基于軟開關技術(shù)

1、編號 河南機電高等?？茖W校 畢業(yè)設計(論文) 基于軟開關技術(shù)逆變系統(tǒng)系 部： 自動控制系 專 業(yè)： 電氣自動化 班 級： 113 學生姓名： 李巖 學 號： 指導教師： 侯志堅 二零一四 年 四月摘 要本文針對硬開關型逆變器研究存在開關損耗大、頻率進一步提高困難等問題，介紹和研究了開關損耗小、頻率更高的軟開關型弧焊逆變器，并著重討論了相移控制串聯(lián)諧振式零電壓零電流軟開關全橋逆變的原理、特點以及它如何利用高頻變壓器漏感實現(xiàn)超前橋臂的零電壓開通和利用隔直流電容實現(xiàn)滯后橋臂的零電流關斷，此外，還對軟開關的技術(shù)特點進行分析和討論。相移逆變電路的全橋電路把軟開關技術(shù)和PWM控制技術(shù)有機結(jié)合在一起，從而在

2、大范圍內(nèi)實現(xiàn)PWM控制，而在功率器件的換流期間實現(xiàn)功率器件的零電壓軟開關技術(shù)，降低了開關損耗，減少了由于密勒效應引起的干擾現(xiàn)象，并且系統(tǒng)的體積和重量得以減少，功率器件所承受的開關應力也小，具有很大的優(yōu)越性。對比分析表明，軟開關型比硬開關型更具有優(yōu)越性和更值得推廣使用。關鍵詞：硬開關型逆變器；軟開關弧焊逆變器；零電壓零電流；PWM控制；相移控制串聯(lián)諧振AbstractThis article in view of the hard switch type inverter studies in switch loss. Frequency to further improve the diffi

3、culty, and introduced the research switch ullage small, frequency higher soft switch type arc welding inverter, and emphasizes the phase shift control series resonant zero voltage zero current soft switch the whole bridge of the inverter principle, characteristic and it how to use high frequency tra

4、nsformer leakage are ahead of the arms of the bridge realize zero open and use the dc voltage let realize the arms of the zero current lag bridge turned off, in addition, also with soft switch technology characteristics are analyzed and discussed. Phase shift inverter circuits of the whole bridge ci

5、rcuit of the soft switch technology and PWM control technology in combination with, large scale realize PWM control, and in the power of the device during the commutation realize power components zero voltage soft switch technology, and to reduce the switch loss, reduce the effect of the interferenc

6、e caused by miller phenomenon, and the system the bulk and weight be reduced power components are under stress switch is small, have a lot of advantages. Contrast analysis shows that, the soft switch type than the hard switch type has more advantages and more is worth popularizing.Keyword：Hard switc

7、hing type inverter; Soft switch arc welding inverter; Zero voltage zero current;PWM control; Phase shift control of network 目 錄第1章 緒論1第2章 軟開關技術(shù)基礎32.1 引言32.2 PWM脈寬調(diào)制原理32.3 開關與損耗42.3.1 軟開關發(fā)展的三階段42.3.2軟開關損耗4本章小結(jié)6第3章 軟開關的分類73.1軟開關型逆變主電路73.2 基本的軟開關逆變主電路介紹和了解73.2.1 零電流開關（ZCS）諧振逆變主電路73.2.2 零電壓開關（ZVS）諧振逆變主電

8、路73.2.3多諧振（MRC）逆變主電路83.2.4串聯(lián)諧振逆變主電路83.2.5并聯(lián)諧振逆變主電路93.2.6 E類逆變主電路93.2.7 直流母線諧振逆變主電路103.2.8 相移控制的全橋逆變主電路10本章小結(jié)12第4章 零電壓零電流PWM移相控制134.1軟開關型全橋逆變電路的拓撲結(jié)構(gòu)134.1.1單端軟開關型逆變主電路134.1.2軟開關型全橋逆變主電路134.2 相移控制電路及其新發(fā)展164.2.1 用飽和電抗器減少其占空比丟失的移相控制電路164.2.2 用雙電抗器整流的相移控制電路174.2.3 用輔助電路拓寬軟開關范圍的移相控制逆變主電路174.2.4相移控制的零電壓、零電流

9、開關電路184.2.5 相移控制的串聯(lián)諧振全橋逆變主電路19本章小結(jié)20第5章 軟開關逆變器在焊機中的應用215.1軟開關逆變器的主電路215.1.1降壓整流電路215.1.2 軟開關逆變電路225.2 控制電路26本章小結(jié)27第6章 軟開關的控制電路286.1 芯片UC3875286.1.1 工作電源286.1.2 基準電源296.1.3 震蕩器296.1.4 鋸齒波296.1.5 誤差放大器和軟啟動296.1.6 移相控制信號發(fā)生電路306.1.7過流保護306.1.8 死區(qū)時間設置306.1.9 輸出級316.1.10 調(diào)節(jié)及反饋31本章小結(jié)32結(jié)束語33致 謝34參考文獻35附錄1：軟

10、開關逆變電路的主電路圖36附錄2：控制電路圖37第1章 緒論開關電源具有效率高、體積小、重量輕等顯著特點。因此，近年來獲得了迅速發(fā)展并廣泛地應用于計算機、通訊設備、控制裝置及家用電器等電子設備中。目前，各國正在努力開發(fā)新器件、新材料以及改進裝配方法，進一步提高效率、縮小體積、降低價格，以解決開關電源面臨的新課題，即環(huán)境適配性，包括噪聲與諧波等的電磁適配性，同人類之間的安全適配性等。十多年來，以半導體功率器件為核心的PWM變頻調(diào)速以無可抗拒的勢態(tài)逐步取代著支流調(diào)速，并在產(chǎn)業(yè)的各個領域獲得廣泛應用，為提高產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量、生產(chǎn)過程自動化，節(jié)能和提高生活質(zhì)量起了重要作用。為使開關電源輕、小、薄，發(fā)展趨

