鋁型材表面氧化的高頻開關(guān)電源

藍文輝

（中國電器科學研究院股份有限公司 廣州 510300）

概述

以晶閘管為核心的相控技術(shù)以其成熟性和可靠性在整流裝置中被廣泛應用，在大功率和特大功率的整流電源中仍不可替代?？煽毓枵麟娫丛阡X加工行業(yè)（建筑鋁材為主）的鋁表面氧化得到過廣泛應用，可控硅氧化電源具有主電路簡單、技術(shù)成熟、可靠性高等優(yōu)點，可以滿足鋁表面氧化不同工藝的需求、甚至特種工藝和特種波形的要求。隨著科學技術(shù)的不斷進步，可控硅整流氧化電源也有局限性，就是可控硅整流氧化電源采用大容量工頻變壓器和相控調(diào)壓技術(shù)，整機轉(zhuǎn)換效率低、產(chǎn)生大量諧波和功率因數(shù)低，需要配合專用的電力濾波補償裝置,還有可控硅氧化電源的設備體積龐大、重量重、安裝空間大，這些缺點在發(fā)展過程成為被克服和提升的課題。可控硅氧化電源推動了鋁加工表面處理工藝的發(fā)展，滿足了我國鋁加工發(fā)展階段的需求，至今還有不少鋁加工企業(yè)仍然保留可控制氧化電源，也將一段時間內(nèi)存在。同時伴隨著電力電子技術(shù)的不斷進步,技術(shù)實現(xiàn)手段的日益完善,新型的大功率高頻開關(guān)電源代替?zhèn)鹘y(tǒng)的可控硅整流器電源也逐漸成為一個新的發(fā)展趨勢。以IGBT為核心器件的脈寬調(diào)制電源技術(shù)不斷成熟和進步，逐步走到應用的前臺，接受鋁材行業(yè)工藝技術(shù)的充分的認證。高頻開關(guān)電源具有效率高、功耗低、體積小、質(zhì)量輕等顯著優(yōu)點，高頻開關(guān)電源技術(shù)正在不斷取代可控硅整流電源，成為主流產(chǎn)品。隨著綠色能源和環(huán)保理念的普及,越來越多的人開始意識到節(jié)約能源的重要性。

高頻開關(guān)電源采用高頻逆變技術(shù)，可以輸出許多特種波形，滿足特種波形的氧化工藝，對工藝的適應性強。高頻開關(guān)電源也被廣泛應用于其他行業(yè)，例如：電子鋁箔腐蝕和化成、電子銅箔的電解等等，總之高頻開關(guān)電源是鋁型材氧化電源發(fā)展的必由之路。

1 可控硅整流電源與高頻開關(guān)電源

1.1 可控硅整流電源與高頻開關(guān)電源原理比較

相控電源是指采用晶閘管作為整流器件的電源系統(tǒng)，其原理是交流輸入電壓經(jīng)工頻變壓器降壓，然后采用晶閘管進行整流，并通過移相控制以保持輸出電壓的穩(wěn)定。

高頻開關(guān)電源先將輸入的工頻交流電經(jīng)整流濾波后得到直流電壓，再通過功率變換器變換成高頻脈沖電壓，經(jīng)高頻變壓器和整流濾波電路最后轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流輸出電壓。因其采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）電路來控制大功率開關(guān)器件（功率晶體管、MOS管、IGBT等）的導通和截止時間，故可以得到很高的穩(wěn)壓和穩(wěn)流精度及很短的動態(tài)響應時間。高頻開關(guān)電源內(nèi)部還應用了軟開關(guān)技術(shù)和無源功率因數(shù)校正（PFC）技術(shù)，所以開機浪涌基本消除，功率因數(shù)大幅提高。

1.2 高頻開關(guān)電源與晶閘管整流電源的技術(shù)性能對照表（表1）

從表1可以發(fā)現(xiàn)，由于高頻開關(guān)電源比可控硅電源效率高、功率因素高及調(diào)節(jié)精度高等優(yōu)勢，加上核心器件IGBT等功率器件制造水平和質(zhì)量比往年有了較大的提高，又有N+1冗余設計，高頻開關(guān)電源完全可以實現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)應用，為鋁合金表面氧化、特別是擠壓鋁材表面氧化節(jié)能減排、提升工業(yè)附加提供了很好的方案。

