（机械工程专业论文）弧焊逆变电源数字控制软开关技术的研究.pdf

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：堑氐始日期：趁：笸： 翌 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) 日期： 首先，本文对弧焊逆变技术的国内外发展现状、发展趋向及其应用状况作了简 要介绍。针对目前弧焊逆变器存在的主功率管开关应力大、整机损耗大、可靠性低 等缺点，提出用软开关技术来解决。对目前软开关电路拓扑结构的研究现状进行了 综述，系统的研究了软丌关弧焊逆变器的电路拓扑结构，通过对比研究，选用移相 控制全桥零电压零电流脉宽调制( p s _ b z v z c s _ - p w m ) 新型软开关电路拓扑， 并对其工作原理、微观变换过程进行了系统的理论分析。 其次，在控制电路的设计上，本文以实现全数字化控制为目标。以数字信号处 理器( d s p ) 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为控制核心，对焊接全过程进行控制，输出p w m 驱动信号，进行双机通讯，实时采样焊接电流并进行数字p i 调节，通过调节p w m 占空比的方式实现电源的恒流输出。 同时，本文还采用了新一代的超低功耗复杂可编程逻辑器件( c p l d ) e p m 2 4 0 作为d s p 的辅助控制器件，对d s p 输入的p w m 信号进行数字移相调节，并对各种 焊接信号以及保护信号进行逻辑处理，再反馈到d s p 。在c p l d 的相关软件设计上， 本文详细介绍了c p l d 的数字移相控制程序的整体结构以及具体设计过程。 最终，在以上的理论基础上，本文研制出了试验样机，并对其在工作状态下进行 了波形实测以及温升试验。试验结果表明，该样机可以在电源输出全范围内实现超 前臂的零电压开通、关断以及基本实现滞后臂的零电流开通、关断，并且大大减小 了开关损耗和开关应力，恒流稳定，是一种发展前景广阔的新型焊机电源。 关键词数字化；软开关；焊接；移相；d s p 北京t 业人学丁学硕i 学位论文 f i r s to fa l l ，t h ep a p e rb r i e n yi n 仃0 d u c e st h ed e v e l o p m e n t a ls t a t u s 、仃e n da n d a p p l i c a t i o no fa r cw e l d i n gi n v 融e rt e c h i q u e i i lo r d e r t os o l v em es h o r t c o m i n go fa r c w e l d i n gi n v e r 嗽a tt l l ep r e s e n tt i m e ，s u c ha st h eb i gs w i t c h i n gs 仃岱so f m a i np o w c r t r a i l s i s t o r ，t h el a r g ew a s t a g eo fp o w e r s o u r c ea n dt h e1 0 wr d i a b i l i 锣o ft h es y s t e m ，t h e s e 砌锄e n to fs o r s w i t c h i n gt e c h n i q u ei sb r o u 曲tf o 刑a r d f o l l o w i n m ep 印e r s u m 脚a r i z e ss e v e r a l t l 伊e so fs o r s w i t c h i n gi n v e n e ra n dc o m p a r e st l l e i rp e r f o 舯a n c e s a c c o r d i n gt 0m e 碳以t ，t l l ep s _ _ f b z v z c s _ - p w mi i l _ v 嘣e ri ss e l e c t e d ，a n dt h e n ， n l ew o d d n gt h e o r ya n dm i c r 0c h a i l 舀n gp r o c e s so f “si n v 甜e ri sp a r t i c u l a r l y 锄a l y z e d s e c o n d l y i nt h ed e s i g no fc o n 仃d ld r c u i t ，t h ei s s u ea i m st oa c h i “ea l l d i 舀t a l c o n 仃0 