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文檔簡介
1、有限雙極性全橋軟開關(guān)工作原理一, 有限雙極性全橋軟開關(guān)主電路拓撲結(jié)構(gòu)說明: 圖一,有限雙極性全橋軟開關(guān)主電路拓撲結(jié)構(gòu) 圖一中,由兩個橋臂構(gòu)成一個全橋逆變電路,Q1和Q3組成超前橋臂;Q2和Q4組成滯后橋臂,其中C1C3為超前橋臂并聯(lián)電容和寄生并聯(lián)電容,C2C4為滯后橋臂寄生并聯(lián)電容,我們設(shè)定C1=C3C2=C4,其中D1D2D3D4分別為四只開關(guān)管IGBT(或MOSFET)Q1Q2Q3Q4的并聯(lián)(或寄生)二極管,T1CB和Ls分別為主變壓器隔直電容和可飽和電感(又稱磁性開關(guān)),Lx主變漏感和分布電感等的等效電感,L0為輸出電感,D5和D6為二次側(cè)整流二極管。 為達到有限雙極性的全橋軟開關(guān)的目的
2、,四只開關(guān)管的開關(guān)時序如圖二:圖二:開關(guān)管時序 超前臂開關(guān)管Q1Q3 PWM控制開通關(guān)斷;滯后臂開關(guān)管Q2Q4固定脈沖寬度相位差180o開通關(guān)斷,Q1和Q4同時開通,Q1 PWM控制關(guān)斷,Q4固定脈沖寬度關(guān)斷;Q3和Q2同時開通,Q3 PWM控制關(guān)斷,Q2固定脈沖寬度關(guān)斷,Q1和Q4的驅(qū)動波形的相位相反;Q3和Q2的驅(qū)動波形的相位相反。二, 有限雙極性全橋軟開關(guān)PWM逆變電路工作原理分析為了分析方便,突出重點略去無關(guān)緊要的細節(jié),假定:a,輸出電感的電感量無窮大,流過該電感的電流是恒定的直流。b,主變壓器是理想變壓器,其漏感等分布參數(shù)用專門的漏感Lk等效。c,飽和電感Ls是理想的磁性開關(guān),未飽和
3、時電感非常大,飽和后電感幾乎為零。 下面按時序逐一分析該電路的行為1, t0時刻(見圖三): Q1和Q4已經(jīng)導(dǎo)通多時,原邊電流路徑為:U+ Q1 Ls Lk CB T1 Q4 U-。原邊電流Ip為副邊輸出電感的電流Io的1/n(n為變壓器變比,n=Np/Ns)。此時飽和電感是飽和的,對電路沒任何影響,隔直電容已充上左正右負的直流電壓。這是原邊向副邊傳送能量的過程,副邊二極管D5導(dǎo)通,D6反偏截止。圖三:t0時刻2, t1時刻(見圖四): Q1關(guān)斷,原邊電流Ip因為副邊輸出電感的作用不能突變,大小仍為Ip=Io/n,原邊電流路徑切換為為:C1;C3 Ls Lk CB T1 Q4 U-。圖四:t1
4、時刻原邊電流Ip為電容C1充電,為C3放電,電容C1和C3連接點“1”點的電壓從電源電壓U開始緩慢下降,最終會下降到0;Q1的端電壓從其導(dǎo)通時的飽和壓降(3V左右)開始緩慢上升,最終會上升到電源電壓U。設(shè)電容C1和C3的容量為:C1=C3=C, 則電壓上升到U的時間為:t=2nCU/Io 可以看出,Q1的關(guān)斷是零電壓(3V左右)狀況下的零關(guān)斷,電壓上升率和輸出電流有關(guān),輸出電流越大,上升率就越大,Q1關(guān)斷就越硬。 t1時刻后,實際上是電容器C1和C3的電壓為一次側(cè) Ls -Lk - CB - T1 - Q4 回路提供電壓,隔直電容繼續(xù)被充電,電壓仍為左正右負。原邊繼續(xù)向副邊傳送能量,副邊二極管