11、勢是高頻化。而高頻化使傳統(tǒng)的PWM開關功耗加大，效率降低、噪聲增加。因此，實現(xiàn)零電壓導通、零電流關斷的軟開關技術(shù)將成為開關電源產(chǎn)品未來的主流。美國VICOR開關電源公司設計制造的多種ZCS軟開關DC|DC變換器系列，已經(jīng)商品化。加拿大北方電信公司已經(jīng)開發(fā)了全橋軟開關PWM通信用一次電源。近30年來，開關變換技術(shù)經(jīng)過了一個有“硬”至“軟”的過程。眾所周知，為了提高電源的可靠性，需要盡可能的減少損耗，降低功率管的溫升，減少功率管承受的電壓應力和電流應力。但對“硬”開關而言，由于損耗的存在，功率管的溫升、電壓和電流應力不可能太低，這樣不僅整機效率下降，對電源的可靠性帶來非常不利的影響。在這種情況下，

12、零電壓零電流ZVSZCS技術(shù)（即“軟”開關技術(shù)）應運而生！本文將主要介紹軟開關在弧焊電源中的應用?；『鸽娫吹墓β势骷阅M式或開關式進行工作和控制，在開關式弧焊電源中有硬軟型之分。硬開關型弧焊電源大多采用PWM控制技術(shù)，其功率器件工作在被強迫關斷（電流不為零）或強迫導通（電壓不為零），由于電路存在寄生電容和寄生電感，導通和關斷時有時是工作電流、電壓值不為零，甚至較大值的狀態(tài)，所以開關損耗大，此耗損隨著頻率增加正比增加，這一損耗不僅大大降低電路的效率，甚至使電路工作不能正常。為此，國內(nèi)外學者專家針對存在著的這個問題，又研究和開發(fā)了軟開關型弧焊電源。采用軟開關技術(shù)可以防御電磁干擾（EMI），采用P

13、WM變流技術(shù)可抑制諧波。而軟開關PWM變流技術(shù)則是上述兩者優(yōu)點的綜合。而軟開關型采用的是諧振變流技術(shù)。特點是功率器件在零電壓或零電流條件下自然開通或關斷。從本質(zhì)上克服硬開關弧焊電源的缺點，在較大程度上解決功率開關耗損過大的問題，并降低功率器件du/dt和di/dt，減少電磁干擾(EMI)和射頻干擾（RFI），降低了逆變器的重量，提高頻率，減少電路中變壓器、電感、電容的體積，降低輸出紋波，提高功率密度和系統(tǒng)動態(tài)性能。因而，軟開關技術(shù)尤其是在弧焊逆變器中的應用越來越多，從而使弧焊電源的水平又上了一個新臺階。軟開關型弧焊逆變器是一種有較大發(fā)展和應用前景的軟開關型弧焊電源，本文將以它為代表進行重點的討

14、論。第2章 軟開關技術(shù)基礎2.1 引言使用半導體功率器件的電力變換器正朝著高頻化發(fā)展，并得到越來越廣泛的應用。但是電力變換技術(shù)的進步和電力變換器的廣泛應用也帶來了電力公害，并已成為世人關注的社會問題。高頻化和大容量化使裝置內(nèi)部電壓、電流發(fā)生巨變，不但使器件承受很大的電壓電力應力，還在裝置的輸入輸出引線及周圍空間里產(chǎn)生高頻電磁噪聲，引發(fā)電氣設備的誤動作，這種公害稱為電磁干擾（Electro Magnetic Interference-EMI）。另一種公害是諧波，裝置的輸入電流波形嚴重失真，該波形里含有大量諧波，不但降低了電網(wǎng)成為一個重要課題。作為防御措施一般是，前者采取軟開關(Soft Swit

15、ching)技術(shù)，的功率因數(shù)，還給同電網(wǎng)的其他電氣設備造成故障。如何防御EMI和抑制諧波已后者采用PWM變流技術(shù)，而軟開關PWM變流技術(shù)則是上述兩者優(yōu)點的綜合。2.2 PWM脈寬調(diào)制原理脈寬調(diào)制（PWM）控制方式就是對逆變電路開關器件的通斷進行控制，使輸出端得到一系列幅值相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或所需要的波形。也就是在輸出波形的半個周期中產(chǎn)生多個脈沖，使各脈沖的等值電壓為正弦波形，所獲得的輸出平滑且低次諧波諧波少。按一定的規(guī)則對各脈沖的寬度進行調(diào)制，即可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。 在采樣控制理論中有一個重要的結(jié)論，即沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上，

16、其效果基本相同。沖量既指窄脈沖的面積。這里所說的效果基本相同。是指該環(huán)節(jié)的輸出響應波形基本相同。如把各輸出波形用傅里葉變換分析，則它們的低頻段特性非常接近，僅在高頻段略有差異。 根據(jù)上面理論我們就可以用不同寬度的矩形波來代替正弦波，通過對矩形波的控制來模擬輸出不同頻率的正弦波。例如，把正弦半波波形分成N等份，就可把正弦半波看成由N個彼此相連的脈沖所組成的波形。這些脈沖寬度相等，都等于 /n ，但幅值不等，且脈沖頂部不是水平直線，而是曲線，各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化。如果把上述脈沖序列用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替，使矩形脈沖的中點和相應正弦等分的中點重合，且使矩形脈沖和相應正弦部分

17、面積（即沖量）相等，就得到一組脈沖序列，這就是PWM波形。可以看出，各脈沖寬度是按正弦規(guī)律變化的。根據(jù)沖量相等效果相同的原理，PWM波形和正弦半波是等效的。對于正弦的負半周，也可以用同樣的方法得到PWM波形。 在PWM波形中，各脈沖的幅值是相等的，要改變等效輸出正弦波的幅值時，只要按同一比例系數(shù)改變各脈沖的寬度即可，因此在交直交變頻器中，整流電路采用不可控的二極管電路即可，PWM逆變電路輸出的脈沖電壓就是直流側(cè)電壓的幅值。 根據(jù)上述原理，在給出了正弦波頻率，幅值和半個周期內(nèi)的脈沖數(shù)后，PWM波形各脈沖的寬度和間隔就可以準確計算出來。按照計算結(jié)果控制電路中各開關器件的通斷，就可以得到所需要的PW

