（机械电子工程专业论文）弧焊逆变电源功率输出极限改进的仿真研究.pdf

摘要 i 摘要 弧焊逆变电源以其优越的技术性能指标，成为公认的发展方向，并得到迅速 发展。但是，由于弧焊逆变电源中涉及器件、电路和系统等复杂因素，迄今为止 没有统一的研究方法。随着现代技术手段的进步，为满足不同的工艺要求，可以 采用新的器件、电路拓扑结构和研究方法对之进行深入探讨和研究。 本课题针对弧焊逆变电源系统功率输出极限情况下，提出了改进措施，既在 全桥逆变主电路输入端加入b u c k 电路的电压预调节器，通过b u c k 电路闭环p 删 的二次调节，改进了弧焊逆变的输出功率极限，使得电源性能更加优化。对全桥 逆变主电路，逆变控制器，电压预调节器b u c k 电路及控制器进行建模，仿真和 分析，最终得到与试验相符的仿真波形。 首先，对于逆变器的主电路的元器件和典型电路拓扑结构，进行了研究。分 析了i g b t ，f r d 和功率变压器等电力电子器件的应用特性，比较了四种典型电路 拓扑结构，分析了功率变换器设计原则，对全桥逆变器进行了建模仿真，最后针 对全桥逆变电路的偏磁现象提出了抑制方法。 其次，分别对恒压、恒流系统进行了分析。在对恒压系统研究的基础上，设 计了恒流系统的弧焊逆变电源，采用计算机仿真进行分析的方法对它进行了研 究。研究分析了控制器p w m 控制原理，p i 调节器和分频电路，电流采样方法分析， 最后建立了恒压、恒流闭环控制系统的弧焊逆变电源仿真模型，并进行了仿真实 验，结果表明变压器漏感对弧焊逆变电源输出特性的重要影响。 然后，针对弧焊逆变电源输出功率极限，提出了改进方法，既在全桥逆变器 前端加一个b u c k 电路电压预节器。对电压预调节器的b u c k 电路基本原理和稳态形 式进行了分析，计算了b u c k 电路的电感，电容参数，设计了b u c k 电路电压闭环控 制器，建立b u c k 电路闭环系统仿真模型。 最后，对带有电压预调节器的弧焊逆变电源系统进行仿真实验，结果表明， 电源功率输出极限得到有效改进，电源性能得到有效提高，达到了仿真所期望的 目的，为以后研制带有电压预调节器的弧焊逆变电源样机打下良好的基础。 关键词：弧焊逆变电源；输出功率；m u l t i s i m 仿真；电压预调二肖 a b s t r a c t 皇曼曼曼皇曼! 鼍曼曼曼曼皇曼m mmmm i 曼皇曼! 曼曼! 鼍皇曼曼皇皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼! ! ! 苎曼曼 a bs t r a c t d u et ot e c h n i c a la n de c o n o m i c a la v a n t a g e s ，a r cw e l d i n gi n v e r t e ri sc o n s i d e r e dt o b em em o s tp r o m i s i n gw e l d i n gp o w e rs u p p l y , a n dh a sb e e nd e v e l o p e dr a p i d l y h o w e v e r , t h ei n v e r t e rp o w e rs u p p l yi s a f f e c t e db yc o m p l i c a t e df a c t o r si n c l u d i n g d e v i c e s ，c i r c u i ta n ds y s t e m ，a n di sd i 伍c u l tt oa n a l y z e ，u pt on o w ，t h e r ei sn o 丘x e d m e t h o do fa n a ly sis u n d e rt h ed e v e l o p m e n to fm e t h o do fm o d e r nt e c h n o l o g y , a r c w e l d i n gi n v e r t e rc a nb er e s e a r c h e db yn e wd e v i c e s ，c i r c u i tt o p o l o g ya n dm e t h o d si n o r d e rt om e e td i f f e r e n tw e l d i n gt e c h n i c sd e m a n d s 。 