表1 輸出電壓17 V條件下技術(shù)性能對照表

2 二極管整流與同步場效應管（MOS）整流的高頻開關(guān)電源

高頻開關(guān)電源與可控硅整流電源在整流方式上有根本性的區(qū)別，可控硅整流電源采用相控技術(shù)，可控硅按相序觸發(fā)開通控制輸出；高頻開關(guān)電源采用脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)，控制高頻脈沖寬度調(diào)節(jié)輸出。高頻開關(guān)電源的整流方式有二種：二極管整流和同步場效應管（MOS）。二極管整流比較簡單，與可控硅整流的整流部分的二極管整流的功能是一樣的，通過二極管整流后輸出，不同的是高頻整流二極管必須是高速整流二極管。而采用場效應管整流方式就是采用通態(tài)電阻極低的功率MOSFET來取代整流二極管,控制MOS開通與IGBT開通時序保持一致，通過低損耗MOS輸出，能大大降低整流電路的損耗,提高DC/DC變換器的效率,滿足低壓、大電流整流電源的需要。

2.1 二極管整流高頻開關(guān)示意圖（見圖1）

圖1 二極管整流高頻開關(guān)示意圖

高頻開關(guān)電源的橋式整流、高頻逆變及高頻變壓器是高頻開關(guān)電源的主要部分，也是以IGBT為核心器件完成高頻逆變，高頻變壓器完成高頻電壓變換，整流部分采用高速肖特基二極管（FRD）或快恢復二極管（SRD），最后輸出鋁氧化工藝要求的氧化電壓。

2.2 場效應管高頻開關(guān)電源示意圖（見圖2）

圖2與二極管整流電路相比較，前面部分相同，只是后面的二極管換成了場效應管，整流的時序受到MOSFET的Vgs控制。

圖2 場效應管高頻開關(guān)電源示意圖

2.3 二種整流方式的高頻開關(guān)電源的適應性能

高頻開關(guān)電源后面整流方式的不同，對于不同工藝的鋁型材表面氧化的適應性也不一樣。二極管整流由于器件耐壓高，可以輸出較高的直流電壓，適應從普通氧化到高壓硬質(zhì)氧化的工藝；而MOS整流方式的場效應管耐壓低，無法滿足高壓輸出，不能應用于高電壓（例如：硬質(zhì)氧化）氧化的工藝。

高頻開關(guān)電原由于整流器件的不同、器件壓降也不同，最終的輸出效率也有很大區(qū)別。雖然電源隨著輸出電壓升高、整機效率升高，電壓升高到一定程度時，二種整流方式最終效率非常接近。但是在鋁合金表面普通氧化工藝條件下，輸出電壓一般在16～18 V左右，二種高頻開關(guān)電源的效率差距還是比較大的。在普通氧化工藝的條件下，盡量采用同步整流方式是最好的選擇。

2.4 二種高頻開關(guān)電源的最大區(qū)別

二極管整流高頻開關(guān)整流采用肖特基二極管或快恢復二極管，同步高頻開關(guān)整流采用MOSFET有源器件，需要控制開通實現(xiàn)整流輸出，見圖3。

圖3 二種高頻開關(guān)電源區(qū)別

2.5 二種高頻開關(guān)電源的效率比較

高頻同步氧化電源采用基于MOSFET的同步整流技術(shù)，是目前低壓大電流鋁合金氧化電源最為節(jié)能的方案。采用低導通電阻的全控型器件場效應管MOSFET代替肖特基二極管，在主電路中起到高頻整流功能。MOSFET相對于肖特基二極管的開關(guān)損耗極小。場效應管的典型壓降值為0.2 V，肖特基二極管的典型壓降值為0.6～0.8 V。額定電壓為直流22 V的高頻開關(guān)電源，MOSFET整流和肖特基整流折算至整機效率一般至少有2～4個百分點的差距。

2.6 高頻開關(guān)電源的同步整流與二極管整流（表2）

表2 高頻開關(guān)電源的同步整流與二極管整流

3 高頻同步開關(guān)電源在鋁表面氧化應用狀況

3.1 高頻開關(guān)電源與可控硅電源氧化膜對后續(xù)工藝的影響

高頻開關(guān)電源在鋁加工行業(yè)表面氧化使用十多年以來，也有不少的爭議，主要集中在，可控硅電源和高頻開關(guān)電源形成的氧化膜對后續(xù)工藝的影響，特別是在建筑鋁型材行業(yè)，對后續(xù)的著色工藝、封孔工藝等的影響。我們知道，氧化工藝條件一樣的條件下，氧化電壓高低對氧化膜的膜孔結(jié)構(gòu)是有一定影響的，也對后續(xù)的工藝的結(jié)果產(chǎn)生改變?？煽毓桦娫摧敵龅闹绷麟姷募y波系數(shù)比高頻開關(guān)電源輸出的直流的紋波系數(shù)要大得多（見圖4），高頻開關(guān)電源輸出直流電幾乎是一條直線，這是二種電源的最大區(qū)別。