18、M波形2.3 開關與損耗2.3.1 軟開關發(fā)展的三階段軟開關技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷過高頻逆變器、緩沖電路和諧振開關三階段。負載帶有諧振電路的逆變器稱為正弦波逆變器或高頻逆變器。晶閘管時代，高頻逆變器作為開關損耗少的逆變器著稱，與整流電路組合一起的高頻環(huán)節(jié)DC-DC變流器可算是最早實用化的軟開關技術(shù)。為了避免器件損壞或誤動作，可使用抑制du/dt、di/dt的電壓緩沖器和電流緩沖器。利用緩沖器，器件本身的開關損耗能減少，并能實現(xiàn)軟開關動作。緩沖電路進一步發(fā)展，把電容和電感里積蓄的能量回饋到電源，稱為無損耗緩沖器。近年來，人們開始注意電動機控制用低頻大功率的軟開關技術(shù)。開關器件與諧振器結(jié)合構(gòu)成諧振開關，即

19、用軟開關器件代替單個的半導體開關 。1966年R . E .Morgan用晶閘管做過軟件仿真，既當今的ZCS。1975年N. O. Sokal提出“E級放大器”，使用兩個諧振器，使導通與關斷時的du/dt 、di/dt 、為零，對器件來說成為理想的軟開關。1984年開始，F(xiàn). C. Lee對零電流開關、零電壓開關進行了一系列研究，并起名為準諧振變流器，引起人們的共同重視。當時在小型DC-DC變流器上應用，開關頻率為0.52MHz，功率密度為100W/(50506)mm3。復式諧振變流器(MRC)對于降低噪聲很有效。2.3.2軟開關損耗弧焊電源的功率器件以模擬式或開關式進行工作和控制，在開關式弧

20、焊電源中有硬軟型之分。硬開關型弧焊電源大多采用PWM控制技術(shù)，其功率器件工作在被強迫關斷（電流不為零）或強迫導通（電壓不為零），由于電路存在寄生電容和寄生電感，導通和關斷時有是工作電流、電壓值不為零，甚至較大值的狀態(tài)，所以開關損耗大，此耗損隨著頻率增加正比增加，這一損耗不僅大大降低電路的效率，甚至使電路工作不能正常。為此，國內(nèi)外學者專家針對存在著的這個問題，又研究和開發(fā)了軟開關型弧焊電源。以軟開關工作方式的諧振變流技術(shù)，從控制方式上分有變頻控制和恒頻控制兩種，變頻控制電路分析、設計麻煩且控制復雜，易受干擾，輸出范圍小，磁性元件利用率不高。恒頻控制在常用PWM的基礎上，在逆變主電路中串入諧振電感

21、Lr和諧振電容Cr，利用控制系統(tǒng)中移相方波驅(qū)動開關器件，依靠反并聯(lián)二極管的續(xù)流，實現(xiàn)功率器件的軟開關控制。在全橋逆變主電路中，使對角線上的功率開關器件不同的開關和關斷，而是錯開一個時間間隔，以實現(xiàn)零電壓開通或零電流關斷，并調(diào)節(jié)橋路占空比來時間輸出電壓或電流的控制。這種控制方式參數(shù)設計比較便。輸出范圍大，電路結(jié)構(gòu)也相對簡單。本章小結(jié)本章主要介紹了軟開關發(fā)展歷程以及軟開關逆變的技術(shù)基礎，即PWM脈寬調(diào)制原理 ，同時介紹了電力電子技術(shù)的發(fā)展方向，也介紹了軟開關發(fā)展的三個階段及軟開關的損耗。第3章 軟開關的分類3.1軟開關型逆變主電路目前常見的軟開關型逆變主電路基本形式： 零電流開關（ZCS）諧振逆變

22、主電路； 零電壓開關（ZVS）諧振逆變主電路； 多諧振（MRC）逆變主電路； 串聯(lián)諧振逆變主電路； 并聯(lián)諧振逆變主電路； E類逆變主電路 直流母線諧振逆變主電路； 移相控制諧振逆變主電路；3.2 基本的軟開關逆變主電路介紹和了解3.2.1 零電流開關（ZCS）諧振逆變主電路如圖3-1a所示，零電流開關是指通過輔助的LC諧振元件、整型功率器件上的電流波形，使得功率器件在零電流的條件下自然關斷，實現(xiàn)器件的自然換流。零電流開關技術(shù)的優(yōu)點在于降低了器件的關斷損耗，對具有少子導電的功率器件如IGBT、BJT 等等，效果很好。此外，由于諧振電路的配置關系，使得電路對分布參數(shù)的敏感性降低。其缺點是流過有源開

23、關的電流是正弦波，導致有較高的電流有效值和電流峰值，另外，諧振電路的環(huán)流也產(chǎn)生了附加的導電損耗。在開通時，斷態(tài)時存在于器件輸出電容的能量，在器件內(nèi)部損耗掉，影響高頻工作時的效率。大電壓開通時的di/dt經(jīng)密勒電容與門極驅(qū)動電路耦合，引起對門極電路的干擾。3.2.2 零電壓開關（ZVS）諧振逆變主電路 如圖3-1b所示，零電壓開關是指通過輔助的諧振元件電感和電容，整型功率器件上的電壓波形，使得功率器件的輸出電容電壓在器件開通前降為零，為元件的開通創(chuàng)造零電壓條件，并消除器件寄生輸出電容相關的開通損耗，使得開關頻率大大提高。但是ZVS有兩個缺點，一個缺點是器件過大的電壓應力，此應力與電壓范圍成正比，

24、使得很難實現(xiàn)負載大范圍的ZVS。另一個缺點是由與諧振電容一起諧振的整流二極管引起，若是阻尼振蕩，則在高頻下一起過大的損耗，若是非阻尼振蕩，則對逆變器的電壓增益有一定的影響，因而可能引起閉環(huán)振蕩。3.2.3多諧振（MRC）逆變主電路如圖3-1c所示，多諧振逆變主電路是指在一個開關結(jié)構(gòu)中綜合零電壓與零電流開關的特性，諧振電容既與開關器件并聯(lián)，又與二極管相并聯(lián)，把開關器件和二極管都形成零電壓開關，其主要優(yōu)點是把所有的主要的寄生參數(shù)（功率器件的輸出電容，二極管的結(jié)電容和變壓器的漏感等等）都并入諧振電路內(nèi)，使得電路中的器件均在零電壓時導通，從而降低了開關損耗，提高了工作效率。以上三種電路缺點是調(diào)頻工作時

