軟開關(guān)逆變式弧焊電源的設(shè)計

軟開關(guān)逆變式弧焊電源的設(shè)計摘要：軟開關(guān)技術(shù)是解決逆變弧焊電源可靠性的核心技術(shù)。本文提出了一種新的軟開關(guān)逆變弧焊電源的設(shè)計方案，該方案基本上可實現(xiàn)空載、短路、燃弧全負(fù)載范圍內(nèi)的軟開關(guān)狀態(tài)。本文分析了超前臂的關(guān)斷功耗與并聯(lián)電容之間的關(guān)系，串聯(lián)電容及回路電感對環(huán)流期的電流變化的影響。并指出了滯后橋臂零電流關(guān)斷區(qū)域，以及超前臂和滯后臂的零開通條件。在此基礎(chǔ)上提出了引入無功電流分量解決空載及輕載時軟開關(guān)失敗問題的方案，以及幾個主要諧振參數(shù)的設(shè)計方法。在實踐中采用本方案表明，降低了開關(guān)應(yīng)力及損耗，提高了整機(jī)可靠性，降低了弧焊電源的成本。0序言軟開關(guān)逆變技術(shù)巳成功應(yīng)用于眾多電源中，但在逆變弧焊電源的應(yīng)用中，由于弧焊電源經(jīng)常工作在輸出開路、短路、燃弧等狀態(tài)中，負(fù)載范圍寬，在整個負(fù)載范圍內(nèi)實現(xiàn)軟開關(guān)難度大?，F(xiàn)在逆變焊機(jī)中軟開關(guān)控制方式主要分為兩種，第一種是串聯(lián)諧振式的調(diào)頻工作方式（PFM），這種方式弧焊電源空載時的無功電流太大，主回路中電流峰值很高，存在電流連續(xù)與非連續(xù)兩種狀態(tài)，控制復(fù)雜，僅美國米勒公司在某些類型的焊機(jī)中采用；第二種是全橋移相諧振的脈寬調(diào)制工作方式（PWM），由于采用PWM控制，控制特性較好，回路中電流峰值低，但實現(xiàn)軟開關(guān)的條件范圍窄［1］，本研究提出一種新的軟開關(guān)逆變弧焊電源的設(shè)計方案，解決如何在整個工作范圍實現(xiàn)逆變弧焊電源軟開關(guān)的問題。1主回路設(shè)計與實現(xiàn)1.1主回路形式主回路選用改進(jìn)型的全橋相移諧振式電路，如圖1所示。Q1，Q3為超前臂；Q2,Q4為滯后臂；C1，C3為超前臂電容；C2，C4為滯后臂電容；C1=C3〉C2=C4,CX為抑制環(huán)流電容，LX1為變壓器回路等效漏感，LX2為飽和電感，B為變壓器。E為輸入電壓，Uo為輸出電壓。1.2控制方式（1） 采用峰值電流控制模式，既保護(hù)了開關(guān)管又可有效抑制變壓器偏磁。（2） 軟開關(guān)實現(xiàn)模式為Q1，Q3為PWM控制；Q2，Q4為互補(bǔ)180°導(dǎo)通，不進(jìn)行PWM調(diào)制。整個工作過程分為四個模式。1.3電路的實現(xiàn)1.3.1實現(xiàn)中的幾個主要問題（1） 元件選擇將以上計算應(yīng)用于ZX7系列及NBC系列逆變焊接電源的設(shè)計中，以ZX7-500電源為例，其功率管可用100A/1200V的IGBT，主變壓器采用非晶鐵芯繞制，串在變壓器原邊的電容采用高頻CBB系列電容。（2） 控制回路的實現(xiàn)由于沒有此種導(dǎo)通模式的專用芯片，本設(shè)計是在電流型芯片UC3846的基礎(chǔ)上改造使用。（3）實現(xiàn)中的難點飽和電感由于功耗很大、發(fā)熱，且電感量易發(fā)生變化，設(shè)計應(yīng)選擇損耗小、矩形度好的鐵芯材料。1.3.2主電路中的幾個波形主電路中的幾個波形如圖3所示。2主回路中參數(shù)選擇計算以ZX7系列焊機(jī)為例，焊接電源的外特性曲線如圖4所示?；『鸽娫匆煽抗ぷ鞅仨殱M足在ADBO整個包絡(luò)線內(nèi)的所有點上C1，C2，C3，C4要換流充分，否則開通時IGBT兩端并聯(lián)的電容將直接向IGBT放電，使開關(guān)器件IGBT損壞。2.1空載、輕載時C1，C3的換流問題圖4中A點及附近點區(qū)域輸出電流很小基本上為零，即焊機(jī)為空載狀態(tài)或輕載，此時輸出為最大脈寬，C1，C2，C3，C4電容無法進(jìn)行換流，造成軟開關(guān)模式失敗。