新型零電壓軟開關(guān)弧焊逆變器仿真及實(shí)驗(yàn)研究

1、新型零電壓軟開關(guān)弧焊逆變器仿真及實(shí)驗(yàn)研究        摘  要：采用新型軟開關(guān)電路拓?fù)洌Y(jié)合應(yīng)用移相控制軟開關(guān)技術(shù)和電流峰值控制技術(shù)，研制出一種新型軟開關(guān)弧焊逆變器。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所研制的弧焊逆變器能夠?qū)崿F(xiàn)全范圍的軟開關(guān)，并且具有良好的限流和自校正能力，可以有效的解決功率變壓器的偏磁問題。 關(guān)鍵詞：弧焊逆變器， 軟開關(guān)， 電流峰值移相控制   計(jì)算機(jī)仿真 Study on a Novel Zero-Voltage Soft-Switching Arc Welding Inver

2、ter Du Guiping1、2  Huang Shisheng2  Wang Zhenmin2  (1.FoShan  University;    2.Guangzhou    South China University Of Technology) Abstract: A novel soft-switching topology is presented and the phase-shifted soft-switching technology and peak current

3、injection technology are applied in the research of soft-switching arc welding inverter. The simulation and experiments results indicated that the novel inverter is with full range soft-switching and is capable of auto-correction and current limiting which solves the magnetic bias of power transform

4、 effectively. Key words: arc welding inverter, soft-switching, peak current-injection phase-shifted control,  computer simulation 1  前  言     弧焊逆變器由于具有體積小，重量輕，效率高等優(yōu)點(diǎn)1，目前在工業(yè)生產(chǎn)中得到越來越廣泛的應(yīng)用，但是采用硬開關(guān)模式的弧焊逆變器還存在許多問題，如開關(guān)應(yīng)力大，EMI比較高等缺點(diǎn)，這些問題成為弧焊逆變器進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸，限制了弧焊逆變器的進(jìn)一步的推廣和應(yīng)用。本文根據(jù)功

5、率電子領(lǐng)域的最新進(jìn)展，應(yīng)用和發(fā)展了一種采用磁開關(guān)啟用優(yōu)化的激磁電感，同時(shí)配合漏感和分布電感，實(shí)現(xiàn)大功率軟開關(guān)直流變換的新型全橋零電壓軟開關(guān)電路拓?fù)?將移相控制技術(shù)和電流峰值控制技術(shù)相結(jié)合，研制出全范圍軟開關(guān)的新型弧焊逆變器。1         電流峰值移相控制軟開關(guān)工作原理 1.1  新型零電壓電路拓?fù)?普通移相控制全橋零電壓軟開關(guān)變換電路存在滯后橋臂軟開關(guān)范圍較窄、占空比損失較大、整流二極管電壓振蕩、初級(jí)有環(huán)流損耗等方面的問題2,3。其滯后橋臂換流時(shí)，功率變壓器正處于無源狀態(tài)，即續(xù)流狀態(tài)，輸出電感和激磁

6、電感都不能參與滯后臂的諧振換流。激磁電感參與全橋變換器諧振換流的充要條件是器件換流期間變壓器處于能量輸出狀態(tài)或純電感狀態(tài)4。因而，對(duì)這種軟開關(guān)電路改進(jìn)的基本原理是在滯后橋臂換流時(shí)使得變壓器由續(xù)流狀態(tài)轉(zhuǎn)化為純電感狀態(tài)，從而啟用激磁電感參與滯后橋臂的串聯(lián)諧振。最簡單的辦法就是采用磁開關(guān)。所謂磁開關(guān)，就是指由伏秒數(shù)決定阻抗、在趨近零電流時(shí)飽和的非線性電感。圖1給出了采用磁開關(guān)啟用激磁電感實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的主電路原理圖。 1.2  峰值電流模式移相控制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)     弧焊逆變器不同于傳統(tǒng)電源，其功率開關(guān)器件導(dǎo)通電流等內(nèi)部變量的瞬態(tài)值具有相對(duì)獨(dú)立性。只有直接控制電流

