軟開關弧焊逆變電源的控制技術

1、軟開關弧焊逆變電源的控制技術在功率開關器件中，MOSFET工作頻率高，但目前容量還不高，它是開發(fā)輕型便攜式弧焊逆變 器的首選器件。IGBT具有控制性能好，容量大的綜合優(yōu)勢，特別適合用于開發(fā)中大功率的弧焊逆變器，IGBT性能的改進主要體現(xiàn)在集射極間飽和電壓Uce和開關時間的不斷下降，產品 的耐壓、電流容量不斷提高。德國Semikron公司針對IGBT的結構缺陷加以改進，推出單硅型 IGBT。它在結構上的低電感設計和軟特性快速可控向壽命二極管結合，大大減少了關斷時的 電壓尖峰，不需RCD吸收電路；沒有IGBT中的N+擴散層，拖尾電流低，無擎住效應；開 通和關斷時，電流和電壓的交叉點低，且交疊的區(qū)域

2、窄，開關損耗很小。日本Toshiba公司 等已開發(fā)出大容量的IGBT智能型功率模塊IPM。在弧焊逆變器的開關器件控制中，主要有如下方式可供選擇：(1)PWM硬開關型。在這種工作方式下，開關器件在開通和關斷期間，其電壓和電流都不為零，存在開通和關斷損耗，即硬開關工作狀態(tài)。(2)諧振軟開關型。目前，諧振電路的拓樸結構有上百種，總起來說，可分為零電流和零電壓兩種方式。由于在電源開通和關斷期間，開關管上的電流或電壓為零，其損耗亦為零，即軟開關工作狀態(tài)。(3)軟開關相移PWM控制技術，充分利用PWM和諧振軟開關二者的優(yōu)勢，這一技術將會成為弧焊逆變器的重要控制方式。 PWM控制芯片由模擬和數(shù)字電路組成。通

3、過模擬電路的反饋決定被調制脈沖的寬度，根據(jù)模 擬電路反饋方式不同可分為電壓型和電流型。數(shù)字電路用來實現(xiàn)解碼和脈沖分配等邏輯功能，依據(jù)數(shù)字電路脈沖分配方式不同可分為同步式和移相式。具體分類見圖1所示。圖1PWM控制技術分類圖2a為電壓模式PWM控制，它只采樣輸出電壓，作為反饋信號。變換器是一單閉環(huán)二階控制 系統(tǒng)。線電壓和負載的任何變化，必須由輸出電壓和參考電壓差值決定的誤差信號進行反饋 調節(jié)。由于電源輸出濾波電容上的電壓信號相對于電流產生90的延遲，因此，電壓型控制 的響應速度慢，在全橋電路中易產生偏磁和電流尖峰。a)電壓模式b)電流模式圖2兩種PWM控制模式圖2b為電流型PWM控制，它針對電壓

4、型的缺陷，增加了一個電流反饋環(huán)節(jié)，它既有形成誤差 信號的外環(huán)，又有開關管瞬態(tài)電流內環(huán)。開關管電流不是獨立的變量，變換器成為無條件的 一階穩(wěn)定系統(tǒng)。由于開關管電流上升斜率決定于Vin和Vout的差值，可以立即響應線電壓的 變化，能做到逐脈沖限流。輸出濾波器對于反饋環(huán)節(jié)只有單個極點，與電壓型相比，只需要 簡單的補償，且有更高的增益帶寬2。目前，為了降低開關應力，提高輸出功率度和功率因數(shù)等，已提出了多種新型的主電路拓樸 結構3，而這些電路拓撲經(jīng)改進后是可以移植到弧焊逆變器中來的。2軟開關弧焊逆變電源試驗結果及分析圖3所研制的全橋軟開關手弧焊逆變器的主電路原理圖。主開關器件采用75A/1200V的二單

5、元 IGBT模塊，其中IGBT模塊1包含VT1、VD1和VT3、VD3，構成超前橋臂，在超前橋臂的每只開 關管集電極與發(fā)射極之間分別并聯(lián)5nF的高頻電容C1和C3；IGBT模塊2包含VT4、VD4和VT2、V D2，構成滯后橋臂。主變壓器變比為22：3，可以表示為理想變壓器T1及其漏抗LK。隔直電 容C的電容值為1.2F。Ls1和Ls2為飽和電感。輸出整流快速二級管模塊為200A/400V的MURP 20040CT。該電源的控制電路采用UC3875，工作在電壓模式下。它輸出四個驅動信號OUTA、O UTB、OUTC、OUTD，其中OUTA、OUTB是超前橋臂上下管子的驅動脈沖，脈寬恒定，相隔1

6、.5 s的死區(qū)，相位相反；OUTC、OUTD是滯后橋臂的驅動脈沖。當OUTA和OUTD、OUTB和OUTC分 析共同導通時，電源向負載傳送功率。通過反饋調節(jié)共同導通脈寬的大小，可以控制輸出電 流或電壓，從而實現(xiàn)逆變器的調節(jié)特性、輸出靜特性和動特性。圖3軟開關全橋弧焊逆變器的主電路原理圖軟開關過程的試驗結果見圖4。軟開關實現(xiàn)過程如下：在超前管驅動信號的前沿，開關管的 集射極間電壓Uce為零，電流流過與其反并聯(lián)的二極管，超前管實現(xiàn)零電壓開通；超前管的 關斷靠并聯(lián)在管子集射極間的吸收電容近似實現(xiàn)零電壓關斷。滯后管的開通時，飽和電抗器 處于不飽和狀態(tài)，電抗值很大，滯后管處于零電流開通；滯后管的關斷，利

7、用隔直電容C加 快環(huán)流衰減到零，使滯后管處于零電流開通狀態(tài)。實際焊接試驗表明：開關管的安全性和可 靠性明顯提高?？梢韵嘈?，全橋軟開關相移PWM控制電路將會成為發(fā)展大功率弧焊逆變器的 主流技術。a)超前管驅動和電壓壓波形b)超前管電壓和 電流波形c)滯后管驅動和電流波形d)滯后管電壓和電流波形圖4軟開關過程的試驗結果3結論(1)由于采用軟開關技術，使得開關頻率可以進一步提高，系統(tǒng)動態(tài)響應加快。降低開關動 態(tài)損耗，減省di/dt和du/dt所引起的電磁干擾，提高了弧焊逆變電源的工作可靠性。(2)由于開關管頻率恒定，使得與頻率相關的電容、電感、變壓器等的設計容易得到優(yōu)化。 相對傳統(tǒng)變頻諧振軟開關的逆變電源，開關管所承受的電流和電壓應力減少