t h es u b j e c ti sa b o u tt h ea r cw e l d i n gi n v e r t e rp o w e rs y s t e mf o rp o w e ro u t p u t l i m i t s t h ep r o p o s e dm e a s u r ei sp u tf o r w a r e di nt h ei nf u l l b r i d g ei n v e r t e rm a i nc i r c u i t i n p u tf o r mt oj o i nt h eb u c kc i r c u i tv o l t a g ep r e - r e g u l a t o r , t h ec l o s e d - l o o pc i r c u i t t h r o u g ht h eb u c kq u a d r a t i cp w mr e g u l a t o rt oi m p r o v eo fa r cw e l d i n g i n v e r t e ro u t p u t p o w e rl i m i t , t h em o r ep o w e rt oo p t i m i z ep e r f o r m a n c e 1 1 1 ef u l l - b r i d g ei n v e r t e rm a i n c i r c u i t ，t h ei n v e r t e rc o n t r o l l e r , av o l t a g ep r e r e g u l a t o rc i r c u i ta n dc o n t r o l l e ri nt h e m o d e lo fb u c ka r es i m u l a t e da n da n a l y z e d a tt h ee n dt h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a l w a v e f o r i l lm a t c h e s f i r s t l y , t h ec o m p o n e n t sa n dt y p i c a lc i r c u i tt o p o l o g yo f m a i nc i r c u i to fi n v e r t e ri s p r o c e e dw i t hi n d e p t hr e s e a r c h t h ea p p l i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i co fp o w e re l e c t r o n i c d e v i c es u c ha si g b t ，f i ，a n dt r a n s f o r m e ra r ea n a l y z e d ，f o u rt y p i c a l c i r c u i t t o p o l o g i e sa r ec o m p a r e dw i t he a c ho t h e r ，ar e s t r a i nm e t h o d a b o u tt h eb i a sp h e n o m e n a o ff u l lb r i d g ei n v e r tc i r c u i ti sp u tf o r w a r d s e c o n d l y , c o n s t a n tv o l t a g eo rc u r r e n ts y s t e mi sa n a l y e dr e s p e c t i v e l y b a s e do n t h ec o n s t a n tv o l t a g es y s t e m ，t h ec u r r e n ts y s t e mi sd e s i g n e da n dt h ea r cw e l d i n g i n v e r t e rp o w e rs o u r c e ，u s i n gc o m p u t e rs i m u l a t i o nm e t h o d si sa n a l y z e dt os t u d yi t p w mc o n t r o l l e rp r i n c i p l e ，p ir e g u l a t o ra n dt h es u b f r e q u e n c yc i r c u i t ，t h ec u r r e n t s a m p l i n gm e t h o da r ea n a l y z e da n df i n a l l yac o n s t a n tv o l t a g eo rc u r r e n tc l o s e d 。l o o p c o n t r o ls y s t e ms i m u l a t i o nm o d e lo fa r cw e l d i n gi n v e r t e rp o w e rs o u r c ei se s t a b l i s h e d a n ds i m u l a t e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h et r a n s f o r m e rl e a k a g ei n d u c t a n c eh a sa n i m p o r t a n ti m p a c to nt h ea r cw e l d i n gi n v e r t e rp o w e ro u t p u tc h a r a c t e r i s t