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采用同步整流技術的高頻開關鋁氧化電源

訪問:時間:2017-9-4 1:09:32

摘要:本文介紹了鋁合金表面氧化等電源的結構形式,分析了同步整流技術的原理及其在高頻開關鋁氧化電源中的應用,對該技術對電源效率的改善進行了分析,得出了采用同步整流技術的高頻開關電源的適用場合。

 

關鍵詞:鋁氧化電源;氧化電源;高頻開關電源

 

1. 概述

 

隨著工業生產技術及需求的提高,鋁及鋁合金材料經電化學處理后的應用日益普遍地應用于工業、建筑、軍事等各領域中,其中鋁型材氧化處理工藝過程中,氧化電源是其重要設備。從氧化電源的發展過程經歷了感應調壓器(或飽和電抗器)加整流變壓器及二極管整流器、整流變壓器加晶閘管整流器、高頻開關電源等多種方案。

 

從電源的輸出波形來看,有恒定直流電源、脈沖電源。不同類型的電源在體積、成本、效率方面以及對產品質量的影響成為極為關鍵的因素。

 

由于硬質氧化處理工藝過程中,電源長期處于低電壓、大電流輸出狀態,電源的功耗很高,其消耗的電能極為龐大,屬于高耗能產業,因此電源的效率是影響生產成本的重要因素。早期的感應調壓器(或飽和電抗器)加整流變壓器及二極管整流器、整流變壓器加晶閘管整流器方案由于存在體積龐大的工頻變壓器,使電源體積、重量較大。

 

在低壓大電流工作狀態下,變壓器、電抗器及晶閘管等元件的損耗較高,使系統整體的效率較低。隨著銅、鐵等原料資源的日趨緊張,裝置的整體造價不斷上升;此外裝置控制精度低,工藝過程缺乏科學合理的控制手段,也造成大量的電能損耗。

 

高頻開關電源在鋁型材氧化領域的應用近十幾年來得到迅速發展,隨著電力半導體器件的進步,高頻開關電源的輸出功率已可以滿足該領域大功率輸出的要求,由于采用了高頻變換、高頻變壓器及低壓降的肖特基二極管整流電路,取消了笨重工頻變壓器,使電源的體積和重量大幅度降低,同時電源的效率也得到了一定的提升。

 

同時由于采用高頻開關變換,控制周期和延時大幅度縮短,輸出波形的控制精度比傳統電源大大提高,特別是在脈沖電源領域(尤其是脈沖頻率較高的應用),成為主要的技術方案。

 

在高頻開關電源的輸出整流電路中,通常采用低壓降的肖特基二極管以降低該電

 

路產生的功率損耗,但由于鋁型材氧化處理工藝過程中,電源長期處于低電壓、大電流輸出狀態,高頻整流電路的損耗仍然是電源損耗的主要部分,以輸出額定電壓為22V的鋁氧化電源為例,該部分的損耗通常會占電源總損耗的近40%,若考慮電解銅箔電源7V的輸出額定電壓,則比例更將增加至約60%。因此降低該電路的功率損耗是提高電源效率的重要途徑之一。

 

同步整流技術是采用電力場效應晶體管(MOSFET)代替肖特基二極管完成高頻交流變直流的整流過程。該技術在小功率的計算機及其他信息電子設備電源中早已得到廣泛應用,但由于器件的承受電流能力及性能的制約,一直未能在大功率的電源領域得到應用。

 

隨著半導體器件技術的進步,同步整流技術已逐步在電鍍電源、銅箔電解電源等低壓大電流電源領域得到應用,對電源效率獲得了顯著的提升,大大降低了能源的消耗,提高了生產企業的經濟效益。

 

2. 采用同步整流技術的高頻開關電源結構及工作原理

 

高頻開關電源采用交流-直流-高頻交流-直流的多次變換過程,其典型的能量變換過程如圖1所示。其中高頻逆變電路采用絕緣柵雙極晶體管(IGBT)或電力場效應晶體管(MOSFET)將由工頻交流電整流獲得的直流電轉變為15kHz至上百kHz的高頻交流電,經高頻變壓器變壓、二極管整流后變為直流電,再經電感、電容濾波輸出平滑的直流。

 

在鋁表面氧化等低壓大電流輸出的電源中,由于輸出功率大,高頻逆變電路多采用IGBT元件,工作頻率一般為15-20kHz。為降低高頻整流電路中二極管的壓降,多采用肖特基二極管為整流元件。圖2為一典型的鋁表面氧化電源的主電路結構圖。

 

同步整流技術是為了減小高頻整流二極管的通態壓降,而采用MOSFET替代肖特基二極管,其電路結構如圖3所示。其工作原理為:在需要對應的器件開通時,由控制電路給MOSFET施加驅動信號,利用低電壓MOSFET具有非常小的導通電阻的特點,因此可以極大的降低整流電路的導通損耗,從而達到很高的效率。


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