1 i tt a l ( e sd i 舀t a ls i 伊a lp r o c e s s o r ( d s p ) t m s 3 2 0 f 2 8 l2a sac o n 们lc e n t e rt 0 c o n t r o it l l ew h o l ew e l d i n gp r o c e s s ，o u t p u tp w m “v es i 印a l ，c o m m u n i c a t ew i t h m c u ，g a t h e r sr e a l t i m ew e l d i n gc l l r r e n t 锄dv o h a g es 锄p l i n g ，a n dt 出e sd i 西t a l p i m o d u l a t i o na l l da d j u s t sm ed u t yc y c l ei no r d e rt oa c l l i e v ec o n s t 孤t 砚l 仃e n to u t p u t i i l t h ed e s i 鲈o fd s ps o r w a r e ，t h ei s s u eh i 曲l i 曲t st l l ed s pc o n 仃o lp r o c e d u r e sa n d d i 舀t a lp im o d u l a t i o np r o c e d u r e s a tt h es 锄et i m e ，t h ei s s u et a l ( e sc o m p l e xp r o 莎a n 衄a b l e1 0 百cd e v i c e ( c p l d ) a s 觚a s s i s t a n tc o n t r 0 1 i tt a k e sd i 百t a lp h a s e s h i m n gt 0p w ms i 印a l ，m a l ( e s1 0 舀c m 锄a g 锄e n tt ow e l d i n gs i 缈a l sa n dp r o t e c t i n gs i 印a l s ，a n dm c i lt 出e sm 锄b a c k t 0 d s p m 戗l ed e s i 鲈o fc p l ds o f h ) i r a r e t h ei s s u em i i l u t e l yi m r o d u c e st h ed i 舀t a l p h a s e - s h i 衔n gc o i l t r o lp r o d u 静e sa i l di d i o g r a p m cd e s i 印p r o c e s s o fc p l d f i n a l l y b a s e do nm et h e o f ya b o v e ，w em 锄u f a c t u r eas a m p l et y p eo fp o w e r i | w e r t e r t h e i l w et a k eat e m p e r a ：t l l r e r i s i n gt e s ta n dg e ts o m ew o d ( i n gw a v ef o 衄o f t 1 1 ep o w e rm e f t e r 舶mo s c i l l o 鲫h t l l ec o m i n g 删l t ss h o wm a t ，t h j ss 锄p l e p o w e ri n v e n e rc 锄a c l ：1 i e v ez e r 0v 0 1 t a g es w i t c ho f1 e a d i n g 黝i na l lo u t p u tm g e a n d b 硒i c a l l va 出e v ez e r o 伽【玎e n ts w i t c ho fb a d k 铘1 i i la d d i t i o n ，t h i ss a m p l ep o w e r 斌枷e rc a i la l s og r e a t l yr e d u c et l l es w i t c h i n gw a s t a g e 锄ds w i t c hs 吮s s ，k e 印t h e o 呻m tc 啪? e n ts t a b l e ，i ti ss u r et ob e c o m ean e wt y p eo fw e l d i n gp o w e r w i t h9 0 0 d p r o s p e c t k e y w o r d sd i 百t a l ；s o r - s w i t c l l i n g ；w e l d i n g ；p h a s e - s h 谂；d s p l i l 北京。