5、D5保持導(dǎo)通,D6仍然反偏截止。3,t2時刻(見圖五):圖五:t2時刻t2時刻,電容C1被充滿電,其端電壓變成U,C2被放完電,其端電壓為零0,由于電感中電流不能突變,電流則通過D3繼續(xù)流動,使得D3導(dǎo)通,原邊電流流動路線改為U- D3 Ls Lk CB T1 Q4 U-,可見,電流的流動形性成了一個閉環(huán),環(huán)的起點和環(huán)的終點是同一個點U-,這時的電流稱為環(huán)流,此時,根據(jù)基爾霍夫電壓環(huán)定律,可得ULK+UCB=0,可以認為:是隔直電容的電壓加到漏感上,環(huán)路電流急劇減少。此時Ip=Io/n(UCB/LK)ta 。副邊二極管D5,D6同時導(dǎo)通為輸出電感續(xù)流,主變壓器被短路,環(huán)路電流不僅不傳遞能量到副
6、邊,而且在回路各元件上產(chǎn)生焦耳損耗。尤其是在D3和Q4上的損耗,會增加開關(guān)器件的通態(tài)損耗。故希望環(huán)流時間越短越好,環(huán)流衰減的越快越好。在Ip=Io/n(UCB/LK)ta 中可以看出,在其他條件不變的情況下,隔直電容越小,其端電壓UCB會越較高,環(huán)流時間就越短,環(huán)流衰減就越快。式Ip=Io/n(UCB/LK)ta 中ta 為環(huán)流衰減時間,當(dāng)一段時間ta后,原邊電流減少到非常小,設(shè)為Ipmin。這時飽和電感退飽和,電感恢復(fù)到非常大。原邊電流會保持為Ipmin的值不變。此時,將Q4關(guān)斷。3, t3時刻(見圖六) t3時刻,Q4關(guān)斷,此時Ip為Ipmin幾乎等于0,Q4關(guān)斷后,由于C2,C4的作用,
7、Q4的端電壓從其飽和電壓(3V左右)開始緩慢上升,故Q4的關(guān)斷為零電流/零電壓關(guān)斷。圖六:t3時刻 Q4關(guān)斷后,原邊的Ipmin小電流,由于漏電感LK 飽和電感LK的作用不能突變,將繼續(xù)流動,流動路線為:U- D3 Ls Lk CB T1 C2;C4。 為C4充電,為C2放電。此時將有電壓UCB+U加在漏感和飽和電感上,電流進一步減少。4,t4時刻(圖七) t4時刻,原邊的Ipmin小電流為C4充電,為C2放電完畢,電容C4上電壓為U,電容C2上電圖七:t4時刻壓為零,隨后D2導(dǎo)通。同樣:有電壓UCB+U加在漏感和飽和電感上,電流進一步減少。一段時間后,電流將衰減為零,并往負的方向發(fā)展。此時,
8、Q2和Q3同時導(dǎo)通。 5,t5時刻(圖八) Q2和Q3同時導(dǎo)通,電流將沿以下路徑流動:U+ Q2 T1 CB Lk Ls Q4 U-。由于飽和電抗器LS還沒達到飽和,原邊電流從零開始緩慢上升,故Q2和Q3為零電流開通。一段時間后(大于開關(guān)管Q2和Q3的開通時間)飽和電抗器LS飽和,失去電流抑制作用,副邊電流Io轉(zhuǎn)移到二極管D6上,二極管D5反偏截止,原邊電流為Io/n,先對隔直電容放電后又反向充電。圖八:t5時刻6,t6時刻(圖九)原邊電流為Io/n,先對隔直電容放電后又反向充電,電壓為右正左負。二極管D6繼續(xù)導(dǎo)通,二極管D5繼續(xù)反偏截止,原邊向副邊傳遞能量。一段時間后 Q3 PWM關(guān)斷,原邊