圖4 可控硅整流氧化電源輸出波形圖

我們還可以通過試驗、觀察氧化后的氧化膜的膜孔結(jié)構(gòu)，就可以很直觀地反應二種電源的區(qū)別，只要在相同工藝、輸出電壓一樣條件下，在高倍電鏡下觀察、記錄和對比，就可以證明對后續(xù)工藝的影響程度。

通過第三方檢測報告，從圖5～7可以看出：可控硅電源與高頻開關(guān)電源氧化后形成的氧化膜的膜孔結(jié)構(gòu)是一致的，也就可以證明對后續(xù)的工藝例如電解著色、電泳等工藝不會產(chǎn)生影響。

圖5 第三方檢測報告

3.2 同步整流與二極管整流高頻開關(guān)電源的適應性

高頻開關(guān)電源的損耗主要由3部分組成：功率開關(guān)管的損耗，高頻變壓器的損耗，輸出端整流管的損耗。在低電壓、大電流輸出的情況下，整流二極管的導通壓降較高，輸出端整流管的損耗尤為突出。快恢復二極管（FRD）或超快恢復二極管（SRD）可達1.0～1.2 V，即使采用低壓降的肖特基二極管（SBD），也會產(chǎn)生大約0.6 V的壓降，這就導致整流損耗增大，電源效率降低。而同步整流采用低導通電阻的全控型器件場效應管MOSFET代替肖特基二極管，場效應管的典型壓降值為0.2 V，在主電路中起到高頻整流功能，整流損耗比二極管小。

圖6 第三方檢測報告

由于場效應管（MOSFET）與肖特基二極管（FRD）的耐壓值不一樣，肖特基比場效應管使用電源高，適合在高電壓工況使用，即高頻高壓條件，例如：鋁合金硬質(zhì)氧化、電子鋁箔低壓化成等工藝條件；場效應管的典型壓降值為0.2 V，在主電路中起到高頻整流功能，整流損耗比二極管小，低壓大電流使用工況下，整機效率高，例如：電子鋁箔腐蝕工藝、電子銅箔電解及鋁合金普通氧化等工藝條件，氧化工藝的電壓越低，同步整流高頻開關(guān)電源節(jié)能優(yōu)勢越明顯。

3.3 同步整流與二極管整流高頻開關(guān)電源在鋁合金普通氧化工藝的效率

鋁合金普通氧化工藝（16～18 V)應用廣泛，在建筑鋁合金、太陽能光伏等行業(yè)得到大規(guī)模使用，也是鋁加工行業(yè)能耗較大的一個環(huán)節(jié)。我們通過第三方效率檢測，就可以明白在鋁加工行業(yè)大量使用的普通氧化工藝（16～18 V）、推廣同步整流高頻開關(guān)電源的依據(jù)。

圖7 第三方檢測報告

在不同電壓工況下我們得到第三方檢測報告（圖8～10），我們從報告中可以得出，在鋁合金普通氧化工藝條件下，同步整流高頻開關(guān)電源的效率最高，也是未來值得推廣的節(jié)能產(chǎn)品。

圖8 可控硅整流氧化電源

圖9 二極管整流高頻開關(guān)電源

圖10 同步整流高頻開關(guān)電源

圖11 同步整流高頻開關(guān)電源的原理圖

3.4 同步高頻開關(guān)電源在鋁合金普通氧化的應用

我們通過各種試驗對比和認證，同步整流高頻開關(guān)電源是鋁合金普通氧化未來推廣的重點。這幾年來、特別是近五年來，同步整流高頻開關(guān)電源在鋁加工行業(yè)得到了充分的認證，在不斷得改進中進步和提高，這條路是不由之路，需要堅定地走下去。近五年來，在國內(nèi)建筑鋁材、太陽能光伏鋁材的鋁表面立式氧化線、臥式氧化線等主流鋁加工企業(yè)，大部分已采用了同步整流高頻開關(guān)電源，也有不少鋁加工企業(yè)正在改造、或已改造成為高頻氧化電源設備。據(jù)不完全統(tǒng)計：到2020年底國內(nèi)外投運的氧化電源中，同步高頻開關(guān)電源的使用量超過3 000臺套，保有量超過50 %。