i j 、止大学t 学硕十学何论文 l v 目录 摘善暮i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论l 1 1 课题背景l l - 1 1弧焊逆变电源概述一l 1 1 2 弧焊逆变电源发展现状l 1 2 数字化弧焊逆变电源的发展与国内外发展现状2 1 2 1 数字化弧焊逆变电源的发展一2 1 2 2数字化弧焊逆变电源的国内外现状3 1 3 软开关技术的研究一4 1 3 1硬开关技术的局限性4 1 3 2 软开关技术的发展及应用5 1 4 本课题研究主要内容7 第2 章软开关弧焊逆变主电路拓扑及工作原理9 2 1软开关弧焊逆变主电路拓扑结构的选定一9 2 1 1 多种软开关逆变电路拓扑结构概述9 2 1 2 移相控制全桥软开关逆变器的分析- 9 2 2 移相f b z v z c s 逆变器的电路结构及工作原理分析1 2 2 2 1 逆变器的电路结构分析1 2 2 2 2 逆变器的工作原理分析1 2 2 3 软开关拓扑电路相关元件的设计1 8 2 3 1 谐振电容以及超前臂并联电容的设计1 8 2 3 2隔直电容的设计18 2 3 3 谐振电感的设计1 9 2 4 本章小结1 9 第3 章硬件控制系统的设计2 l 3 1 电源系统的总体设计2 l 3 2 控制电路的系统设计2 2 3 2 1 主控芯片的选择2 2 3 2 2f 2 8 1 2 的硬件结构2 5 3 2 3 控制系统的设计方案2 6 3 2 4 控制电路的系统分析一2 6 3 3 驱动电路的系统分析3 l 3 3 1 驱动部分相关电路分析3 l 3 3 2 保护部分相关电路分析3 2 3 4 本章小结3 2 第4 章软件控制系统的设计3 5 4 1 引言3 5 v 北京n k 人学t 学硕十学仲论文 4 2 软件系统的总体设计3 5 4 3d s p 的程序设计3 6 4 3 1 c c s 2 0 0 0 简介3 6 4 3 2d s p b i o s 功能介绍3 7 4 3 3f 2 812 主程序的设计3 8 4 3 4p i 控制算法的设计3 9 4 4c p l d 的程序设计4 2 4 4 1 e p m 2 4 0 简介一4 2 4 4 2q u a r t u sii 简介4 2 4 4 3e p m 2 4 0 主程序的设计4 3 4 5 本章小结4 6 第5 章实验结果及分析4 7 5 1移相控制驱动实测波形及分析4 8 5 2 开关管开通及关断时刻实测波形及分析4 9 5 2 1 超前臂z v s 开通及关断时刻实测波形4 9 5 2 2 滞后臂z c s 开通及关断时刻实测波形5 0 5 3 开关管寄生振荡实测波形及分析5 2 5 4 温升实验结果及分析5 4 5 5 开关管驱动与输出电压电流实测波形及分析。5 5 5 6 软开关范围实验5 6 5 7本章小结。5 9 结 沧6 l 参考文献6 3 攻读硕士学位期间发表的学术论文6 7 致谢。6 9 v l 第1 章绪论 1 1 课题背景 1 1 1 弧焊逆变电源概述 第l 章绪论 电弧焊接是利用电极与工件之间产生的电弧作为热源来加热并熔化工件进 行焊接的方法，此方法是目前应用最广泛的焊接方法。而弧焊电源是指电弧焊接 中，提供焊接电弧电能，并且具有适当的电弧焊接工艺所需要的电气特性的设备。 性能良好、工作稳定的弧焊电源是保证电弧稳定燃烧和焊接过程顺利进行并得到 良好的焊接接头的必要条件之一。没有先进的弧焊电源，要实现先进的电弧焊接 工艺是不可能的【。 回顾弧焊电源的发展，传统的设计有抽头式、动铁式、动圈式、饱和电抗器 式以及磁放大器式等类。到6 0 年代未期发展了晶闸管移相式控制，7 0 年代初又增 加了脉冲控制，7 0 年代期末有了晶体管开关式脉冲控制电源，到19 8 2 年直流逆变 式弧焊电源问世，1 9 8 7 年又开发了交流逆变式弧焊电源。但是，对于旋转式弧焊 发电机形式的直流电源除了由内燃机驱动的弧焊发电机外，国外在7 0 年代中期己 全淘汰，而我国却还占到直流弧焊电源的9 0 。由于弧焊逆变式电源是一种节约 能源和原材料，且焊接性能良好的新一代弧焊电源，因此，受到了国内外普遍重 视，具有广阔的发展前途【2 】。 弧焊逆变电源被称第四代弧焊电源，它是弧焊电源发展史上的一次重大突 破。与弧焊发电机和弧焊整流器相比，这类焊机中没有笨重的工频变压器和电抗 器，因此整机体积小、重量轻，在制造中可节约8 0 9 0 的钢材和硅钢片。使 用过程中与弧焊发电机相比，可节电3 3 左右，如考虑空载运行时的功耗仅几十 瓦，这样节能效果非常显著。