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技术丨采用同步整流技术的高频开关铝氧化电源


摘要:本文介绍了铝合金表面氧化等电源的结构形式,分析了同步整流技术的原理及其在高频开关铝氧化电源中的应用,对该技术对电源效率的改善进行了分析,得出了采用同步整流技术的高频开关电源的适用场合。


关键词:铝合金氧化;高频开关电源;同步整流


1. 概述


随着工业生产技术及需求的提高,铝及铝合金材料经电化学处理后的应用日益普遍地应用于工业、建筑、军事等各领域中,其中铝型材氧化处理工艺过程中,氧化电源是其重要设备。从氧化电源的发展过程经历了感应调压器(或饱和电抗器)加整流变压器及二极管整流器、整流变压器加晶闸管整流器、高频开关电源等多种方案。


从电源的输出波形来看,有恒定直流电源、脉冲电源。不同类型的电源在体积、成本、效率方面以及对产品质量的影响成为极为关键的因素。


由于硬质氧化处理工艺过程中,电源长期处于低电压、大电流输出状态,电源的功耗很高,其消耗的电能极为庞大,属于高耗能产业,因此电源的效率是影响生产成本的重要因素。早期的感应调压器(或饱和电抗器)加整流变压器及二极管整流器、整流变压器加晶闸管整流器方案由于存在体积庞大的工频变压器,使电源体积、重量较大。


在低压大电流工作状态下,变压器、电抗器及晶闸管等元件的损耗较高,使系统整体的效率较低。随着铜、铁等原料资源的日趋紧张,装置的整体造价不断上升;此外装置控制精度低,工艺过程缺乏科学合理的控制手段,也造成大量的电能损耗。


高频开关电源在铝型材氧化领域的应用近十几年来得到迅速发展,随着电力半导体器件的进步,高频开关电源的输出功率已可以满足该领域大功率输出的要求,由于采用了高频变换、高频变压器及低压降的肖特基二极管整流电路,取消了笨重工频变压器,使电源的体积和重量大幅度降低,同时电源的效率也得到了一定的提升。


同时由于采用高频开关变换,控制周期和延时大幅度缩短,输出波形的控制精度比传统电源大大提高,特别是在脉冲电源领域(尤其是脉冲频率较高的应用),成为主要的技术方案。


在高频开关电源的输出整流电路中,通常采用低压降的肖特基二极管以降低该电路产生的功率损耗,但由于铝型材氧化处理工艺过程中,电源长期处于低电压、大电流输出状态,高频整流电路的损耗仍然是电源损耗的主要部分,以输出额定电压为22V的铝氧化电源为例,该部分的损耗通常会占电源总损耗的近40%,若考虑电解铜箔电源7V的输出额定电压,则比例更将增加至约60%。因此降低该电路的功率损耗是提高电源效率的重要途径之一。


同步整流技术是采用电力场效应晶体管(MOSFET)代替肖特基二极管完成高频交流变直流的整流过程。该技术在小功率的计算机及其他信息电子设备电源中早已得到广泛应用,但由于器件的承受电流能力及性能的制约,一直未能在大功率的电源领域得到应用。


随着半导体器件技术的进步,同步整流技术已逐步在电镀电源、铜箔电解电源等低压大电流电源领域得到应用,对电源效率获得了显著的提升,大大降低了能源的消耗,提高了生产企业的经济效益。


2. 采用同步整流技术的高频开关电源结构及工作原理


高频开关电源采用交流-直流-高频交流-直流的多次变换过程,其典型的能量变换过程如图1所示。其中高频逆变电路采用绝缘栅双极晶体管(IGBT)或电力场效应晶体管(MOSFET)将由工频交流电整流获得的直流电转变为15kHz至上百kHz的高频交流电,经高频变压器变压、二极管整流后变为直流电,再经电感、电容滤波输出平滑的直流。




在铝表面氧化等低压大电流输出的电源中,由于输出功率大,高频逆变电路多采用IGBT元件,工作频率一般为15-20kHz。为降低高频整流电路中二极管的压降,多采用肖特基二极管为整流元件。图2为一典型的铝表面氧化电源的主电路结构图。




同步整流技术是为了减小高频整流二极管的通态压降,而采用MOSFET替代肖特基二极管,其电路结构如图3所示。其工作原理为:在需要对应的器件开通时,由控制电路给MOSFET施加驱动信号,利用低电压MOSFET具有非常小的导通电阻的特点,因此可以极大的降低整流电路的导通损耗,从而达到很高的效率。




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