25、，器件所受的電壓電流應力大。 a）ZCS b）ZVS c）MRC圖3-1 零電流，零電壓，多諧振開關電路3.2.4串聯(lián)諧振逆變主電路如圖3-2所示，串聯(lián)諧振逆變主電路原來是為了功率開關器件自然換流而使用的。電感L、電容C、功率器件和負載串聯(lián)在一起形成一個欠阻尼電路，由于電路是欠阻尼的，引起震蕩，這樣流過功率開關的電壓出現(xiàn)自然過零現(xiàn)象。所以，串聯(lián)諧振逆變電路比較合適于恒定負載的電路，在串聯(lián)諧振逆變電路中，開關器件本身可以是反向二極管，既雙向開關；也可以是單向開關。圖3-2a、b分別為半橋串聯(lián)諧振逆變電路和全橋串聯(lián)逆變電路。a）半橋串聯(lián)諧振逆變電路 b）全橋串聯(lián)諧振逆變電路圖3-2 串聯(lián)諧振逆變電

26、路3.2.5并聯(lián)諧振逆變主電路在串聯(lián)諧振逆變主電路中，電感L、電容C、功率開關、負載是串聯(lián)在一起的。而在并聯(lián)諧振電路中，負載是與電容C并聯(lián)在一起的。電路也是欠阻尼的，使得流過開關器件的電流自然過零實現(xiàn)零電流開關。在晶閘管中頻爐常常采用這種方法實現(xiàn)晶閘管的自然換流，如圖3-3a、b分別以半橋并聯(lián)的諧振電路和全橋并聯(lián)的諧振逆變電路?？梢钥闯?，無論是串聯(lián)諧振逆變電路還是并聯(lián)諧振逆變電路，其輸出功率的調(diào)節(jié)是依靠調(diào)節(jié)頻率來進行的。由于電路中的電流或電壓是正弦的，電路中功率器件受到很大的應力，與電路的Q值成正比。 a）半橋并聯(lián)的諧振電路 b）全橋并聯(lián)的諧振電路 圖3-3 并聯(lián)諧振逆變主電路3.2.6 E類

27、逆變主電路E類逆變主電路是與E類放大電路改進并由串聯(lián)諧振逆變改型而成。其電路如圖3-4所示，E類逆變主電路的優(yōu)點是消除開關損耗，減少電磁干擾。主要缺點是有較大的峰值電流流過開關，開關器件承受較大的電壓應力。圖3-4 E類逆變主電路3.2.7 直流母線諧振逆變主電路1986年，美國威斯康星大學的D.M.Divan教授提出“諧振直流環(huán)逆變器（諧振環(huán)）的概念”，對于軟開關技術(shù)應用逆變器起了很大的推動作用。在直流輸出端和逆變器之間接入一個LC振蕩電路，這樣具有恒定直流電壓的母線變成一個高頻直流脈動或高頻交流母線，從而在母線上出現(xiàn)電壓過零現(xiàn)象，掛在這樣母線上的逆變器又派生出很多新的拓撲結(jié)構(gòu)。諧振直流環(huán)逆

28、變器基本電路如圖3-5所示，利用諧振元件Lr和Cr及諧振控制開關VT1在逆變器的輸入直流電路產(chǎn)生諧振，把輸入直流電壓轉(zhuǎn)換為一系列高頻脈沖電壓供給逆變器，其優(yōu)點是整流、諧振、逆變?nèi)N功能組合電路，功率器件實現(xiàn)零電壓開關條件與負載無關，易于控制。a）逆變器電路b） b）波形圖圖3-5 諧振直流環(huán)逆變器電路和波形諧振直流環(huán)逆變器的主要缺點是：1 直流環(huán)節(jié)振蕩電壓幅值較大，一般為兩倍以上的電源電壓。2 為了使L、C振蕩電路每次過零點，需設置附加電路補充振蕩電路的能量損耗，以提供足夠的能量使振幅值過零點。 3 由于只能在U=0時，才能切換開關狀態(tài)。諧振直流環(huán)逆變器只能采用離散脈沖調(diào)制的方法來控制。3.2

29、.8 相移控制的全橋逆變主電路相移控制全橋軟開關的逆變主電路是在PWM全橋逆變主電路基礎上發(fā)展起來的。由于其開關頻率恒定，在大范圍內(nèi)實現(xiàn)PWM控制，而在功率開關器件換流瞬間實現(xiàn)軟開關換流，減少了開關損耗，降低硬開關造成的干擾，提高了系統(tǒng)的可靠性，相移控制全橋開關逆變電路綜合了PWM控制技術(shù)的優(yōu)點和軟開關的優(yōu)點，所以其一出現(xiàn)，便受到了人們的青睞。相移控制的全橋逆變主電路，是利用主電路功率器件本身 的二極管導通時，開通功率器件，實現(xiàn)零電壓開通的，主電路根據(jù)控制信號的不同，分為超前橋臂和滯后橋臂，兩者工作情況不同。相移控制的全橋逆變電路主電路和驅(qū)動信號時序如圖3-6所示，其詳細情況下面將會介紹。根據(jù)

30、導通的次序，VT1、VT3稱為超前橋臂，VT2、VT4稱為滯后橋臂。以上各種各樣的軟開關逆變主電路的應用，能夠使得功率器件的開關軌跡大為改變，拓寬功率器件的安全工作區(qū)，降低了開關耗損和過大的du/dt和di/dt現(xiàn)象，減少干擾，克服了常規(guī)硬開關型逆變電路的缺點，但同時也帶來新的問題，主要有以下方面：由于大多數(shù)軟開關電路是依靠L、C振蕩使得電路產(chǎn)生零電壓或零電流開關條件的，L、C振蕩所產(chǎn)生的正弦波具有較高的電壓或電流的有效值，通常會使導電耗損有所增加，功率器件所受的電壓與電流的應力都要不相應的硬開關PWM逆變功率器件承受的壓力大，并且該應力隨電路的Q值和負載變化而變化。大多數(shù)軟開關電路均是依靠改