另外还有动态响应快、性能优越等特点，因此，自 其问世以来，发展十分迅速【3 1 。 1 1 2 弧焊逆变电源发展现状 随着科学技术的发展，尤其是大功率变频技术的成熟，使得弧焊逆变电源顺 利的商品化，并且成为高技术的标志之一，从而成为焊接界公认的最有前途的焊 接设备【4 1 。它具有以下主要优点： ( 1 ) 体积小、重量轻，节省材料，携带、移动方便； ( 2 ) 高效节能，效率可高达8 0 9 0 ，比传统焊机节电l 3 以上； 北京i ：业大学t 学硕十学何论文 ( 3 ) 动特性好，引弧容易，电弧稳定，焊缝成形美观； ( 4 ) 适合与机器人结合，组成自动焊接生产系统； ( 5 ) 可一机多用，完成多种焊接和切割过程【5 j 。 弧焊逆变电源的发展与现代电力电子技术、磁芯材料与微电子技术密切相 关。从电力电子器件方面来看，随着快速晶闸管( s c r ) 、功率晶体管( g t r ) 、 场效应管场控晶闸管( m c t ) 、绝缘栅双极性晶体管( i g b t ) 以及大功率智能模 块( p i m 和p e b b ) 的出现，弧焊逆变电源朝着大容量、高频率、高可靠性和优 良的焊接性等方面不断发展，为弧焊逆变电源的发展奠定了基础；从磁芯材料来 说，铁氧体、非晶合金和微晶合金等新型材料逐渐应用于弧焊逆变电源；从控制 电路来讲，各种逆变电源专用集成电路的研制与应用，简化了控制电路的设计， 显著提高了可靠性，控制模式也从传统的模拟控制发展为数字化控制【6 】。 1 2 数字化弧焊逆变电源的发展与国内外发展现状 第1 章绪论 1 2 2 数字化弧焊逆变电源的国内外现状 1 9 9 3 年在德国的埃森焊接展览会上，芬兰k 锄p p i 公司发布了第一次数字化 的弧焊系统- k e i l l p p i p r o 。从此世界诸多焊机厂商相继的推出了此系列产品， 使弧焊数字化的行列越来越庞大。奥地利f r o n i u s 公司采用微处理器控制和逆变 技术，在1 9 9 8 年推出了数字化焊机【9 】。其目前生产的t r a n s p l u s s y n e r g i c 系列，t p s2 7 0 0 t p s4 0 0 0 t p s5 0 0 0 全数字化弧焊逆变焊机( 如图1 1 ) ，标志着 数字化焊机的实用化。其控制系统采用d s p 芯片集中处理所有焊接数据，检测 并实时监控焊接过程、程序化引弧和收弧等多种焊接方法，可以存储近8 0 个焊 接程序，实时显示焊接参数，通过单旋钮给定焊接参数和电流波形参数，可以实 现熔滴过渡和弧长变化的精确控制。同时，此类弧焊逆变电源还可以通过网络进 行工艺管理和控制软件升级。该焊机的操作界面友好，能够实现脉冲m i g 、直 流m i g 、手弧焊、t i g 等多种工艺方法的不同材质、不同焊丝直径的焊接功能【3 - 5 1 。 图1 - l 删i u s 公司t p s 系列数字焊机 f i g 1 lt p ss e r i 鹤d i 酉t a lw e l d i n gp o w c ro ff i l o n i u s 在国内，数字化焊接逆变电源尚处于研究阶段，一些高校和科研机构已在这 方面展开了工作，如在本校焊接实验室，殷树言教授、刘嘉副教授等人在研究分 析了弧焊逆变电源数字控制应用的基础上，结合d s p 技术和嵌入式系统的发展 的成果，选用a d s p 2 1 8 l 和c 1 6 7 c r 设计实现了国内第一台数字化弧焊逆变电源 【1 4 1 。兰州理工大学的李鹤岐教授等人，分别采用双机结合与单纯的d s p 这两种 方案对数字化控制系统进行了研究，并研制出了一台全数字的脉冲m i g m a g 逆 变式焊接电源。上海交通大学焊接研究所1 9 9 9 年提出了数字化焊接电源研究课 题，并进行了较深入的研究，取得了一些成果，并己成功地把数字信号处理器应 用在熔化极气体保护焊接电源系统的控制并己成功实现了商品化的数字化可控 硅焊接电源，取得了较好的经济效益。 下图1 2 为山东的奥太牌n b c 5 0 0 数字化气保焊机，可预置送丝速度或焊接 北京t 业大学 ：学硕十学位论文 电流，实现一元化调节，便于使用。还可存储、调用1 0 套焊接规范，节省焊接 规范的调节时间，保证焊接质量。用户还可通过安装数字接口板以实现焊机网络 群控管理，通过上位机即可监控管理节点焊机。 第1 罩绪论 ( 3 ) 容性开通电流尖峰大。当开关器件在很高的电压下开通时，储存 在开关器件结电容中的能量将以电流形式全部耗散在该器件内。频率愈高， 开通电流尖峰愈大，从而引起器件过热损坏。另外，二极管由导通变为截 止时存在反向恢复期，开关管在此期间内的开通动作，易产生很大的冲击 电流。频率愈高，该冲击电流愈大，对器件的安全运行造成危害。 ( 4 ) 电磁干扰严重。