基于金属表面处理应用的电力半导体整流电源

摘要：介绍了金属表面处理用电力半导体整流电源行业国内的基本情况。分析国内电源设备所达到的水平以及与国外某些方面存在差距，得出应注重电源设备制作工艺水平提高、加强新技术的研究和应用。

主题词：电力半导体整流电源现状发展方向

我国电力半导体器件的开发应用始于六十年代，由于电力半导体器件具有能量消耗低、可靠性高、容易实现自动化控制等优点，成为变流技术发展的基础，得到了飞速发展。电力半导体器件被广泛应用于各个领域的整流、变频、逆变、调压等装备，是现代工业发展的重要支柱之一，也是电力电子整流电源发展的基础。

金属表面处理用电力半导体整流电源的品种较多，应用的行业有电镀、铝合金型材表面氧化、电子铝箔腐蚀和化成、电泳涂漆和表面氮化等。不同的行业使用的直流电源技术性能是不一样的，有些行业要求使用电压高达千伏，有的只有二伏;不少行业对直流纹波系数有严格的要求，例如：某些军工装备配件和耐磨性工件、电子铝箔腐蚀、化成等都对直流电源的纹波是有严格的要求;至于输出电流要求也相差悬殊，有的高达几万安培(例如：武汉钢铁公司电镀分厂使用了20KA的电镀电源)。随着电力半导体器件品种和技术水平的不断提高，在金属表面处理行业中发挥越来越重要的作用。

一、铝合金阳极氧化、电镀电源

长期以来，人们对金属表面处理过程，比较注重工艺技术、添加剂等方面的改进和提高，与表面处理相关的电源的性能和作用往往放在次要方面。金属表面形成和性能不仅与其工艺配方、添加剂有密切的关系，而且与电源技术水平息息相关，是工艺与设备配合的结果。随着我国铝加工、金属电镀、电泳涂装等行业的不断发展，一个年销售额超过200亿人民币的铝型材行业及年超过6亿平方米电镀面积的电镀工业已经形成，该类电力整流电源的需求量是有相当可观的。

铝合金阳极氧化、电镀电源主要特点是：电流大、电压低、功能较为简单及使用环境相对较差。八十年代引进的电源设备有共同的特点，就是电源的形式采用可控硅整流。可控硅整流电源具有节约能源、控制先进等特点。引进的电源设备各有特色，意大利、西德的氧化电源多为脉冲整流方式，日本、美国采用普通整流方式。在冷却设计方面，西德、美国的氧化电源以水冷为主，主变压器和汇流母排都设置了水冷管道，设备的密封性较好。日本、意大利却以风冷设计，主变压器和整流元件采用风冷，控制线路有良好的隔离密封，主变压器经过严格的绝缘密封处理，抗腐蚀性能好。以上产品使用中各有千秋，总体来说使用性能良好，可靠性高。而台湾产的氧化电源主要用油冷方式，主变压器甚至硅元件也浸在绝缘油中，整体密封性好。控制线路是日本产品的复制品，元器件多为进口。由于产品设计的缺陷，使用中的缺点、故障较多。

八十年代初我国整流器行业受到大功率半道体制造水平及一贯设计规范的制约，还处于发展较慢、技术水平落后阶段。采用可控硅形式的整流设备较少。八十年代后期，国家机械工业部对表面处理电源专门列项进行研究、公关。广州电器科学研究所作为承担单位之一，通过了解引进电源在国内的使用情况，主要解剖学习日本(例如三社、千代田等)风冷式可控硅整流氧化电源。在研制过程中主要突破了多方面的技术的问题：

(1)主变压器形式：氧化、电镀电源的关键部分是主变压器，其功率大、重量占整台设备重量百分之五十以上，也是节能的关键。研究解决主变压器结构形式是设计的难点。国外很早研究节能型、特殊结构整流变压器，特别是日本生产的大小功率的表面处理电源，采用三相五芯柱风冷、节能和特殊结构的变压器技术相当普遍。国内首先突破特殊变压器的理论计算、采用国产材料制造的工艺控制，同时改进了绕组方式，用小并联、多绕组有效地解决了大电流氧化电源的整流元件均流技术，为全风冷结构创造了条件。

(2)整流形式选择：全风冷式结构受到大功率半道体元件风冷散热器极限的限制，决定了整流元件必须小容量并联。由于国外半道体功率器件的生产技术、工艺条件比国内优越，产品的一致性好，因此采用电流容量更小的螺旋式二极管多个并联，均流系数仍然很高，国内却难于采用这种形式。因此，主变压器多绕组均流和平板型硅元件安装专用散热器小并联技术，成功地解决了大电流氧化电源采用全风冷形式的难题。

(3)控制电路：整流电源的控制电路是设备的"灵魂"。控制电路的先进性、可靠性和操作性直接影响电源的性能。国内一贯采用的控制电路结构、安装方式及控制性能等已不适用于整流电源的需要。为了迅速提高电源的