3.5 同步高頻開關(guān)電源的基本參數(shù)（以30 kA/22 V電源為例）

同步整流高頻開關(guān)電源電源設備已基本實現(xiàn)標準化、系列化，可以滿足不同氧化工藝電流等級的需求。

3.5.1 電氣參數(shù)

1）采用高頻軟開關(guān)技術(shù)和基于MOSFET（場效應管）同步整流技術(shù)，實現(xiàn)高效率電能轉(zhuǎn)換，整機效率≥94 %（適宜工況）。

2）額定直流輸出功率：30 kA/22 V。

3）電源采用模塊化結(jié)構(gòu)，每臺30 kA/22 V電源柜由10個3 kA/22 V單機模塊組成。

4）直流輸出電壓：5～100 %額定連續(xù)可調(diào)。

5）直流輸出電流：5～100 %額定連續(xù)可調(diào)。

6）控制系統(tǒng)采用全數(shù)字化技術(shù)，高精度控制，輸出穩(wěn)定精度：≤±0.5 %。

7）軟啟動時間：5～999 s任意設置。

8）軟關(guān)斷時間：5～999 s任意設置。

9）逆變頻率：20 kHz。

10）逆變橋開關(guān)模式：軟開關(guān)。

11）電源整機采用模塊化設計，裝設有獨立的電源開關(guān)和水路切斷開關(guān)，可單獨投/切。

12）全數(shù)字化控制系統(tǒng)，功能豐富，適應各種智能化、自動化控制方式。

13）電源內(nèi)部控制系統(tǒng)采用先進的基于CAN總線通訊技術(shù)，通訊速率為250 kbps，可靠性高。

14）噪聲：≤60 dB。

3.5.2 主要功能

1）具有自動穩(wěn)流（CC）/自動穩(wěn)壓（CV）模式，可切換。

2）具有穩(wěn)流限壓/穩(wěn)壓限流功能。

3）電源系統(tǒng)具用模塊電流自動分配功能，當有單元模塊發(fā)生故障或停止使用時，在不超出單元模塊額定電流的情況下，系統(tǒng)能自動重新分配單元模塊的電流以保證總輸出穩(wěn)定。

4）遠控部分采用彩色觸摸屏操作界面，可實時監(jiān)控運行參數(shù)、運行狀態(tài)、故障提示；可設置和存儲各種生產(chǎn)參數(shù)；有急停按鈕、結(jié)束提示和故障報警。

5）保護功能：電源單機模塊具有模塊最大電流、模塊最高電壓輸出限制、模塊過流、模塊過壓、模塊超溫等保護；電源整機具有過流，過壓，缺相，欠壓，冷卻水超溫，母排超溫，水壓異常，漏水檢測、IGBT過電壓吸收等完善的故障保護功能，確保故障時能快速停止設備輸出，防止事故擴大；所有故障檢測均有防抖動功能，確保故障保護不會誤動作，提高設備可靠性。

6）具有故障報警記錄和追溯功能，方便快速排查故障，恢復生產(chǎn)。

7）具有豐富的對外通訊功能：可按需求提供MODBUS RTU、MODBUS TCP/IP標準通訊接口，和生產(chǎn)線控制系統(tǒng)實現(xiàn)無縫連接。

4 結(jié)束語

鋁合金表面氧化電源經(jīng)過了長期的可控硅整流電源階段，逐步到高頻開關(guān)電源二極管整流的過渡階段，再到目前大量應用的同步整流高頻開關(guān)電源，每一次新技術(shù)、新產(chǎn)品的應用，不但帶來產(chǎn)品技術(shù)性能的突破，還有主要的節(jié)能降耗指標方面得到提升。我國作為鋁加工大國，每年鋁合金表面氧化的數(shù)量（面積）非常龐大，也是鋁加工行業(yè)主要的耗電環(huán)節(jié)，推廣高頻同步開關(guān)電源在鋁表面氧化的應用，對行業(yè)的節(jié)能減排、提升工業(yè)附加值有重要的意義。