9、電流Ip因為副邊輸出電感的作用圖九:t6時刻不能突變,大小仍為Ip=Io/n,原邊電流路徑切換為為:U+ Q2 T1 CB Lk Ls C1;C3,原邊電流Ip為電容C3充電,為C1放電,電容C1和C3連接點“1”點的電壓從零開始緩慢上升,最終會上升到U;Q3的端電壓從其導(dǎo)通時的飽和壓降(3V左右)開始緩慢上升,最終會上升到電源電壓U。電壓上升到U的時間為:t=2nCU/Io 可以看出,Q3的關(guān)斷是零電壓(3V左右)狀況下的零關(guān)斷,電壓上升率和輸出電流有關(guān),輸出電流越大,上升率就越大,Q3關(guān)斷就越硬。 t6時刻后,實際上是電源U和電容器C1和C3的電壓為一次側(cè)Q2 - T1 - CB -Lk
10、- Ls 回路提供電壓,隔直電容繼續(xù)被充電,電壓仍為右正左負。原邊繼續(xù)向副邊傳送能量,副邊二極管D5保持導(dǎo)通,D6仍然反偏截止。當(dāng)電容C3充電完畢,C1放電完畢,使得“1”點的電壓上升到U時,進入t7時刻。7,t7時刻(圖十)圖十:t7時刻 t7時刻電流改變路徑為:U+ Q2 T1 CB Lk Ls D1 U+,可見,電流的流動形性成了一個閉環(huán),環(huán)的起點和環(huán)的終點是同一個點U+,此時ULK+UCB=0,可以認為:是隔直電容的電壓加到漏感上,環(huán)路電流急劇減少。此時Ip=Io/n(UCB/LK)ta 。副邊二極管D5,D6同時導(dǎo)通為輸出電感續(xù)流,主變壓器被短路,環(huán)路電流不僅不傳遞能量到副邊,而且在
11、回路各元件上產(chǎn)生焦耳損耗。尤其是在D1和Q2上的損耗,會增加開關(guān)器件的通態(tài)損耗。因此環(huán)流時間越短越好,環(huán)流衰減的越快越好。在Ip=Io/n(UCB/LK)ta 中可以看出,在其他條件不變的情況下,隔直電容越小,其端電壓UCB會越較高,環(huán)流時間就越短,環(huán)流衰減就越快。式Ip=Io/n(UCB/LK)ta 中當(dāng)環(huán)流衰減一段時間ta后,原邊電流減少到非常小,設(shè)為Ipmin。這時飽和電感退飽和,電感恢復(fù)到非常大。原邊電流會保持為Ipmin的值不變。此時,將Q2關(guān)斷。8, t8時刻(見圖十一)圖十一:t8時刻t8時刻,Q2關(guān)斷,此時Ip為Ipmin幾乎等于0,故Q2的關(guān)斷為零電流/零電壓關(guān)斷。Q2關(guān)斷后
12、,原邊的Ipmin小電流,由于漏電感LK 飽和電感LK的作用不能突變,將繼續(xù)流動,流動路線為:C2;C4 T1 CB Lk Ls D1 U+。 為C2充電,為C4放電。此時將有電壓UCB+U加在漏感和飽和電感上,電流進一步減少。4,t9時刻(圖十二) t9時刻,原邊的Ipmin小電流為C2充電,為C4放電完畢,電容C2上電壓為U,電容C4上電壓為零,隨后D4導(dǎo)通。同樣:有電壓UCB+U加在漏感和飽和電感上,電流進一步減少。一段時間圖十二:t4時刻后,電流將衰減為零,并往負的方向發(fā)展。此時,Q1和Q4同時導(dǎo)通。重復(fù)上一個周期。三,一次側(cè)電流波形和逆變電路行為的對應(yīng)點: 圖十三 G1點對應(yīng)超前臂關(guān)