随着频率提高，电路中的d i d t 和d v d t 增大，从 而导致电磁干扰( e m i ) 增大，影响整流器和周围电子设备的工作【1 0 。1 4 】。 下图1 3 为硬开关的开通过程和关断过程，可以看出无论是开通时刻还是关 断时刻，功率器件上的电流和电压都不为零，这就造成了器件上的开关损耗。 搿 l 痧 p 秽 a ) 硬开关的开通过程b ) 硬开关的关断过程 图1 3 硬开关的开关过程 f i g 1 3t h es 丽t c h i l l gp r o c 岱so f h a r ds w i t c h 按照传统弧焊逆变电源的设计思路和解决办法，很难从根本上解决上述诸多 的问题【1 5 】。因此，为了克服硬丌关逆变技术的上述缺点，软开关逆变技术应运而 生。 1 3 2 软开关技术的发展及应用 所谓“软开关”，是想对于“硬开关”而言的，是指功率器件在电压为零的 条件下导通，在电流为零的条件下关断，使开关条件得以改善，降低传统硬开关 的开关损耗和开关噪声，从而提高了电路的效率，减少了电磁干扰和射频干扰【1 6 】。 软开关电力电子变换技术是近年来电力电子领域中的一个热门话题。软开关 技术的应用使电力电子变换器可以具有较高的效率自身开关损耗大大降低， 更高的功率密度整体体积、重量大大减小，以及更高的可靠性；并可以有效 地减小电能变换装置引起的电磁污染等。软开关技术的诸多优点使其从一出现就 显示出了蓬勃的生命力，并受到了广泛重视。对软开关技术理论的深入研究，以 及软开关技术的广泛应用，使电力电子变换器的设计发生了革命性的变化。也为 掰 主 9 p 珍 f f 北京f ：业人学t 学硕十学何论文 弧焊逆变器的向前发展提供了保证，直接推动了焊接设备的不断更新换俐1 7 。1 引。 下图卜4 是理想软开关的开通过程和关断过程，可以看出，在功率器件的开 通时刻，电压先下降到零后，电流再缓慢上升到通态值，所以开通时不会产生损耗 和噪声；在功率器件的关断时刻，电流先下降到零后，电压再缓慢上升到通态值， 所以关断时不会产生损耗和噪声。这样就解决了硬开关存在的诸多问题。 l ， l i ， 厂掰。 l f f a ) 软开关的开通过程b ) 软开关的关断过程 图l _ 4 软开关的开关过程 f i g 1 - 4t h es w i t c h i n gp r o c e 豁o f s o f is 诵t i c h 最先出现的软开关电路是零电压零电流准谐振电路拓扑结构，1 9 8 8 年美国 v p e c ( v i 哂n i ap o w e re 1 e c t r o n i c sc t e r ) 的f c l e e 等人提出了准谐振开关电路 ( q r c ) ，得到了广泛的关注。它利用谐振原理使开关管两端的电压( 电压型谐 振开关z v s ) 或电流( 电流型谐振开关z c s ) 在一周期内有一段时间按正弦规律 变化，电压电流波形错开，从而实现了零电流丌关( 或零电压开关) 条件，使得 开关管自然关断或导通，这样就大大减少了开关应力和功率损耗【2 0 。2 1 1 。但是它也 存在自身的缺点：谐振使得电压峰值很高，要求所用的器件耐压性能好；电流的有 效值很大，另外，它要求对脉冲频率调制，变化的频率为电路设计造成了困难。 因此，人们又开始关注开关频率不变的控制方式。希望找出一种变换器来实 现以下两个目标，一是固定谐振变换器的开关频率，以便优化设计滤波器；二是 保留谐振逆变器实现零电流或零电压开关的优点，以便进一步的去提高开关的频 率。从上述目标出发，有人提出了将p w m 技术和零电压开关条件结合，综合p w m 变换器和谐振变换器的优点，获得较理想的特性【2 2 硼。此后，移相控制技术被应 用于谐振逆变器，并提出了相控恒频谐振变换器的概念( 简称p c c f r c ) 。九十 年代初，人们开发出一种移相控制全桥零电压零电流( p h a s e s h i j f i e dc o i 炯l m 1 1 - b r i d g ez e i 0 v o l t a g e z e r o c u 玎研l t s w i t c h i n gp v m ，p s cf b z v z c s p 、m ) 奎匿换 器，由于它兼有z v s 和z c s p w m 技术的优点，又能克服它们各自的缺点，成为 大功率软开关变换器的研究热剧z 7 。3 饥。 在国内，相关学者已经在软开关领域进行了深入的研究，并取得了一定的成 第1 章绪论 效。对于软开关相关焊接设备的研究，国内高校主要集中在北京工业大学、山东 大学、上海交通大学、华南理工大学等，国内企业则以山大奥太、杭州凯尔达、 北京时代为代表，目前也有很多相关产品进入了市场。 