解決方法是在逆變橋內(nèi)引入無功電流，使超前臂和滯后臂電容換流完畢，由于C1=C3,C2=C4，故主要考慮超前臂的換流，換流無功電流大小滿足式為式中：IS為換流期間的無功電流；tS為死區(qū)時間；E為電源電壓。2.2超前臂電容大小的確定超前臂為負(fù)載換流，C1，C3的作用是降低關(guān)斷損耗和改善關(guān)斷軌跡，等效電路如圖5所示。圖中C是等效的超前臂電容；Io是輸出電流折算到原邊回路的等效恒流源。假定U是IGBT的c、e兩端電壓，I是流過IGBT中的電流，Ucg是c、g兩端電壓，Uge是g、e兩端電壓。由于EUge，所以Ucg^U，IC是流過C中的電流。2.2.2IGBT的關(guān)斷功耗IGBT的關(guān)斷分為兩部分，一是場效應(yīng)管的關(guān)斷過程，二是內(nèi)部載流子的自身復(fù)合過程。整個關(guān)斷過程可等效如圖6[2]所示。圖中tOFFA為電流下降時間；tOFFB為電流拖尾時間，關(guān)斷過程的IGBT上的功耗主要由tOFFA，tOFFB決定,設(shè)關(guān)斷電流簡化為線性下降，關(guān)斷時間為tOFF見圖6。IGBT中的電流為根據(jù)式（2）可計算出電容量大小。2.3環(huán)流過程分析及串聯(lián)電容的計算超前臂關(guān)斷后，電路進(jìn)入環(huán)流階段，變壓器回路中電流通過串聯(lián)電容CX基本上線性衰減，使回路中通態(tài)損耗變小，滯后臂關(guān)斷時損耗變小，關(guān)斷時電流為零最理想。假設(shè)環(huán)流時等效電路如圖7所示，在以下分析略去滯后臂的關(guān)斷死區(qū)時間。LX1為等效漏抗；LX2為飽和電感；CX為串聯(lián)電容，假設(shè)LX2飽和電流相對于工作電流約為零，電容電壓幅值為UC，LX1初始電流為Io，K在1位為超前臂導(dǎo)通，K在2位時為環(huán)流位置。tON為超前臂導(dǎo)通時間。t是電流衰減約為零的時間。K在位置1時，即導(dǎo)通期間tON內(nèi)，電容CX上的電壓變化為設(shè)弧焊電源逆變頻率為50kHz,利用式（8）、（9）可得一簇曲線，如圖8所示，曲線與直線tON+t=103的交點為零關(guān)斷區(qū)的范圍，在圖中取一曲線可看出，當(dāng)tNO在A?B范圍內(nèi)都可保證為滯后臂零電流關(guān)斷。選定一條曲線，來保證tON工作范圍，此曲線對應(yīng)一個LX-C值。電路中的LX值巳知后，可選定C值。LX主要由漏抗來決定，可以測量出來。2.4開關(guān)管的零開通條件及飽和電感的工作狀態(tài)飽和電感的磁鏈數(shù)可用伏秒積來表示，飽和電感LX2的工作狀況主要有幾個階段，如圖9所示。（1）在B點之前LX2為飽和狀態(tài)；（2）在環(huán)流期BC段的飽和電感的伏秒數(shù)為UC-tBC ；（3）死區(qū)CE段中的CD段飽和電感的伏秒數(shù)為（UC+E）tCD，DE段電流反相飽和電感的伏秒數(shù)為UC?tDE；（4）在IGBT開通初期，LX2上的伏秒數(shù)為（UC+E）tEF，其中A、B、C、D、E、F定義如圖9中所示。A點為超前臂關(guān)斷點，B點為LX2的飽和電流點，C點為滯后臂關(guān)斷點，D點為LX2電流反相點，E點為IGBT開通時刻，F(xiàn)點為飽和LX2的飽和點?？傊?，LX2的總磁鏈數(shù)保證tEF的值大于IGBT的開通時間tON1，來保證IGBT的零電流開通，即tEF-tON1>QtEF-tON1的值稱為占空比損失，tON1為IGBT的開通時間。實際中LX隨溫度改變而變化。故LX2的選擇還需通過試驗進(jìn)行調(diào)整。3生產(chǎn)應(yīng)用該方案巳成功應(yīng)用于實踐，并推廣至平特性、下降特性弧焊電源，使得此類弧焊電源可靠性增加，成本下降，并且此方案巳在奧太焊機(jī)上應(yīng)用，生產(chǎn)數(shù)千臺弧焊電源，取得明顯經(jīng)濟(jì)效益。4結(jié)論（1） 本文提出的計算方法，可正確地計算出軟開關(guān)的工作區(qū)域，以及開關(guān)管的工作狀態(tài)。利用本文提出的計算方法，可得到開關(guān)管的關(guān)斷損耗及主