7、瞬態(tài)峰值，才能有效的快速保護(hù)功率開關(guān)器件，同時(shí)克服全橋式弧焊逆變器的偏磁問題，提高其動(dòng)態(tài)反應(yīng)速度和可靠性。因此，本電源采用峰值電流控制模式。它是將代表了開關(guān)管瞬態(tài)電流信息的動(dòng)態(tài)信 跟一個(gè)頻率和幅值很小且恒定的鋸齒波信號(hào) 疊加，然后再與參考電壓信號(hào) 進(jìn)行比較，共同決定導(dǎo)通比d 的大小。導(dǎo)通比d既與參考電壓成正比，又與開關(guān)管瞬態(tài)電流到達(dá)峰值的時(shí)刻相關(guān)。從而保證開關(guān)管的瞬態(tài)電流峰值跟隨參考電壓而變化。這種控制方式具有內(nèi)在的瞬時(shí)限流調(diào)整能力，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)功率開關(guān)器件的動(dòng)瞬時(shí)保護(hù)，還可以自動(dòng)保持高頻功率變壓器動(dòng)態(tài)磁平衡。更重要的是電流峰值控制方法可以同移相軟開關(guān)技術(shù)有機(jī)結(jié)合，從而全面地改進(jìn)逆變器的性能。&

8、#160;      開關(guān)管瞬態(tài)電流采樣采用霍爾電流傳感器。它具有絕緣耐壓高（2KV）、測量準(zhǔn)確（1%以內(nèi)）、動(dòng)態(tài)性能好（電流跟蹤速度高于50A/us）和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。尤其是霍爾傳感器可以直接檢測有直流分量的高頻交流信號(hào)，并且可以克服電流互感器的磁通復(fù)位5問題。所以特別適合用來獲取峰值電流控制模式所需要的瞬態(tài)電流信息。 移相控制芯片采用美國Unitrode公司最近推出的改進(jìn)型移相軟開關(guān)控制器UC3879。該芯片從總體結(jié)構(gòu)上可劃分為三個(gè)部分：（1）脈寬調(diào)制信號(hào)發(fā)生器；（2）移相驅(qū)動(dòng)指令形成電路；（3）工作電源及保護(hù)等輔助電路。具有眾多

9、優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足采用峰值電流控制的脈寬調(diào)制的需求。為了克服系統(tǒng)在導(dǎo)通比大于50%時(shí)的不穩(wěn)定現(xiàn)象，需要進(jìn)行斜率補(bǔ)償。當(dāng)斜率補(bǔ)償電壓信號(hào)的上升率大于或等于輸出電感中電流對(duì)應(yīng)檢測信號(hào)的下降率的一半時(shí)，則可以保證在導(dǎo)通比從01的全部范圍內(nèi)，系統(tǒng)總是穩(wěn)定的。同時(shí)，斜率補(bǔ)償電路可以提高脈沖寬度調(diào)制的有效幅值與參考電壓的最大值之比，從而改善系統(tǒng)的抗噪性能。補(bǔ)償信號(hào)的上升率越大，則電流注入控制電路對(duì)噪聲的敏感性越小，系統(tǒng)的抗噪性能越強(qiáng)。另一方面，如增大補(bǔ)償信號(hào)的上升率，則電流控制的開環(huán)穿越頻率會(huì)減小，影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。綜合以上因素，將斜率補(bǔ)償電壓信號(hào)的上升率設(shè)計(jì)為輸出電感電流檢測信號(hào)下降折算值的70%80

10、%。2        新型逆變器仿真研究  采用交互式電路仿真軟件ICAP/4（Interactive Circuit Analysis Program 4.0），針對(duì)通過磁開關(guān)啟用激磁電感并配合漏感實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)換流的新型電路結(jié)構(gòu)，利用計(jì)算機(jī)仿真試驗(yàn)，系統(tǒng)地研究了新型全橋式軟開關(guān)弧焊逆變器的動(dòng)態(tài)過程。其動(dòng)態(tài)過程仿真主要基于以下條件：1)輸出直流電流：Io=400A；2）等效負(fù)載電阻：Ro=0.1W；3）功率開關(guān)管：BSM150GB120DN2型IGBT；4)串聯(lián)諧振電感（包括漏感）：Lr=10mH；5）外接諧振電容：

11、Cr =2nF；6）變壓器初次級(jí)匝數(shù)之比：N =7；7）磁開關(guān)阻斷時(shí)間：tblock=2mS；8）次級(jí)二極管：MUR20040CT；9）輸出濾波電感Lo=100mH；9）G=530V，頻率為20KHZ。鑒于篇幅，只給出磁開關(guān)和橋臂的仿真結(jié)果。           圖2給出了磁開關(guān)的電壓仿真波形和變壓器初級(jí)電流波形。此圖說明，磁開關(guān)發(fā)揮阻斷作用（即波形 的電壓為高電位）的時(shí)間，正是變壓器初級(jí)電流（見波形 ）急速變化的時(shí)間，也就是滯后橋臂的換流時(shí)間，由此可以大大拓展滯后橋臂的軟開關(guān)范圍,同時(shí)可以降低