13、斷點,X對應(yīng)超前臂開關(guān)管并聯(lián)的二極管續(xù)流點,T對應(yīng)飽和電感退飽和點,G2點對應(yīng)滯后橋關(guān)斷點。四,關(guān)鍵元件的設(shè)計計算1, 超前橋臂的零電流開通,飽和電感的計算:飽和電抗器的主要作用就是用來保證超前橋臂的零電流開通,當(dāng)超前橋臂開關(guān)管開通時,飽和電感尚未飽和,電感非常大,電流從零開始緩慢的增加,直到開關(guān)管完全開通后,飽和電感才飽和,電流升至正常的副邊反射電流。所以要求選用矩形系數(shù)大,導(dǎo)磁率高的渦流損耗小的閉合磁芯,首選環(huán)形鐵氧體磁環(huán),根據(jù)高斯磁路定律和電磁感應(yīng)定律可知:NS=Ton*U/Bs (1) L=N2S0r/lc(2) 其中:N為飽和電感匝數(shù);S為飽和電感磁芯導(dǎo)磁截面積;Ton為開關(guān)管導(dǎo)通總
14、時間;U為直流母線電壓;Bs為磁芯飽和磁密;L為電感量;0為真空導(dǎo)磁率04×10-7 ;r為相對導(dǎo)磁率;lc為環(huán)形磁芯平均磁路長度。由(1)和(2)式即可得出包和電感的磁芯導(dǎo)磁截面積和繞組匝數(shù),再根據(jù)原邊最大電流選擇線徑,保證磁環(huán)窗口能繞下繞組的條件下選擇合適大小的磁環(huán),這就確定了飽和電感的參數(shù)。2, 最小負載下超前橋臂的零電壓關(guān)斷,超前橋臂緩沖電容的計算: 我們起碼得保證焊機在最小焊接負載情況下,超前橋臂的零電壓關(guān)斷條件,為此我們設(shè)定最小焊接電流為Io1,那么原邊電流就為Io1/n 設(shè)超前臂開關(guān)的固故有關(guān)斷時間為toff 要求在固有關(guān)短時間內(nèi)保證充放掉橋臂電容C1和C3的電荷,故有
15、:(Io1/n)* toff = Qc =2CU 所以:C = Io1* toff /2nU 由此可求得電容C1和C3的值。3, 空載下超前橋臂的零電壓關(guān)斷,無功功率電感的計算:空載時,輸出電流為零,PWM脈沖寬度最寬,ts 是最大寬度下的環(huán)流死區(qū)時間,一次側(cè)的電流只有一個很小的勵磁電流,在超前橋臂開關(guān)管關(guān)斷時不能充分充放掉橋臂電容C1和C3的電荷,使得C1和C3有一定的殘余電壓,下一次導(dǎo)通的開關(guān)管會直接短路該電容,造成非常危險的微分焦耳熱,很容易損壞開關(guān)管,因此必須引入無功功率電感,流過無功功率電感的無功電流必須滿足:IR 2C*U/ts (3) 無功功率電感并接在主變壓器原邊(見圖十四),
16、那么有:U = LR *di/dt 所以在一個導(dǎo)通周期內(nèi)有:IR = U*Ton/2* LR (4) 那么:LR = U*Ton/2* IR U*Ton/2*(2C*U/ts) = Ton*ts/4C 選擇無功功率電感為:LR Ton*ts/4C (5).圖十四:無功功率電感加在原邊圖十五:無功功率電感加在副原邊若無功功率電感并接在主變壓器副原邊(見圖十五) 則其電感量為:LR Ton*ts/4Cn24, 適當(dāng)縮短環(huán)流時間,加大環(huán)流衰減速度,隔直電容的計算:環(huán)流發(fā)生在超前橋開關(guān)管關(guān)斷后,滯后橋開關(guān)管關(guān)斷前的時間段里,我們略去超前橋關(guān)斷時橋臂電容充放電時間不計,可以得出超前橋關(guān)斷時刻隔直電容上的電壓的變化規(guī)律為:UCX =Io*t/CX Io*Ton/2*CX (6)超前橋關(guān)斷后,其續(xù)流二極管導(dǎo)通,此時隔直電容上的電壓變化規(guī)律為:
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