31、變開關頻率來改變逆變器的輸出，開關頻率大范圍變化使得濾波器、變壓器設計難以優(yōu)化，干擾難以抑制。由于用調(diào)頻來調(diào)節(jié)輸出，負載變化大時，相應的電壓和電流調(diào)節(jié)范圍比相應的PWM逆變電路窄，超前一定范圍后,逆變電路不能達到零電壓或零電流開關條件，不能達到滿載（短路）或空載，由于存在以上種種問題。迄今為止，應用較好的例子基本不變或變化不大的各種電路。 a）相移控制主電路 b）驅(qū)動信號時序圖圖3-6 相移控制主電路和驅(qū)動信號時序圖本章小結(jié)本章詳細介紹了軟開關型逆變主電路的主要分類，針對硬開關型弧焊逆變器研究存在的開關損耗、頻率進一步提高困難等問題，介紹研究了開關損耗小，頻率更高的軟開關弧焊器，并著重討論了相

32、移控制串聯(lián)諧振式零電壓零電流軟開關全橋弧焊逆變器的原理、特點等。第4章 零電壓零電流PWM移相控制4.1軟開關型全橋逆變電路的拓撲結(jié)構(gòu)目前，由于歷史的原因，弧焊逆變器大多數(shù)采用單端逆變、半橋逆變和全橋逆變電路。一個合理的構(gòu)造軟開關型弧焊逆變器的思路，就是在這三種電路的基礎上構(gòu)造出來的。合理的軟開關型逆變電路的研究方向，應該是綜合PWM控制技術(shù)逆變電路及軟開關技術(shù)的優(yōu)點。理想的軟開關逆變器應該是實現(xiàn)了開關頻率恒定，而在功率器件換流階段，實現(xiàn)功率器件的軟開關換流（零電壓或電流開通和關斷）。開關頻率恒定，以利于與頻率有關的器件，如變壓器、電感、電容的優(yōu)化設計，并且可以避免以調(diào)頻方式調(diào)節(jié)輸出功率時，主

33、電路功率器件所受的過大的開關應力，而軟開關技術(shù)的使用則避免硬開關電路的缺點。4.1.1單端軟開關型逆變主電路對采用單端正激或單端反激為主電路的逆變器來說，可以采用零電壓（ZVS）或零電流（ZCS）技術(shù)來實現(xiàn)軟開關逆變技術(shù)，但采用輔助的電感和電容來達到零電壓或零電流的開關條件會增加電路的復雜性。電路的逆變調(diào)節(jié)使得電壓或電流的應力較大。4.1.2軟開關型全橋逆變主電路為了使輸出功率能夠夠大，逆變器主電路結(jié)喉往往采用全橋逆變電路。目前適合采用軟開關技術(shù)的全橋逆變電路有：全橋串聯(lián)諧振逆變電路；全橋并聯(lián)諧振逆變電路：高頻直流諧振環(huán)逆變電路；移相控制全橋逆變控制電路。全橋逆變電路的主電路如圖4-1所示，實

34、現(xiàn)軟開關即是實現(xiàn)功率器件VT1、VT2、VT3、VT4的零電壓開關或零電流開關，有根據(jù)負載方式實現(xiàn)零電壓或零電流開關的，這就是全橋諧振逆變電路，全橋并聯(lián)諧振逆變電路以及它們的組合電路，也有根據(jù)控制方式實現(xiàn)功率器件的軟開關逆變技術(shù)的，移相控制全橋逆變控制電路就屬于這種方式。（1）全橋串聯(lián)、并聯(lián)諧振逆變主電路 對全橋串聯(lián)逆變主電路而言，既可以實現(xiàn)零電壓開關，又可以實現(xiàn)零電流開關，具體的情況要根據(jù)開關頻率和負責的情況來決定，其基本原理如下：假設在一定的頻率下，保證負載是感性，感性負責電壓超前電流。在逆變過程中，換流是在橋臂之間進行，關斷VT1、VT2時，電流轉(zhuǎn)移到VD3、VD4（如全橋逆變PWM主電

35、路），詳細通斷和換流過程將在下面結(jié)合移相電路一起介紹。VT1、VT2，VT3、VT4均可以實現(xiàn)零電壓開通，如果負載是容性負載，則由于容性負載電流超前電壓，換流是在橋臂內(nèi)部完成，既是電流從VT1、VT2轉(zhuǎn)移到VD1、VD2，所以VT1、VT2、VT3、VT4均可實現(xiàn)零電流關斷，這也是中頻晶閘管加熱爐常常采用容性負責方法使晶閘管自然關斷方法，以上是采用負載諧振來實現(xiàn)功率器件軟開關的方法，輸出功率調(diào)節(jié)主要依靠調(diào)節(jié)頻率來調(diào)節(jié)，需要有的范圍線性度好的壓控諧振器（VCO），電路匯總器件所受的應力與電路的Q值成正比例。圖4-1 全橋PWM逆變主電路（2）半橋串并諧振逆變電路 L.Malesani等提出了一個

36、關于半橋零電壓軟開關逆變器，原理是利用開關頻率比電路諧振頻率高，負載呈感性，如圖4-2a所示，關斷VT2后，由于是感性負載，電流從VT2轉(zhuǎn)移到VD1，所以VT1可以實現(xiàn)零電壓開通。同理，而且，通過電感和電容的適當選擇，使得電路具有串聯(lián)諧振電路和并聯(lián)諧振電路的優(yōu)點，抑制這兩種電路的缺點。實質(zhì)上是在重載甚至短路時，RL值很小，電容CP相當于短路，電路可自動限制短路電流；而在空載時，RL是無窮大，有電流流過電容CP，使得電路具有可控性，并且空載損耗比并聯(lián)諧振電路要小。其主電路和交流等效電路如圖4-2b所示。（3）相移PWM逆變主電路 常用相移PWM主電路也如圖4-1所示，它實質(zhì)也是PWM控制、功率器

