁開關和次級高頻整流濾波環節濾波後，獲得適合電鍍工藝需要的零到十二伏的直流電壓輸出。本發明抗幹擾能力強，實現全範圍軟開關。
文檔編號G05F1/565GK1794553SQ20051010155
公開日2006年6月28日 申請日期2005年11月28日 優先權日2005年11月28日
發明者杜貴平, 陳立軍, 林仲帆, 李樹強, 劉多亮, 李雄濤 申請人:廣州電器科學研究院