如山东大学的奥太公司就提出了一种新的软丌关逆变弧焊电源的设计方案， 采用了相移谐振电路的拓扑形式，该方案基本上可实现空载、短路、燃弧全负载 范围内的软开关状态。并且分析了超前臂的关断功耗与并联电容之间的关系，串 联隔直电容及回路饱和电感对环流期的电流变化的影响。并指出了滞后臂零电流 关断区域，以及超前臂和滞后臂的零丌通条件，实现了超前臂的零电压丌通和零 电压关断，滞后臂的零电流开通和零电流关断。在实际生产中进行验证，降低了 开关应力及损耗，提高了焊接电源的可靠性，降低了弧焊电源的成本，进一步得 到了大规模的应用。 1 4 本课题研究主要内容 本文主要的研究内容是制作一台基于数字移相控制的p w m 软开关弧焊逆变 电源。设计了以数字信号处理器( d s p ) 为核心器件的控制电路，并且以复杂可 编程逻辑器件( c p l d ) 来进行绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 驱动信号的移相处理， 以实现焊机电源的软开关效果。本课题的主要研究内容情况如下： 1 选取移相全桥零电压零电流软开关主电路拓扑结构，并分析其工作原理； 2 以m 5 7 9 6 2 l 为i g b t 驱动器，设计驱动电路； 3 以d s p 为核心器件，设计控制电路： 4 根据本课题特点，对已有d s p 程序进行修改； 5 设计c p l d 程序，实现p w m 信号的数字移相控制； 6 制作一台实验样机，对其进行调试和实验，并对实验结果进行分析。 7 北京| r 业大学t 学硕十学位论文 第2 章软开关弧焊逆变十【u 路拓扑及f ：作原理 第2 章软开关弧焊逆变主电路拓扑及工作原理 2 1 软开关弧焊逆变主电路拓扑结构的选定 自2 0 世纪8 0 年代以来，国内外电力电子领域和电源技术领域不断研制开发 高频软开关技术，到目前为止，己取得了较大的进展。国内外研究人员也相继提 出了多种软丌关逆变器的电路拓扑，这就要我们选择出最适合的一种方案。 2 1 1 多种软开关逆变电路拓扑结构概述 在弧焊逆变器中，实现软开关技术有两种方案，一种是利用原有的电路拓扑， 采用合适的控制模式，添加适当的电感和电容，实现功率器件的软开关；另一种 是设计全新的软开关电路拓扑。而至今，人们广为采用的是前一种方案，而后一 种则很少见到相关报道。 弧焊逆变器的主电路拓扑结构有单端逆变、半桥逆变和全桥逆变电路3 种形 式，在此基础上衍生发展的软开关电路拓扑也有3 大类。其中单端与半桥实现零 电压或零电流软开关变换多采用变频控制，而变频控制带来了诸多的问题。如控 制电路复杂，易受干扰；不同的负载条件工作模式不同，电路设计和分析较为困 难：开关频率变化范围大，使得变压器、滤波器和反馈控制电路的设计难以优化。 因而目前研究的软开关弧焊逆变器多数采用全桥变换电路【3 1 书】。 适合采用软开关技术的全桥变换电路拓扑结构，有全桥串、并联谐振变换电 路拓扑结构；高频直流谐振环电路拓扑结构和移相控制全桥变换电路拓扑结构。 其中移相控制全桥式软开关电路拓扑采用移相控制软开关技术结合p w m 控制技 术，可以在大范围内实现p w m 控制，实现了固定开关频率下的软开关，极大的 降低了功率器件的高频开关损耗，减少了对电网的污染，提高了逆变器的效率， 是目前应用最广、最有前途的一种软开关弧焊逆变器电路拓扑结构【3 4 彤】。 2 1 2 移相控制全桥软开关逆变器的分析 在移相控制全桥式软开关弧焊逆变器中，目前研究最多的是零电压开关( f b z v s p w m ) ，零电流开关( f b z c s p w m ) 和零电流零电压开关( f b z v z c s p w m ) 三种软开关模式【3 6 1 。 下图2 1 所示的为移相控制f b 一一z v s p w m 逆变器的原理图，它是利用变压 器的漏感或者原边串联电感和功率器件的寄生电容来实现开关器件的零电压开 9 北京一r ：业大学下学硕十学何论文 关。其中d l - d 4 分别是开关器件q 1 一q 4 的内部寄生二极管，c l c 4 分别是q 1 q 4 的寄生电容或外接电容，l k 是变压器的漏感。每个桥臂的两个功率器件成 1 8 0 。互补导通，两个桥臂的开关器件的导通角差一个相位，即移相角，通过调 节移相角的大小来调节输出电流。q 1 和q 2 分别超前q 4 和q 3 一个相位，称q l 和q 2 组成的桥臂为超前桥臂，q 3 和q 4 组成的桥臂则为滞后桥臂。 + d 5l f l 一 c r 牟j 厂一j j l 普 r l 图2 1 移相控制f b z v s _ p w m 逆变器 f i g 2 一lp h 勰e - s h i rf b z v s - p w m i n v e r t e r 移相控制f b z v s p w m 逆变器有如下特点： ( 1 ) 由于工作于零电压开关条件下，因而大大减小了开关器件的损耗，有 利干提高开关频率，减小逆变器的体积和质量： ( 2 ) 超前桥臂比滞后桥臂容易实现零电压开关； ( 3 ) 谐振电感串联于主回路中，副边存在占空比丢失。 