37、件VT1、VT2、VT3、VT4導通的順序如圖3-6b所示，其中VT1、VT2、反相、VT3、VT4反相，沒只開關導通1800（實際上有死區(qū)限制避免直通）。VT1、VT3管導通時刻不變，是先導通的器件（超前橋臂），控制VT2、VT4（滯后橋臂）導通深刻，使VT2管和VT1管導通深刻相差00至1800，VT3與VT4類似，當VT1、VT2移相為00時，輸出最大。VT1、VT2移相角為1800時，逆變器無輸出。相移PWM電路實現(xiàn)零電壓開關，是依靠功率器件本身反并聯(lián)的二極管先導通，實現(xiàn)零電壓開通的，工作原理如下：假定負載是電感性負載，實現(xiàn)零電壓開通的，工作原理如下：假定負載是電感性負載，根據(jù)控制策略

38、，VT1先導通，VT2經(jīng)一定移相角后導通，電流方向由正極經(jīng)A、B流向負電源，此時電源向負載輸出功率，VT1關斷后，電流由VT1換流到VD3，VT3管可在零電壓下開通（VD3開通后，VT3兩端電壓近似為零），電流處于環(huán)流階段，方向是ABVT2VD3A，此時Uab=0V，L*di/dt=Uab（假若R=0），電流衰減很慢，然后VT2關斷，電流由VT1換流到VD4，VT4管可在零電壓下開通。此時，電流處于泵升階段，但由于此時UAB等于電源電壓值，L*di/dt=Uab，電流衰減的很快，故VD4開通時間短，滯后管VT4零電壓開通有一定的限制范圍，在輕載或電感量小時，往往難以實現(xiàn)零電壓開通。圖4-2中，

39、Uab是一次A、B的側(cè)電壓，US是二次側(cè)電壓，I1是一次策開始向二次側(cè)傳送功率的電流值，Ip是時一次側(cè)電流的最大值（超前管關斷時的值），I2是半周期滯后管關斷時的值，如果二次側(cè)電感足夠大， 輸出可視為恒流，則I1、I2、Ip可認為相等。在一、二次側(cè)電流值未上升到I1時，電流上升率（slope）為Ui/Ir,在一，二次側(cè)電流值上升到I1后電流上升率（slope）為（Ui-U0）/L2，（假定變壓器匝比是1，Ui、U0分別是輸入、輸出電壓），由于漏感Lr的存在，輸入Uab，輸入Us兩者脈沖寬度不一致，存在占空比丟失現(xiàn)象（占空比丟失現(xiàn)象是指在兩個基本點對角的開關管導通時，由于電流上升率慢，電流沒有及

40、時上升到二次側(cè)所需的電流，此時雖有正向脈沖，但變壓器一、二次側(cè)沒有聯(lián)系）。選擇漏感過大，或者附加電感，又影響輸出功率使得占空比丟失現(xiàn)象更為嚴重。從波形圖得，二次側(cè)的有效占空比是： Deff=D-D （41）D是變壓器一次側(cè)由控制給出的占空比，D是丟失的占空比，由相移電路的波形圖可得： D=I1+I2/UiT/Lr*2 （42） a）半橋串并聯(lián)諧振逆變電路 b）交流等效電路圖4-2 半橋串并聯(lián)諧振逆變電路及其交流等效電路4.2 相移控制電路及其新發(fā)展相移逆變電路的全橋電路把軟開關和PWM控制技術(shù)有機結(jié)合在一起，在大范圍內(nèi)實現(xiàn)PWM控制，而在功率器件的換流期間，實現(xiàn)功率器件的零電壓軟開關技術(shù)，降低

41、了開通損耗，減少由于密勒效應引起的干擾現(xiàn)象，并且系統(tǒng)的重量和體積得以減少，功率器件所承受的開關應力也減少，具有很的的優(yōu)勢。但是，相移PWM控制全橋逆變電路仍然有缺點，這是它本身的控制技術(shù)引起的，其超前臂橋是利用變壓器的漏感和輸出電抗器的儲能，實現(xiàn)零電壓開通，所以超前管的零電壓開通范圍很大，但滯后管的零電壓開通范圍，往往通過增加依次側(cè)的電感，使得脈沖占空比丟失現(xiàn)象比較嚴重，并且電感的增大導致逆變器的直流傳輸比與負載有關，環(huán)流導通損耗更大，開關器件承受的應力也較對應的PWM逆變換流電路更大，并且電感的增大可能導致分布電容和電感產(chǎn)生不必要的震蕩，增加開關噪音。為了克服移相PWM控制全橋逆變電路的缺點

42、，使之能得到廣泛的應用，各國學者不斷努力，在相移PWM控制全橋逆變電路的基礎上提出了一系列的改進方法，主要集中在改善滯后零電壓開關范圍窄的問題，著重在兩個方面：一是采取措施，拓寬滯后管的零電壓開通范圍，二是把滯后管構(gòu)造成零電流關斷的軟開關，目前在這幾方面都取得了進展，為應用到大功率的場合打下了基礎。4.2.1 用飽和電抗器減少其占空比丟失的移相控制電路增加飽和電抗器的方法可以用來減少其占空比丟失，這個飽和電感設計成具有飽和區(qū)和線性區(qū)兩個部分，臨界點電流為Ic,當電流沒有超前臨界點電流時，飽和電抗器處于線性區(qū)，其儲存的能量與電流的平方成正比，當電流超前過臨界點電流后，儲存的能量不變，其主電路參照

43、圖4-3，但在這里應該該用電抗器Lg來代替漏感Lr。飽和電感的使用范圍還帶來以下好處：減少了開關管在自然續(xù)流時的通態(tài)損耗；可以選擇固定的延遲時間；大大減少了整流二極管的結(jié)電容和漏感的寄生震蕩。但是，在采用飽和電抗器后，滯后管零電壓開通窄的問題依然沒有得到解決。圖4-3 輸出雙電抗器整流的相移控制主電路圖4.2.2 用雙電抗器整流的相移控制電路NH Kutkut等提出采用雙電抗器整流的移相控制電路，在相移PWM全橋逆變電路的基礎上，二次側(cè)采用雙電抗器整流，其主電路也如圖4-3所示，它也是采用相移控制的方式，超前管的導通與常規(guī)的相移電路完全一樣，其滯后管也是利用儲存在二次側(cè)電抗器儲能實現(xiàn)零電壓開關