i c s t h e n f o ra r cw e l d i n gi n v e r t e ro u t p u tp o w e rl i m i t ，t h ei m p r o v e m e n tm e t h o dl s p r o p o s e dt h a ti s a d dab u c kv o l t a g ep r e - r e g u l a t o ri nt h ei n p u to ft h ef u l l - b r i d g e i n v e r t e r t h ef o r mo ft h eb a s i cp r i n c i p l e sa n ds t e a d y - s t a t eo ft h eb u c kv o l t a g e p r e - r e g u l a t o rc i r c u i ti sa n a l y e d b u c kc i r c u i ti n d u c t a n c e ，c a p a c i t a n c ep a r a m e t e r sa r e c a l c u l a t e d ，b u c kc i r c u i tv o l t a g ec l o s e d 1 0 0 pc o n t r o l l e ri sd e s i g n e d ，a n df i n a l l yb u c k c i r c u i ts i m u l a t i o nm o d e lo ft h ec l o s e d 1 0 0 ps y s t e mi se s t a b l i s h e d f i n a l l y , t h ev o l t a g ep r e - r e g u l a t o r o fa r cw e l d i n gi n v e r t e rp o w e rs y s t e m s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep o w e ro u t p u tl i m i to fp o w e rs o u r c ei se f f e c t i v e l y i i i 北京t 、i p 大学t 学硕卜学伊论艾 i m p r o v e d ，t h ep o w e rp e r f o r m a n c ei se f f e c t i v e l yi m p r o v e dt o o ，a c h i e v i n gt h es i m u l a t i o n o ft h ed e s i r e dp u r p o s e ，f o rt h es u b s e q u e n td e v e l o p m e n to nav o l t a g ep r o r e g u l a t o r p r o t o t y p eo fa r cw e l d i n gi n v e r t e rp o w e rs o u r c , ea n dm a k i n gag o o df o u n d a t i o n k e yw o r d s ：a r cw e l d i n gi n v e r t e r , o u t p u tp o w e r ；, m u l t i s i ms i m u l a t i o n ；v o l t a g ep r ec o n d i t i o n i v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 璐磊胁啦 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：隧缸导师签名： 日期： 第1 幸绪论 量i ；ii o 鼍曼曼皇曼! 皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼! ! ! ! ! 曼皇! 曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼鼍曼曼曼 第1 章绪论 1 1 弧焊逆变电源的特点及问题 传统的弧焊电源对动特性、输出特性的控制采用机械控制和电磁控制，这种 电弧电源的外特性及动特性取决于电源本身的机构，其缺点在于控制精度低且特 性可调范围窄，不能够实现无级调节，很难将直流焊、直流脉冲焊、交流方波焊 功能于一身，因此，传统弧焊电源一般作为单用途弧焊电源。另外传统的弧焊电 源输出形式、输出特性的可调性差，输出特性也不理想，焊接参数控制精度低。 另一方面，由于传统的弧焊电源中变压器的输入频率为工频，造成电源变压器、 输出平波电抗器体积庞大、笨重，焊机能耗高，输出电流波动大，从而造成输出 动态特性差，使得焊接效果不理想。由于传统的弧焊电源存在许多的缺点，所以， 传统的弧焊电源正处于淘汰之中d 】。 一 随着电力电子技术的迅速发展，特别是控制技术及功率电子器件的发展，使 得弧焊电源的电子控制技术迅速成熟。