PDF《新一代节能开关式电镀整流器技术》

新一代节能开关式电镀整流器技术 朱嘉杰 依力柏电能有限公司(香港) 国内在过去的10年,电镀行业与线 路板制造业在其电镀生产工艺中,使用开 关式电源已经非常普及.

民用开关式电源 从1979年开始,最早应用在苹果的微形 电脑,到近年基本上已完全替代旧式矽钢 片的电源供应器,在电镀工艺的应用亦有 二十多年历史.然而中国近年发展迅速, 国内制造业不断壮大,对将来电力的需求 更为殷切.於是要配合中国长远电力发展 的要求,节能是必要的.因此,与电镀相 关的行业都需付出努力,对节能要执著, 找寻新的节能路向,并不能满足於传统开 关电源的节能效果.从来,电子行业发展 都是非常迅速,在过去多年,坊间已开发 了一系列崭新的功率电子元件与控制用 的集成电路,大大推动了开关式电源的发 展.笔者试从下文简单介绍,在现存的开 关电源上,各种增加节能的手段. 开关电源的工作原理 由於大部份电镀行业的工程人员与从 业员都是化工专业,他们对电源的认识, 不一定很全面.所以在开始介绍新节能手 段之前,先用一个简单的开关电源原理 图,描述它的工作原理,让大家有个初步 t解.在中学时代,每个学生都会从物理 课本学习得知,透过一个不同圈数比的简 单变压器,就能够将电压提升或降低.但 它有一个条件,它的工作模式只可在交流 电源进行,不能使用直流电源.然而电镀 工艺是使用直流低电压,高电流的模式, 所以需要一个整流器由市电(220V / 380V 交流电)转化成直流低电压来工作.图(1) 是一个简单前置式开关电源(定电流控制 模式)的原理图: 开关电源的主要损耗 从上述的工作原理图得知,开关电源 主要的损耗是由四个部分产生:- (1) 功率开关管的损耗. (2) 高频变压器的损耗. (3) 输出端整流管的损耗. (4) 检测电流的分流器损耗. (1) 改善功率开关管的损耗 因电镀用的开关式整流器大都是高功 率输出,由0.5KW-100KW不等.有这样 大的输出功率,绝大部分整流器的设计都 会采用全桥式的电路,如下图(2):- 传统的全桥式电路,是一组A和C的 功率管与另外一组B和D的功率管作交替 图(1) 前置式开关电源(定电流模式)的简单结构图

138 切换,产生交流电抗.这个切换是在 高压状态下瞬息进行,损耗非常大,称为 硬开关 (Hard Switching) .坊间己 开发一些新元件来降低这些损耗,它的方 法是使四个功率管有特定时序作出切换, 确保功率管几乎在零电压状态下切换,因 此损耗大幅减小,称为 软开关 (Soft Switching) ,行业上称为零电压切换 (Zero Voltage Switching). (2) 改善高频变压器的损耗 高频变压器的损耗可分为两类损耗, (1)磁通损耗和(2)铜损耗. (2.1) 磁通损耗- 因高频变压器是采用 铁氧体 (Ferrite Core),通过它磁通来偶合 传送能量.因此,整流器可采用较高运作 频率(200K Hz以上)的设计而选用较小磁 通损耗的铁氧体.但这只适合j效应管 (MOSFET)这类高速功率管.另外,它有 一个优点就是变压器体积可以减小,降低 元件的成本. (2.2) 铜损耗- 变压器机械外形可同时改为 平面 式 设计(Planar Transformer) .这类 外形的设计可使变压器绕铜线的空间增 大,利用较大的线径来减小铜的损耗.另外,它的偶合效果也比较好.最后都能够 增加高频变压器的效率. (3) 改善输出端整流管的损耗 传统开关电源在输出端都是选用萧特 基二极管(Schottky Diode)来进行整流处 理,虽然萧特基二极管是同类整流管中 是损耗最低的一类,但它的电压降仍然 有0.6V左右.试想想,当整流器在输出 1000A时,单单通过一组萧特基二极管时 的损耗时,就有(1000 x 0.6 = 600W)之多,损耗非常明显. 目前,行业己有新进展,利用同步整 流(Synchronous Rectification) 的技术 来改善.它弃用二极管,而采用在导通状 态时内阻极低(低至1m Ohm/1毫欧母)的 专用功率j效应管(MOSFET).它并联多 粒j效应管,使通过每粒j效应管电流降 低,以达到减小损耗的目的.现假设,一 个整流器同样通过1000A,j效应管的数 目是8粒,这样,通过它的电流会平均分 为125A,它的损耗会变成以下数式:- 导通损耗= 电流 x 电流 x 内阻 =