44、，并且有效地減少了占空比損失的問題，是比較有前途的逆變電路。4.2.3 用輔助電路拓寬軟開關范圍的移相控制逆變主電路JGCho等采用輔助電路拓寬軟開關范圍的相移控制逆變電路，為了解決滯后橋臂的零電壓范圍窄的問題，在滯后橋臂增加輔助電路來拓寬滯后管的零電壓開通范圍，其主電路如圖4-4所示，圖4-4 用輔助開關的相移控制零電壓開關逆變電路圖其工作方式如下：首先VT1、VT2導通，VT1關斷后，電容C1充電，電容C3放電，VT3可以零電壓開通，對超前橋臂來說，零電壓開通與常規(guī)的相移控制電路一樣；在VT2關斷時，電容C2充電，電容C4放電，如果變壓器的漏感儲存的能量不夠，在C4放完電后，VD4不能導通

45、，則滯后管VT4不能導通，則滯后管VT4不能涼電壓開通，目的為了輔助滯后管實現(xiàn)零電壓開通，在VT2關斷前，開通輔助開關，則輔助電感LR儲能線性增加，當輔助電感儲能增加到一定值后，VT2與VT1同時關斷，輔助電感的儲能和變壓器漏感的儲能一起使得電容C2充電，電容C4放電，輔助電感的電流通路是輔助開關VF2的反并聯(lián)二極管。這樣，電容C4放電后，VD4導通，滯后觀VT4實現(xiàn)零電壓開通，并且漏感儲能和輔助電感的儲能同時返還電源。由于主電路中無須采用另外的電抗器實現(xiàn)零電壓開通，其占空比損失與硬開關全橋逆變電路一樣，也是基本沒有損失，環(huán)流損失也很小，如果忽略變壓器本身的漏感，直流傳輸比也完全與負載無關，其

46、缺點是需要兩個輔助開關外加一個電感來拓寬滯后橋臂的零電壓范圍，增加電路的復雜性，并且輔助開關是硬開關。在相移PWM全橋逆變住電路的基礎上，采取措施在一次側(cè)增加飽和電抗器的方法，滯后管實現(xiàn)零電壓開通。4.2.4相移控制的零電壓、零電流開關電路在相移PWM全橋逆變電路的基礎上，采取措施在滯后管實現(xiàn)零電流關斷，其主電路如圖4-5所示。所有的開關器件都沒有反并聯(lián)的二極管，超前管并聯(lián)一個電感和吸收電容，串聯(lián)的附加電路。采用的控制方式也基本上是相移控制方式，驅(qū)動信號如圖所示，開始時，VT1、VT2共同導通，當VT2關斷后，電容C2充電，電容C1充電，電感L1、L2的值很小，不影響零電壓開關情況，漏感的儲能

47、使得電容C2電壓為30V左右，VT4工作像一個穩(wěn)壓管，直到一次側(cè)的漏感完全耗散，并且電流降為零，這樣VT1可以實現(xiàn)零電流關斷，而VT4兩端具有反向電壓，VT4可以零電壓開通。超前橋臂是在其反向偏置，提供驅(qū)動信號達到零電壓開通（與常用的零電壓開通是在功率器件反向二極管導通時達到零電壓開通不同），在超前管關斷后一次側(cè)電流續(xù)流階段（freewheel），IGBT被反向擊穿，相當一個穩(wěn)壓二極管，穩(wěn)壓值在30V左右，把存在一次側(cè)漏感的儲能全部轉(zhuǎn)移到IGBT內(nèi)部耗散掉，這樣滯后管可實現(xiàn)零電流關斷，并且由于超前管處于擊穿狀態(tài)，又為超前管的零電壓開通提供了條件。其缺點在于：IGBT長期處于擊穿狀態(tài)，容易損壞；

48、漏感儲能全部在IGBT內(nèi)部白白耗損。圖4-5 相移控制的零電壓零電流開關主電路圖4.2.5 相移控制的串聯(lián)諧振全橋逆變主電路A.K.Bhat和S.Sookaatra分別提出相移控制的串聯(lián)諧振全橋逆變主電路，將串聯(lián)諧振逆變和相移控制結(jié)合在一起，提出一種固定頻率的串聯(lián)諧振相移控制的逆變器，其電路如圖4-6所示，實現(xiàn)超前橋臂的零電壓開通，而滯后橋臂可以實現(xiàn)零電流關斷，其工作原理如下：假定VT1、VT3是超前橋臂，VT2、VT4是滯后橋臂。首先，VT1、VT2共同導通，然后VT1關斷，電容C1充電，電容放完電后，電路形成L、C欠阻尼振蕩，VD3導通，VT3可在零電壓下開通，由于電路處于振蕩階段，VT2

49、電流自動過零導致滯后管可以實現(xiàn)零電流關斷。電路電流振蕩過零后，VT3的導通會形成反向的振蕩電流。在超前管關斷后的一次側(cè)電流續(xù)流（freewheel）階段，其雖然也在環(huán)流，但有電容C的作用，環(huán)流衰減很快，并且反向，為滯后管的零電流關斷提供了條件，其波形入土4-6所示，這個電路的缺點是在電流的自由階段是LC振蕩，電路有無謂的環(huán)流損耗，若電容不恰當，則LC的振蕩電流過大。在移相全橋軟開關逆變電路中，主要問題是滯后橋臂軟開關范圍過窄，目前解決方法主要集中在兩個方面，一是采取措施拓寬滯后管的零電壓開通范圍，二是實現(xiàn)滯后管的零電流開關。圖4-6 相移控制的串聯(lián)諧振的零電壓零電流開關全橋逆變主電路及波形圖本