弧焊电源的电子控制技术就是将自动控制 技术运用于弧焊电源中，通过对电弧电压、电流的反馈调节，从而使弧焊电源呈 现出所需的各种外特性。在焊接过程中，通过让给定信号满足一定的时间函数， 使弧焊电源的输出满足一定的动态轨迹，精确地控制焊接过渡过程特性，可以很 好的适应焊接工艺要求。随着近代晶闸管器件的推广，产生了晶闸管整流弧焊电 源，其优点更在于改善了传统弧焊电源的输出特性的可调性及控制精度，使其在 焊接工艺方面获得了广泛的应用，至今，晶闸管焊机仍是我国重点推广的焊机品 种1 。但是，其缺点是电源变压器输入频率为工频，焊机笨重、庞大，而且能耗 高，特别是电源的输出动特性差，因此，其使用方便性及焊接质量方面不理想。 随着可关断功率器件的发展，近年来出新的弧焊逆变电源作为一种新型的弧 焊电源受到人们的广泛关注n 引。与传统电源不同，弧焊逆变电源在电网侧直接整 流为直流，然后经逆变桥变换为高频( 目前以2 0 k h z 为典型) 脉冲，再由变压器进 行隔离和降压变换，最后整流滤波得到直流输出。其基本原理可以归纳为：工频 交流一直流一中频交流一降压一交流一直流。弧焊逆变电源可采用两种逆变体 制：( 1 ) a c - d c a c ”( 2 ) ”a c d c a c - d c ”。目前在高频范围常采用后一种体制。 外特性和规范参数是基于t r c ( 时间比率控制) 的调节方式，包括p 删( 定频率调脉 宽) 、p f m ( 定脉宽调频率) 和p w m + p f m ( 混合调节) 。根据变压器基本公式可以看出， 通过改变的输入电压的脉冲宽度，可以方便的调节输出功率的大小。当变压器输 入电压及磁感应强度最大值一定时，提高输入电压的频率可以减小绕组匝数与铁 北京t , i k 人学t 学硕i 。学化论文 芯截面积，而变压器的体积主要由n 及s 决定，因此，提高逆变器的频率可以使 逆变电源大幅度减少体积和重量，从而节约大量金属，同时由于逆变频率的提高 使整流器输出的脉动频率提高，从而采用较小的平波电抗器就可以达到纹波很小 的直流输出，而平波电抗器的减少又可以大大减小逆变器输出回路的时间常数， 配合电子线路就可大大提高逆变器的动态响应速度，满足不同焊接工艺要求1 正是由于逆变电源这些优点，使其在八十年代出现以来受到各国的高度重 视。目前国际上对弧焊逆变电源的研究己进入成熟阶段，产品多为模拟控制方式， 现己达到实用程度并以大量进入市场。目前国外对逆变器的研究主要集中在由计 算机控制的、采用智能控制的逆变器研究，以进一步提高焊机的调节速度，减少 超调，提高焊机的性能。同时也在研究新的逆变桥形式、逆变主回路形式及研究 更高功率的可关断功率器件，以进一步提高逆变电源的输出功率及工作的稳定 性。另外有些国家已开始研制智能的逆变焊机，以减小焊机的调节步骤，降低焊 机调节的复杂性，简便人员操作。一 在国内也掀起了研制弧焊逆变电源的高潮。最近己有一些公司的逆变焊机产 品问世。由于逆变焊机具有体积小、重量轻、高效节能的特点，逆变焊机一经投 放市场变受到了人们的欢迎，但是，人 f r , l e 快发现逆变焊机的返修率很高，逆变 焊机的可靠性还有待于进一步提高。 从长远看，弧焊逆变电源是发展方向。但是由于逆变电源发展的时间不长， 其技术还有待于成熟和完善，才能真正成为主流产品并发挥起应用的作用。由于 逆变焊机工作频率高，焊接电流调节范围大，工作在空载、短路和负载等不同状 态下，环境条件恶劣，对设计提出了很高的要求h 们。 1 2 弧焊逆变电源建模仿真现状 弧焊逆变器的分析方法大体分为两类：解析法和数值法。解析法是指用解析 符号表达式来描述逆变器特性的分析方法。解析法物理概念清晰，能够运用控制 理论，对逆变器的设计发挥理论指导作用。数值法是指根据仿真模型，利用计算 机数值运算来模拟逆变器动态过程的分析方法。数值法可以对非线性开关过程进 行深入研究，实现逆变器的计算机辅助分析与设计。 a 弧焊逆变器解析建模与理论分析的进展 研究与分析弧焊逆变器，不仅要定性的了解它的工作原理和特点，而且更要 定量的描述系统的动态性能，揭示系统的结构、参数与动态性能之问的关系。这 就要求建立逆变器的数学模型。在小信号线性假设和简化条件下，逆变器的数学 模型可以用传递函数来表示。因此，可以利用古典控制理论对逆变器进行深入的 分析与综合。 2 菊1 幸绪论 曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼鼍曼量曼曼曼曼mm 皇曼皇曼! 曼曼皇曼曼曼! 曼曼曼苎曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼! 皇! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼 1 9 7 6 年，著名学者m i d d l e b r o o k 和c u k 对开关变换器提出了第一个简单、 有效的理论分析方法一状态空间平均法方法建立不同拓扑下系统的状态方程， 再进行平均、小信号扰动和线性化处理，从而获得表征开关变换器静态性能和小 信号动态性能的解析表达式。状态空间平均法采用线性状态方程，可以比较准确 的预测逆变电源的稳态行为和低频小信号动态行为，从而为改进反馈控制器的性 能提供了一个非常重要和有力的工具。 