12、滯后橋臂延遲時(shí)間對(duì)實(shí)際電路分布參數(shù)的敏感性。   圖3給出了領(lǐng)先橋臂和滯后橋臂下部IGBT的驅(qū)動(dòng)波形、集射極間電壓波形及其反并聯(lián)二極管的導(dǎo)通電流波形。由圖可見，橋臂中反并聯(lián)二極管既能夠與傳統(tǒng)弧焊逆變器中一樣將每只IGBT的最高反向電壓限制在直流輸入電壓值，又可以提供變壓器的漏感電流低阻抗回路。IGBT零電壓導(dǎo)通的充分且必要條件是：當(dāng)IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)有效時(shí)刻，它的反并聯(lián)二極管正在導(dǎo)通電流。圖中表明，在IGBT驅(qū)動(dòng)波形 的開通電壓發(fā)揮作用之前，IGBT的集射極間電壓Vce（波形 ）已經(jīng)下降到零，其反并聯(lián)二極管正在導(dǎo)通（見波形 ），因此，所有的IGBT都是完全零電壓開通，不存在開

13、通損耗。同時(shí)，由于每只IGBT功率開關(guān)器件都并聯(lián)諧振電容，此并聯(lián)電容對(duì)其瞬態(tài)關(guān)斷電壓具有緩沖作用，故IGBT的關(guān)斷過程為近似零電壓關(guān)斷，可以大大降低其關(guān)斷損耗。 3        軟開關(guān)逆變器實(shí)驗(yàn)研究 根據(jù)新型電路拓?fù)?，將峰值電流模式同相移軟開關(guān)技術(shù)相融合，成功研制了大功率  弧焊逆變電源。采用由TEKTRONIX公司的TDS210數(shù)字示波器、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)以及波形分析軟件構(gòu)成的信息自動(dòng)采集系統(tǒng)，對(duì)研制的新型軟開關(guān)弧焊逆變器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。      &#

14、160; 3.1  軟開關(guān)電路實(shí)驗(yàn) 圖4是正常負(fù)載時(shí)滯后橋臂下部IGBT的驅(qū)動(dòng)電壓VGE和集電極與發(fā)射極之間電壓（簡稱集射極間電壓）VCE的實(shí)測波形，電壓波形比較好，沒有明顯的寄生振蕩。圖（b）為開關(guān)區(qū)間的局部放大，此圖說明，在IGBT的驅(qū)動(dòng)電壓（見波形 ）轉(zhuǎn)變?yōu)闁艠O正偏壓之前，由于功率主電路的諧振換流作用，IGBT的集射極間電壓VCE（見波形 ）已經(jīng)下降至零，表明滯后橋臂實(shí)現(xiàn)了大范圍零電壓軟開關(guān)。 3.2  抗偏磁和過流保護(hù) 圖5給出了電流峰值控制對(duì)高頻變壓器初級(jí)電流的對(duì)稱校正和自動(dòng)逐脈沖限流調(diào)整的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。此圖說明，電流峰值控制中同一個(gè)給定電流信號(hào)既等于變壓器

15、初級(jí)電流的正向瞬態(tài)峰值，又等于初級(jí)電流的負(fù)向瞬態(tài)峰值。因此，變壓器初級(jí)電流在每一個(gè)逆變周期中都由于電流峰值控制的反饋調(diào)節(jié)作用而被校正為完全對(duì)稱狀態(tài)。從根源上克服了全橋逆變電路因?yàn)榉霐?shù)不平衡而導(dǎo)致的直流偏磁問題。也表明電流峰值控制的軟開關(guān)弧焊逆變器具有內(nèi)在的精確、快速自動(dòng)限流保護(hù)功能。            4  結(jié)論： （1）采用磁開關(guān)啟用激磁電感的新型軟開關(guān)電路拓?fù)洌梢猿晒?yīng)用于大功率弧焊逆變器； （2）將電流峰值移相控制技術(shù)和大功率軟開關(guān)技術(shù)相融合應(yīng)用于基于新型拓?fù)涞哪孀兤骺梢允蛊錅髽虮圮涢_關(guān)范圍大幅度提高，提高整機(jī)效率； （3）有效的解決了偏磁和功率器件的保護(hù)問題，使逆變器可靠性有明顯的改善