50、章小結(jié)本章介紹了零電壓零電流的軟開關的基礎知識，同時也著重介紹了相移控制電路的原理特點及其新發(fā)展，此外還對軟開關逆變的技術(shù)特點進行分析和討論。對比分析表明，軟開關型比硬開關型更具有優(yōu)越性和更值得推廣使用。第5章 軟開關逆變器在焊機中的應用5.1軟開關逆變器的主電路軟開關逆變器的主電路分為三個部分。即降壓整流、逆變、整流。逆變是其中的核心和重點，軟開關和硬開關的區(qū)別就在逆變。5.1.1降壓整流電路圖5-1 降壓整流電路 降壓整流電路的作用是為逆變提供一個直流電。圖5-1就是這部分的電路。三相交流電經(jīng)空氣開關接到變壓器上，空氣開關作為主開關。變壓器負責把三相380伏的共頻交流電降低。在此用變壓器的

51、原因是，一變壓器做隔離用，二降低整流管的耐壓值。三相橋式整流電路是從三相半波電路發(fā)展而來的。橋式整流電路是兩個半波整流電路，一組是共陰極，另一組是陽極，由于共陰極組在正半周導電，流經(jīng)變壓器的是正向電流；而共陽極組在負半周導電，流經(jīng)變壓器的是反向電流。因此變壓器繞組中沒有直流磁通勢，每相繞組正負半周都有電流流過，提高了變壓器繞組的利用率。變壓器次極接成星形，一次繞組多接成三角形，使其3次諧波能夠通過，減少高次諧波的影響。變壓器的設計是根據(jù)功率來得出磁通、主次級電壓等參數(shù)，選擇合適的導磁材料、線徑、工藝等，從而設計出變壓器。因為有后面的逆變電路所以在整流上用二極管。因為三相橋式電路與三相半波電路相

52、比，在輸出電壓相同的情況下，三相橋式晶閘管要求的最大正反向電壓可比三相半波線路中的降低一半。所以采用三相橋式整流電路，整流后的輸出電壓Ud=1.35U2L, U2L為變壓器二次繞組的線電壓有效值。在開機瞬間如果把電壓都加到IGBT上，對所有元件的沖擊比較大，尤其是IGBT。輕著減少壽命，重著IGBT燒壞。功率小可以不考慮但軟開關一般用在功率比較大的地方，所以這個問題必須解決。軟啟動是一個好的解決辦法。這里采用在開機瞬間在電路中串入電阻，和濾波電容組成RC電路。利用RC積分的關系在電容兩端產(chǎn)生一個如圖5-2的關系，消除在開機時的沖擊。等積分時間過后再用晶閘管短路電阻，不上電路在軟啟動電阻上產(chǎn)生壓

53、降。一是減少功率損耗，二是提高軟啟動電阻的壽命。軟啟動電阻在電路上的時間t不應太大，大了增加功率損耗，小了起不到軟啟動的效果，t選在3到 5個積分時間。圖5-2 開機積分延時由于功率比較大所以不可能直接用一個電容來濾波，最簡單的辦法也是用的最多的辦法是用電容的串并聯(lián)來提高電容的耐壓和電容量。如果直接把電容串并聯(lián)則勢必分壓不均等問題。造成電容的利用率不平衡，在電容上并聯(lián)一個電阻來解決這個問題。5.1.2 軟開關逆變電路5.1.2.1 主電路移相全橋逆變主電路，把PWM控制優(yōu)點和軟開關逆變器優(yōu)點結(jié)合起來，在大范圍內(nèi)實現(xiàn)了PWM控制，而在開關瞬間實現(xiàn)功率器件零電壓開通，是近年軟開關逆變電路研究的一個

54、熱點。相移PWM電路不足之處在于滯后管零電壓開通，有一定的限制范圍，在輕載或電感量小時，往往難以實現(xiàn)零電壓開通。選擇漏感過大或附加電感，雖然可以增大滯后管的零電壓開通范圍，但又影響輸出功率，并使得占空比丟失現(xiàn)象更為嚴重。近來有文獻研究，通過采用不同的方法，可以改善相移 PWM電路滯后橋臂軟開關范圍窄的缺點，主要集中在兩個方面：拓寬滯后管的零電壓開通范圍；采用辦法使得滯后管零電壓關斷。這里把串聯(lián)諧振電路和相移PWM電路結(jié)合在一起，把滯后橋臂改善為單向開關，既是滯后橋臂零電流關斷后，通過采用二極管的方法，或者采用飽和電抗器的方法，防止L、C振蕩的反向電流，減少環(huán)流損耗。整個電路也是利用變壓器的漏感

55、，來實現(xiàn)移相逆變電路超前橋臂零電壓開通，利用隔直電容，來實現(xiàn)滯后橋臂零電流關斷，拓寬逆變器的軟開關工作范圍，使它在整個弧焊電源的正常工作范圍內(nèi)，均能達到零電壓零電流的軟開關條件。其工作原理如下：其控制原理與常規(guī)相移 PWM控制原理一樣，是典型的相移控制，在大范圍內(nèi)也是PWM控制，主電路、控制時序如圖5-3所示，其中，VT1、VT3是超前橋臂，VT2、VT4是滯后橋臂，每只開關管導通1800，VT1、VT3管導通時刻不變，控制VT2、VT4導通時刻，使VT2管與VT1導同時刻相差001800，當VT1、VT2移相為00時，輸出最大。VT1、VT2移相角為1800時，逆變器無輸出。VT3與VT4類似。從而為實現(xiàn)焊接參數(shù)的無級調(diào)節(jié)和外特性曲線的形成提供了條件。其超前管實現(xiàn)零電壓工作情況，與常規(guī)的相移PWM電路實現(xiàn)零電壓開關一樣，其工作原理如下：假定負載是電感性負載，根據(jù)控制策略，VT1先導通，VT2經(jīng)一定移相角導通，電流方向通過電源經(jīng)A、B流向負電源，電源向負載輸出功率。VT1關斷后，如果忽略吸收電路的作用，電流由VT1換流到VD3（實際上是并聯(lián)在VD3兩端的電容先放電，使得其兩端電壓為零后，換流到VD3），VT3管可在零電壓下開通（VD3開通后，VT3兩端電壓近似為零），電流處于環(huán)流階段，開始方向