为了进一步简化分析过程，b r o w n 和m i d d l e b r k 利用三端p i a m ! 开关的新概念， 只需要对开关器件进行电路等效处理而变换器其余部分保留不变。这种三端p 1 j i m 开关建模方法与状态空间平均法的分析结果完全一致，适用范围也相同。三端 p 删开关建模方法的独特优点是等效电路与原电路相同，保留信息多，分析过程 非常简洁。这种方法既可以用解析符号公式来系统的表达变换器的稳态、小信号 动态特性，又可以通过基于通用电路分析软件的计算机仿真，给出各种变换器直 流、交流分析和大信号动态分析的直观结果。因此，三端p 删开关建模法可以作 为基本变换器理论研究的通用方法。 针对状态空间平均法和三端p 删开关建模法在高频扰动分析时存在较大偏 差的问题，华伟先生将占空比的扰动看作一种离散的脉冲序列，提出了功率变换 器的采样数据建模法晦1 。此方法虽然提高了分析精度，但因为引入了冲击函数序 列，难以实际应用。a m i n c i a d a 和s i h a 在研究电流模式控制的变换器时，吸收 了采样数据建模法的基本思想，结合电流模式控制的特点进行简化，获得的定量 分析结果具有较高应用价值。 利用开关功率变换器中状态变量均为周期函数的特性，根据谐波平衡原理， 可以得出电路直流及纹波的解析符号表达式符号分析法。开关功率变换器的符号 分析法不要求扰动信号的频率远低于开关工作频率，也不要求扰动量的幅度远小 于其平均值。目前，符号分析法正在推广到闭环开关变换器的理论分析。 弧焊逆变电源的动态过程定量研究是比较复杂的。可以采用状态空间平均法 对弧焊逆变电源系统建立了小信号模型，推导出系统的传递函数，并对其开环频 率特性进行分析。总之，系统地对逆变器进行解析建模和定量分析，是逆变技术 的一个重要研究内容。随着更先进的电路拓扑和更完善的控制技术的应用，此方 面的研究工作必将取得进一步的发展。 b 逆变器仿真建模与计算机模拟的进展 逆变器仿真分析比较可行的实现途径，是以通用电路分析软件为平台，建立 元器件合适的仿真模型，在准确提取实际元器件模型参数的基础上，结合逆变器 的具体电路进行仿真研究。 逆变器的器件建模的基本要求是：( 1 ) 精确：要求以足够的精度反映对象的本 质规律：( 2 ) 简单：模型参数易于提取，模型结构可应用于通用软件平台：( 3 ) 可靠： 建模的依据要充分，模型要求被检验和确认。 3 北京t q kj ：学t 硕卜节f ? ，论史 精度高、参数提取方便和计算量较小的功率电子器件模型是近十年来国际电 力电子领域研究的热点之一，主要集中于功率二极管、m o s f e t 和i g b t 的建模。 在逆变器中，功率二极管的反向恢复特性和正向恢复特性与全控开关器件的电压 振荡、电流冲击和电磁干扰有密切关系。功率开关二极管的仿真模型必须能够精 确描述功率二极管的开、关过渡过程。l a u r i t z e n 首次提出通用电路仿真软件( 如 s p i c e ) 的器件模型对功率开关二极管不能适用，并给出改造的s p i c e 仿真模型， 但该模型十分复杂。运用集中电荷建模法，对功率二极管模型进行了深入、系统 的研究，获得了可以简单、精确描述功率二极管正、反向恢复特性的s p i c e 仿真 模型，并且给出了提取参数的实际方法。可以说功率二极管的建模问题已经解决。 近年来，i g b t 的建模成为了研究热点。h e f n e r 根据功率半导体的物理结构 和内部载流子运动过程，对i g b t 的建模进行了全面研究。提出的i g b t 模型能够 深刻地定性和较精确地定量描述器件的内、外特性，模型的适用范围广，参数物 理意义明确，因而理论意义较大。但模型求解时间很长，参数提取非常困难，应 用价值不高。p e t r i e 和c h a r l e s 认为从i g b t 外部特性来看，可用输入为m o s f e t 、 输出为g t r 的复合电子器件等效的描述i g b t 的宏观性能，并且给出了i g b t 的 s p i c e 模型，但该模型对i g b t 的动态过程描述不够精确。姚立珍提出了可以利用 i g b t 器件应用手册中数据对模型参数赋值的i g b t 仿真模型，能够应用于s p i c e 等通用电路仿真软件，精度符合应用要求，运算量小，参数易于提取，因而实用 价值较高。 近十几年来，国内外许多学者在电磁器件的建模方面作了大量工作。首先需 要解决的问题是描述磁性材料的磁化特性。由于在大功率逆变器中应用的磁性材 料存在磁滞回环、磁饱和等非线性以及磁化曲线的频率相关性和温度相关性，导 致描述磁性材料磁化特性的模型十分复杂。j il e s 和a t h e r t o n 认为，磁化特性 是磁性材料内部的磁畴界壁运动的结果，并推导出比较实用的理论公式。该模型 物理含义明确，可比较精确的描述磁性材料的磁化特性，已经应用于p s p i c e 电 路仿真软件。但模型的参数一般难于由电磁器件的物理参数直接计算得到。 m e a r e s 和h y m o w i t z 用受控源、二极管和阻容元件构造的宏模型来描述电磁器件 的外部行为，提出的模型特别适合于电力电子领域中磁性器件的电路仿真。要实 现电磁器件的计算机仿真，还需要在磁性材料模型的基础上建立磁性器件的电路 模型。