新一代节能开关式电镀整流器技术

(刊登於香港表面处理学会40週年特刊)

 

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，对节能要执着，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，让大家有个初步了解。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：-

(a) 功率开关管的损耗。

(b) 高频变压器的损耗。

(c) 输出端整流管的损耗。

(d) 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的功率管作交替切换，产生交流电効果。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。但这只适合塲效应管(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)的专用功率塲效应管(MOSFET)。它并联多粒塲效应管，使通过每粒塲效应管电流降低，以达到减小损耗的目的。现假设，一个整流器同样通过1000A，塲效应管的数目是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 = 125 x 125 x 0.001 = 15.625W

8粒塲效应管的总导通损耗会是 15.625 x 8=125W

要留意，塲效应管除了导通损耗之外，它还有规格书标称的开关损耗。它的损耗，总体来说不会比导通损耗为大。由上述两个损耗例子比较，假设导通损耗 = 开关损耗。

塲効应管的总损耗会是 125W X 2 = 250W。

结果是用萧特基二极管会比用塲效应管的总损耗多了(600-250)W =约350W

 

(4) 改善检测电流的分流器损耗。

 

因电镀工艺有定电流和定电压两种模式，自动化的电镀装置大多采用定电流的方法；而小规模的手动化电镀装置，则多采用定电压做方法。因行业主流都是采用自动化，因此每台电镀整流器都需要有定电流的模式，所以整流器内部的设计，一定要有一个检测电流手段，以控制输出的电流与设置的电流值一致。为达致要求，传统简单的做法是用一个电阻R(称为分流器-Current Shunt)来处理，当输出电流通过它时，分流器会检测两端的电压差来确定是否达到已预设的电流值。为减少损耗，一般这类分流器的电压降值都会设计在40毫伏-60毫伏(mV)之间。同样道理，它与电流通过整流管时一样会有功率损耗，损耗值会是：

1000A X 40mV = 40W

要减少这个损耗，可使用检测磁塲的方法。因电流通过一个导体时，它周边的磁塲与流通的电流值是有线性关系的。利用这个磁场值可无损耗地把整流器的输出控制在目标电流值，做到定电流效果。

 

功率因素(Power Factor)

除了上述改善开关电源的节能方法外，还需要有改善功率因素的要求。许多国家都对这类高功率的开关电源作出规限，严格管理这些从整流器所产生的谐波。一般而言，各国要求整流器的功率因素都要达到0.95以上，而欧盟国家对这个要求更甚。关於谐波的管理，中国亦早已在1994年颁布了《电能质量公用电网谐波》（GB/T 14549-93）的国家标准，对各级公用电网的谐波电压和用户注入电网的谐波电流允许值作出了明确规定。另外，中国电力工业部於1998年颁布了《电网电能质量技术监督管理的规定》。

 

谐波是什么

原来当电器装置应用交流电工作时，会有以下三种负载状态：-

(a) 纯电阻负载时(例如镀槽上的发热捧)，电压的波形与电流的波形并没有时间差(即同相位)，功率因素会是1。

(b) 如应用电路上含有电容时(例如电镀用的开关电源，照明的电子镇流器和LED驱动器等等)，电流的波形会超前於电压的波形而导致相位差，功率因素会小於1，形成无功功率的存在。

(c) 如应用电路上含有电感时(例如过滤泵的马达，通风抽气扇和空调的马达等等)，电流的波形会滞后於电压的波形而导致相位差，功率因素亦会小於1，形成无功功率的存在。

 

因为开关式电镀整流器，是一个非线性的电容负载。因此，它的功率因素非常低，大部分都在0.65之间。运作时，它会产生一连串谐波电流。这些谐波电流和谐波电压会在公用电网来回传动，使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率；同时，大量的三次谐波电流流过中性线时会使线路过热甚至发生火灾，对工厂的节能要求和安全生产都有严重影响。

 

塲效应管(MOSFET) 与 绝缘闸双极晶体管(IGBT) 的分别

两者都是功率开关管，塲效应管主要用於消费类的电源供应器，部分低功率的工业产品也有采用，而IGBT则主要用於工业用途。因为一般普及的塲效应管只可应用於DC650V左右的电压，而超过这个电压的MOSFET，会有比较大的损耗。故此只适合单相输入(AC220~230V) 的电器装置，其输出功率一般不会超过3KW。因为消费市塲有大量需求，所以MOSFET的价格是非常有竞争力。IGBT可应用的电压在DC1200V以上，它适合三相输入(AC380V) 的电器装置，而因为三相的应用，输入电源的电流亦容易达致平衡。所以大功率的开关整流器都是采用IGBT元件，但因为主要用於工业用途，数量不及消费类的产品，所以价格都比较贵。

 

在技术方面，MOSFET的运作频率可高达500K Hz以上，而IGBT一般都不会超过40K Hz。故此，由IGBT组成的整流器的体积都是大的；在结构上，内部的零件也比较多。

 

在损耗方面，MOSFET大部分都是它在导通状态下的内阻所构成，而新一代开发的MOSFET内阻都非常低，损耗比较小。IGBT的主体是个晶体管，它的损耗主要来自Vce的电压降(一般在1.7V之间)，故此与MOSFET比较，IGBT损耗会比较大；但它的应用电压高，也是它的优点。过去几年，已开始有厂家生产以碳化矽(Silicon Carbide)为材料的塲效应管，在日本已开始应用。它除了有保持低损耗和高频的优点外，还可以工作在超过DC1200V电压的地方。所以，从节能要求来看，在将来的整流器市塲，碳化矽塲效应管很可能会代替IGBT元件。但目前，碳化矽塲效应管的价格还是非常高，与现有的塲効应管比较，大概在8倍以上。

 

结论

(A) 在选择开关式电镀整流器时，应选有功率因素修正设置的器材。市埸上有有源功率因素修正器(Active Power Factor Correction-PFC)的整流器，功率因素一般在0.98或以上。

(B) 一台整流器如能集合上述改善损耗的设计，它的整体效率能够增加5%-10%。

 

朱嘉杰

依力柏电能有限公司(香港)