图2 2 所示的为移相控制f b z c s 呻w m 逆变器的原理图，q 1 一q 4 是主开 关器件，d l d 4 分别是q l q 4 的串联二极管，q l q 4 只能单方向导通，同时承 受反向电压，l k 是变压器的漏感，c r 是谐振电容。q 1 和q 2 为超前臂，q 4 和q 3 为 滞后臂，用以实现开关器件的零电流开关。 d 5l f l 刀 i 厂= 一 a 牛( 一c r l d 6 iu 亨 图2 - 2 移相控制f b - z c s _ - p w m 逆变器 f i g 2 2p h 勰e - s h i rf b - z c s p 、7 v r mi n v e r c e r 移相控制f b - 一z c s p w m 逆变器有如下特点： ( 1 ) 开关器件实现了零电流换流，降低了开关损耗，避免了电流拖尾。 l o 第2 章软开关弧焊逆变t i 乜路拓扑及l ：作原理 ( 2 ) 超前桥臂比滞后桥臂容易实现零电流开关： ( 3 ) 谐振电容的存在使得副边输出电流存在占空比丢失： ( 4 ) 输出整流管实现零电压开关，不存在反向恢复问题。 图2 3 所示的为移相控制f b z v z c s - p w m 逆变器的原理图，这是在移相控 制f b _ z v s p w m 逆变器的基础上发展起来的一种新型软开关逆变器，它可以 实现超前桥臂的零电压开关和滞后桥臂的零电流开关。其中q l 和q 2 构成超前桥 臂，q 3 和q 4 构成滞后桥臂，d l 和d 2 分别是q 1 和q 2 的反并联二极管，c l 和c 2 分 别为其并联电容( 包括其寄生电容) ，l k 是变压器的漏感。与移相控制f b z v s p w m 逆变器相比，它增加了一个隔直电容c b ，取消了滞后臂的并联电容。该 变换器的工作原理将在后边的2 2 中做详细的说明。 + d 5 l f l 一 研牛c 一 1 _ 1d 6 iu 图2 - 3 移相控制f b - z v z c s - _ p w m 逆变器 f i g 2 - 3p h a s e - s h i f if b z v z c s _ _ p w mi n v e f t 贫 移相控制f b z v z c s p w m 逆变器有如下特点： ( 1 ) 超前桥臂零电压开关，滞后桥臂零电流开关，改善了功率器件的开关 性能，并只有最小的二次寄生震荡： ( 2 ) 使占空比损失和续流期间的环路电流减小，提高了变换器的效率和变 压器的能量传输性能： ( 3 ) 只增加一个隔直电容，使在很大负载范围内实现了软开关切换； ( 4 ) 由于减小了关断和附加环路损耗，给使用具有拖尾电流特点的i g b t 提 供了方便，适于大功率场合下应用。 在目前的工业生产中，f b _ z c s 呻w m 变换电路较少的应用于弧焊逆变器。 而同时，为了进一步降低电路的成本，提高电源的功率密度，在各式各样的中大 功率变换器中，绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 有代替功率场效应管( 功率m o s f e t ) 的趋势。由于i g b t 的拖尾电流造成大量的开关损耗，另一方面箱位续流的环流 造成的附加导通损耗，使f b z v s p w m 变换器难以在大功率变换中应用。全 桥零电压零电流脉宽调制( f b 一z v z c s p w m ) 变换器克服了这两个缺点，成 功的解决了关断损耗和附加环流的问题【3 7 4 3 1 。 因此，由于本课题中逆变电源采用i g b t 作为开关器件，综合比较上述三种 北京丁业大学下学硕十学位论文 移相控制模式，将采用综合性能最高的移相控制f b z v z c s p w m 变换电路拓 扑开展研究工作。 2 2 移相f b z v z c s 逆变器的电路结构及工作原理分析 2 2 1 逆变器的电路结构分析 本课题实际所应用的移相控制f b z v z c s p w m 逆变器电路拓扑的原理 图如图2 4 所示，输入近似为直流电压源，q 1 q 4 是功率器件i g b t 模块，其自带 反向并联二极管，c 1 、c 2 分别是q l 、q 2 的寄生电容和外接电容之和。l k 是谐振 电感，它包括了变压器回路的等效漏感。c b 是隔直电容。t l 是主变压器，d 5 、 d 6 是输出整流二极管，l f 是输出电感，r l 是负载。 + d 5l f l 厂1 i 厂一c f 士， il l 普 7 图2 4 实际所采用的移相控制f b z v z c s - _ p w m 逆变器 f i g 2 _ 4n ep h 髂e s h 谂f b z v z c s _ - p w mi l l v e n e ri l lu s i i l g 2 2 2 逆变器的工作原理分析 移相控制f b - 一z v z c s p w m 逆变器的超前桥臂i g b t 的开通和全桥零电压 软开关电路相同，其关断可通过器件并联电容实现零电压关断；滞后桥臂的关断 是利用阻直电容c b ，在电路箝位续流期间加快电流衰减，直至电流为零并保持， 使i g b t 在零电流下关断；稍后另一器件开通时，由于漏感l k 与原边线圈电感 的缘故，电流无法突变，从而又实现了近似的零电流开通【4 4 1 。 下面将以图2 - 4 所示的电路拓扑和移相控制方式，详细分析f b - 一z v z c s p w m 逆变器的基本工作原理。下图2 5 为其开关器件i g b t 的驱动信号和主电 路波形图。在分析之前，作如下假设： ( 1 ) 所有开关器件、二极管均为理想器件： ( 2 ) 所有电感、电容均为理想器件； 1 2 第2 章软开关弧焊逆变t 电路拓扑及t 作原理 ( 3 ) 隔直电容c b 足够大； ( 4 ) k 2 l f l k ，k 为变压器原副边匝数比。 u g e u g e i p u c b 、 q 1i i q 2 ilq ll ， q 4 iq 3l q 4 ， 、 7、 ， ， ， 、 ， 。、 ， t otlt2 t 3t4t5t6t7 t 8t9t 1otl 图2 5i g b t 的驱动信号和主电路波形图 f i g 2 5n ew a v e f o r m so fm a i nc i r c u i ta n dd r i 、，i i l gs i 印a l so fi g b t ( 1 ) 工作过程l ( 驴1 1 ) 如图2 6 所示，在该时间段内，功率开关q i 、q 4 开通，属于功率输出阶段。 变压器初级电流i p 经q l ，c b ，变压器初级线圈，q 4 形成回路，并对c 2 和隔直电 容c b 进行充电。因输出滤波电感l f 足够大，故i p 可以等效为恒流源。 d 5l f i ， 厂。 c r 牛 一 l 普 图2 _ 6 付t l 主电路等效原理图 f i g 2 - 6e q p i v a l e n ts c h 啪a t i co f m a i nc i r c u i ti nb o l 此时，原边电流： 易= | 旌 ( 2 - 1 ) 1 3 北京r 业大学t 学硕十学何论文 i o 为负载端输出电流，k 为变压器原副边匝数比。 ( 2 ) 工作过程2 ( t 1 1 ) 此过程对应于下图2 7 。在t l 时刻，关断q l ，原边电流从q l 转移到电容c l ， 开始给c l 充电，同时c 2 进行放电，此时隔直电容c b 此时电压为u c b 。t 1 ) 。由于 q l 并联有c l ，而电容两边电压不会产生突变，所以q l 是零电压关断。在这个 时间段里，变压器原边漏感h 和副边滤波电感l f 是属于串联，而且l f 很大，因 此可以近似认为变压器原边电流i p 不变，如同予一个恒流源，其大小为i p = l k 。 同时，原边电流i p 继续给隔直电容c b 进行充电。c l 的电压线性上升，c 2 的电压 线性下降。 + d 5 l f l ， r i c r 牛 一 丛 j 、 l 普 图2 7t l 1 2 主电路等效原理图 f i g 2 - 7e q u i v a l 朋ts c h 锄a t i co f m a i nc i r c u “i i lt i 1 2 在t 2 时刻，当c 2 的电压下降到零时，q 2 并联的反向二极管自然导通，工作 过程2 结束。 该过程的持续时间为： 驴等 ( 2 - 2 ) 其中c r 为谐振电容，等于外接并联电容c a 与功率开关器件分布电容c o 之 和的2 倍，即： c r = 2 ( c c o ) 在t 2 时刻，c b 上的电压达到正向最大值，其值为： 5 + 2 c ，鲁 1 4 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 第2 章软) f ：芙弧焊逆变中电路拓扑及t 作原理 ( 3 ) 工作过程3 ( t 2 叫3 ) 在工作过程3 内，如下图2 8 。当q 2 并联的反向二极管导通后，就以开通 q 2 了。要注意，超前桥臂q l 和q 2 的驱动信号之间的死区时间t d t t 1 2 ，否则， 容易发生直通危险。 + d 5l f l ， r 。 c