m i d d l e b r o o k 在磁路模型基础上，根据磁路与电路的对偶原理，首次提出 了与磁芯形式、气隙、绕组排列方式等物理参数直接相关的电磁器件模型，并且 给出了模型参数的实用计算公式。此方法可用于研究弧焊逆变器功率变压器的漏 感现象。 随着时间的飞逝，计算机仿真软件的不断提高，近几年，m a t l a b 在电源仿 真中的优势逐渐显现出来，尤其是p s b ( 电力电子工具箱) 的出现。它给出了电力 电子线路中一些常用的器件模型，并且很准确地反映了器件的特性，能够满足电 4 箱1 市绪论 子线路的基本要求。m a t l a b 中的s i m u l i n k 工具箱可以非常方便的组合成各种控 制电路，n c d ( 非线性工具箱) 可以快速的优化控制器的参数，得到最优曲线，单 输入、单输出可以以界面的形式分析所设计系统的稳定性。总之，利用m a t l a b 能够真正的体现计算机仿真的优势。可以建立零流软开关的大信号模型，并利用 m a t l a b 快速的对其开环和闭环的结构进行了分析和设计，仿真结果反应模型的 精确性，甚至它的大信号瞬态响应。可以建立p 1 】i m 弧焊逆变电源完整的非线性的 m a t l a b 仿真模型，研究了电源工作时的一系列非线性现象和过程，以及负载全 程变化时的响应：运用m a t l a b 强大的作图功能，以图形和曲线揭示了p 删逆变电 源的动态行为。对数字控制逆变焊机进行了整体仿真研究，建立了由功率逆变器、 数字控制系统和动态电弧负载的系统仿真模型。证明m a t l a b 可以应用于弧焊数 字控制器的实现和系统的动态分析 控制电路模型的建模技术已经达到实用阶段。功率逆变器的控制电路由调节 器、脉冲宽度调制器和功率器件驱动电路三部分组成。p s p i c e 等通用电路仿真 软件己经给出了所有这些基本元素的外部特性等效模型，用户可根据器件手册给 定的参数对模型参数赋值，综合而成的控制电路模型能够简洁、有效的描述控制 电路的特性。 从总体上看n 朝，计算机仿真技术在焊接电源领域属于新事物，其进一步发展 尚需时间。 1 3 仿真优点及m u itisim 简介 1 仿真优点 由于逆变焊接电源是一个强电和弱电相结合的非线性系统，其中电和磁相互 作用非常复杂，不易理解。在研制时采用传统的试验方法不但要消耗大量人力、 物力和时间，且有些问题是试验方法难以发现和解决的。对于大功率的弧逆变电 源来说，其工作环境和负载情况都非常恶劣，而采用的功率器件( i g b t ) 却昂贵， 因此需要提出新的设计方法和手段。此时，计算机仿真技术在焊接逆变电源的设 计中脱颖而出。与传统的经验方法相比，计算机仿真的优点是：能提供整个计 算机域内所有变量完整详尽的数据：不用进行系统实验：可预测某特定工艺 的变化过程和最终结果，使人们对过程变化规律有深入的了解：在测量方法有 困难情况下是唯一的研究方法。此外，数字仿真还具有高效率、高精度和进行实 际系统难以进行具有破坏性或危险性的实验研究等优点。 2 n im u l t i s i m 简介1 1 n im u l t i s i m l o 1 1 是近期推出的最新版本，在原有基础上更新或改进了某 些功能，具有以下特点：操作界面简洁、友好，用户点击鼠标就可以完成元件的 北京t 、眇尺学t 学硕i 学伊论艾 选择、拖动、连线以及查看仿真结果；提供丰富的元件，新增5 1 系列单片机芯 片，可基本满足用户需求，如没有用户想要的元件，可利用v h d l 、v e r i i o g - - h d l 或s p i c e 进行扩展新元件；具有全面的分析工具和虚拟器件，功能强大是其他 e d a 软件所不能比拟的；支持模拟、数字、模拟数字混合电路与单片机、可编 程逻辑器件的仿真，突破了原先版本的局限性；与l a b v i e w 结合，使用户可以根 据自己的需求制造虚拟仪器，而且所有的虚拟信号都可以通过计算机输出到实际 的硬件电路上，所有硬件电路产生的结果都可以输入到计算机中进行处理和分 析，这样完全符合美国n i 公司提出的理念“软件即元器件 和“软件就是仪器 。 本文利用n im u l t i s i m 基于仿真模型对弧焊逆变电源功率输出极限进行了仿真分 析。 1 4 本论文主要研究内容 本课题针对弧焊逆变电源系统功率输出极限，提出了改进措施既在全桥逆变 器前加一b u c k 电路的电压预调节器，通过闭环p w m 的二次调节，改进了弧焊逆 变的输出功率极限，使得电源性能更加优化。对全桥逆变主电路，逆变控制器， 电压预调节器b u c k 电路及控制器进行建模，仿真和分析。最终得到与试验相符 的仿真波形。 电路设计采用计算机仿真技术可以对不同设计方案迅速地进行模拟分析从 而得到比较满意的结果。电路形式确定以后，计算机仿真可以对电路元件参数进 行灵敏度分析和容差分析，从而优化元件参数，保证设计质量，同时，极大地减 少了人工劳动，缩短了设计周期，降低了设计成本。 1 首先对各元器件的结构进行分析，建模； 2 分别对主电路和控制电路进行电路分析和建模； 3 将带有电压预调节器的电源作为一个整体建立仿真模型： 4 针对此电源的系统进行仿真、并分析此电源的静特性及动特性，并对仿 真波形进行对比分析。 深入分析了i g b t ，f r d 和功率变压器等电力电子器件的应用特性，比较了四种 典型电路拓扑结构，提出了功率变换器的一般设计原则，针对全桥逆变电路的偏 磁现象提出了抑制方法。 分别对恒压、恒流系统进行了分析。在对恒压系统研究的基础上，设计了恒 流系统的弧焊逆变电源，采用计算机仿真进行分析的方法对它进行了研究。研究 分析了系统控制器p w m 控制原理，p i 调节器和分频电路，电流采样方法分析，最 后建立了恒压、恒流闭环控制系统的弧焊逆变电源仿真模型，并进行了仿真实验。 对电压预调节器的b u c k 电路基本原理和稳态形式进行了分析，计算了b u c k 6 第1 章绪论 鼍曼曼曼璺曼曼量曼皇曼曼曼曼曼皇曼皇曼! 曼曼曼曼曼曼皇曼皇曼量曼曼曼曼曼鼍曼鼍曼曼皇詈i ii ；i 皇曼鼍曼鼍量曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼 电路的电感，电容参数，选择了开关管i g b t ，设计t b u c k 电路电压闭环控制器， 建立b u c k 电路闭环系统仿真模型。 最后，对带有电压预调节器的弧焊逆变电源系统进行仿真实验，结果表明， 电源功率输出极限得到有效改进，电源性能得到有效提高，达到了仿真所期望的 目的，为以后研制带有电压预调节器的弧焊逆变电源样机打下良好的基础。 7 北京t 、f pj j 学t 学硕l 。学f t 论丈 2 1 概述 第2 章全桥逆变主电路的建模与仿真 在弧焊逆变电源研究中，功率开关器件和变压器起着重要的作用，必须对器 件特性有充分的认识。由于仿真分析是功率变换器研究的重要手段，还需要建立 相应的功率器件的模型，为弧焊逆变电源的深入研究提供基础。本章对功率器件 进行了介绍，特别是从应用的角度，较深入地分析了器件的特性。采用m u l t i s i m 电路分析工具，对仿真用i g b t ，f r d 和功率变压器器件建立了仿真模型。 本章在针对全桥弧焊逆变焊机研究上，描述了弧焊逆变器的基本组成元器件 的特性及其在逆变电源中的要求，比较了四种功率变换器的不同特点，特别是详 细地分析了全桥逆变电路。 2 2 元器件特性及模型 以下分析了弧焊逆变器的基本组成元器件：功率元件i g b t 、快速恢复二极管 f r d 及功率变压器。 2 2 1 功率开关元件 在弧焊逆变电源中，i g b t 是最重要的功率开关器件。i g b t 结构和制造工艺经 过多代改进，如从平板型改进到沟槽型i g b t ，从穿通型到非穿通型i g b t ，并向着 高速度、低压降、自限流和器件一致性方向发展，目前己形成了不同的品种。按 器件特性和用途，有快速和慢速、低增益与高增益、窄安全工作区和宽安全工作 区等之分。按器件封装分，有单管和模块两类。按器件参数分，包括了不同等级 的电流电压规格。 i g b t 是新型的半导体复合器件，其结构原理是一种电导调制的m o s f e t 或m o s 驱动的双极晶体管。因此，它集合了单极器件和多极器件优点，特别适合弧焊逆 变电源中应用。从应用特性上，i g b t 具有如下特点： ( 1 ) 全控型器件，电压型驱动，易于控制： ( 2 ) 输出阻断电压高、载流密度大、通态压降低，适合于较高的电压和功率应 用： 筇2 市伞桥逆变上i u 路的缱模o j 仿真 ( 3 ) 开关动态性能介于m o s 与g t r 之间，目前主要工作在2 0 k h z 频率左右： ( 4 ) 热稳定性好，可实现较宽的安全工作区无二次击穿现象，但应避免擎住效 应。 在弧焊逆变电源的应用中，需要选择合适定额的i g b t 器件，参数和特性应满 足对负载的输出要求，且应注意到其特性参数与其制造工艺和种类有关。除了稳 态能力外，在开关交替的动态过程更为重要，决定了其可靠性问题。 a i g b t 静态特性 i g b t 的输出特性和转移特性，分别描述了器件的工作状态和控制能力，如图 2 - i 所示。 k o 兰j b 廖b 厂u 健 jl i c u a 图2 1i g b t 输出特性和转移特性 f ig 2 - 1i g b t o u t p u tc h a r a c t e r i s t i c sa n dt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c s 输出伏安特性是集射极电压和集电极电流之间的关系，可分为饱和区、放 大区、截止区和击穿区，其参变量为栅极控制电压u g e 。此外，i g b t 具有一定反 向阻断能力，但与正向阻断不同，其数值较低。从转移特性知，当栅极电压达到 开启电压时，i g b t 才开始导通，反之处于关断状态。栅极电压由流过集电极的最 大电流限制。在应用中要采用合适的栅极电压，为了防止误动作，需加反向偏置 电压。 在弧焊逆变电源中，i g b t 工作在开关状态下即分别在饱和与截止区。其导通 压降约在2 - 3 5 v 之间，栅极电压一般可取1 2 - 1 5 v 左右，反向偏压则需取- 5 - 1 5 v 。 b i g b t 动态特性 i g b t 的开关过程如图2 2 所示。i g b t 的动态特性包括开通、关断过程的电流 和电压变化。在开通时，栅极瞬时吸入电流建立驱动电压，当达到掣住阀值时器 件逐渐开通。在关断时，栅极瞬时泄放电流施加反向电压，器件逐渐关断，并呈 现典型的拖尾电流特性。 开通时间由三部分组成：外加栅极电压从负到正跳变开始，到栅极电压达到 开启电压的时间，为开通延迟时间t 。这以后集电极电流从零开始上升到接近稳 定值的时间，为电流上升时间。在这两种情况下，集射极电压基本不变。随后， i g b t t 勾部等效m o s f e t 开通，流过对等效b j t 的驱动电流，此期间t ，栅极电压基本 维持不变而集射极电压下降，直至i g b t 完全开通。开通时间t 。，可表示为： 9 北京t 、f p 人学t 学硕卜学伊论艾 u 艇 u 饯 图2 2i g b t 动态特性 f i g 2 2i g b to y l 1 a m i cc h a r a c t e r i s t i c s 在关断时，在外加反向栅极电压作用下，内部m o s f e t 输入电容放电而b j t 仍 然导通，该阶段为存储时间t 。栅极电压降到u 船后，m o s f e t 开始退饱和，器件电 压随之上升而电流无明显变换，栅极电压基本维持不变，该时间为t 。随后m o s f e t 退出饱和，栅极电压继续衰减，晶体管电流减小，该时间为t ，。当栅极电压低于 开启电压后，由于晶体管内存在的载流子需要消除时间。因此，i g b t 仍具有一个 拖尾电流，并产生较大功耗，关断时间t 。仃可表示为： t o f f2 t + t v r + t r 现有的器件性能指标，其开通和关断时间一般达到了l u s 以下的水平。同时， 开关工作特性不仅取决于器件本身特性，还受到外部驱动条件的影响。由于开关 过程中同时存在大的电流和电压，开关功耗远高于稳态功耗，是限制工作频率的 主要因素之一。 c i g b t 安全工作区 在i g b t 开关过程中，大电流和大电压的重叠造成主要的功耗，同时承受很高 的d i d t 和d v d t b o 电流电压应力。特别是运行在p w m 硬开关状态下，这是影响可 靠性的重要原因。为了保证其安全可靠的工作，不仅有电流电压的限制，还必需 使其动态过程的运行轨迹在安全工作区内。 如图2 3 所示，正偏安全工作区f b s o a 是指栅极加正向电压时的安全工作区， 对应于导通状态。三条边界分别对应允许电流、允许电压和允许功耗。随着导通 时间增长，功耗和温升增加，安全工作区缩小。i g b t 关断时为反向偏置，对应安 全工作区为反偏安全工作区r b s o a 。除了电流电压边界外，另一边界为器件关断 后的重加电压上升率。因此，电压变换率越大，安全工作区越小。实际上，这就 是因为i g b t 动态擎住效应的限制的缘故。 l o 第2 市伞桥逆变。卜l l ! 路的建j | ；l j 仿真 l c i 翻 i c l b _ u c 翻u u c 驯u c e 图2 - 31 6 b t 工作安全区 f i g 2 - 3i g b t $ a f ca 崩o f w o r k 在弧焊逆变电源的设计中，限制过电流和过电压、改善器件的运行特性以及 降低功耗，都有重要的意义。在不同的工作状态下，保证i g b t 在安全工作范围内 并处于较好状态下，是提高整机可靠性的关键技术。 d i g b t 的m u l t i s i m 仿真模型 为了分析i g b t 在开关变换过程中的状态并予以改善，需要建立仿真模型。 i g b t 是一种新型功率器件，它的建模也是人们所关注的问题，己可以通过多种途 径实现( 1 ) 简单的模型如m u l t i s i m 的开关即可控电阻，可进行电路的原理性仿 真，但无法模拟实际开关过程。( 2 ) 也可以采用现有的半导体器件和其他器件， 构成具有同样特性的组合模型或黑箱模型。( 3 ) 更精确的方法则是建立解析模型， 根据器件的工作机理，建立一组物理方程式，来描述器件的实际特性。在m u l t i s i m 电路模拟软件中，可以根据具体要求采用不同的模型。如既可以采用较简单的原 理性开关模型，又能采用或接受其他组合的特性模型分析。同时，己经具备了i g b t 的器件解析模型，可对非超快速类i g b t 获得足够的模拟精度，较真实地反映器件 的特性m u l t i s i m 提供了基于元件库中已经有了很多器件模型，同时一些半导体 厂家为其产品通用的组合模型，具有较高的可信度和准确性的角度，提供了方便 的工具。可以根据器件特性参数，采用功能完成模型参数的提取，或者直接输入 模型参数。 2 2 2 快速恢复二极管 在通常，选择二极管应具有低的正向压降和小的反向漏电流，足够的载流能 力，适当的耐压和好的开关特性。在高频开关状态下，f r d 不仅要考虑静态特性。 动态特性如反向恢复短路特性也非常重要，其开关特性将制约和影响电源的性 能。f r d 在开通和关断时，动态特性如图2 4 所示。当二极管从反偏状态到正偏状 态，或从正偏状态到反偏状态时，将有一个瞬态响应过程。二极管开通初期呈现 出电感效应，除t p n 结内部机理外，还与器件封装引线等因素有关。这种电感效 应对电流变化率最敏感，当电流上升率大时，瞬时峰值电压v ，和正向恢复时间t 什 北京t q p 人学t 学硕f 学f ? ，论文 增大，并受结温等影响。二极管反向关断时，正向电流开始下降，但