（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的大功率逆变焊接电源的研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fw e l d i n gp r o c e s sr e s e a r c h ，w e l d i n ga u t o m a t i o na n dw e l d i n gf l e x i b l e m a n u f a c t u r es y s t e mh a sr a i s e da ne v e r - i n c r e a s i n gr e q u i r e m e n tf o rt h ec o n t r o lp r e c i s i o na n d t h ef l e x i b l eo ft h ew e l d i n gp o w e rs o u r c e t h r o u g hab r i e fi n t r o d u c t i o no nt h ep r e s e n ts t a t ea n d d e v e l o p m e n to ft h ew e l d i n gi n v e r t e r , t h i sp a p e ra n a l y z e st h ed r a w b a c k so ft h ew e l d i n g m a c h i n ea n db l u r t so u tt h em e a n i n go ft h i sp a p e r t h i sp a p e rr e s e a r c h e st h ed i g i t a lc h a r a c t e r i s t i e so ft h ew e l d i n gp o w e rs u p p l ya n dt h e m a i nc i r c u i to ft h ef u l lb r i d g eh i g hp o w e rs o f t s w i t c h i n g n o w a d a y s w e l d i n gm a c h i n e s u s u a l l ya p p l y t h eh a r d - s w i t c h i n ga st h et o p o l o g y , w h i c hc a u s e st h ep r o b l e mo f h i g h e rl o s sa n d l o w e re f f i c i e n c y t h ep r o b l e mi sm u c hm o r ec r i t i c a lw h e nt h ei n v e r t e rf r e q u e n c yi sh i g h i na w e l d i n gm a c h i n e ，t h em a i nc i r c u i tw i t ht h et e c h n o l o g yo ft h es o f t s w i t c h i n gi sm u c hi d e a l e r t h a nt h eh a r d s w i t c h i n g f i r s t l yo fa l l ，b yt h et h e o r yo ft h es o f t s w i t c h i n g t h i sp a p e rr e l a t i v e l y a n a l y s i st h ea d v a n t a g e so ft h es o f t s w i t c h i n ga n d a n a l y z e st h em a i nc i r c u i to ft h ef u l lb r i d g e s h i f t - p h a s e dz e r ov o l t a g e ( z v s ) s o f t s w i t c h i n g t h e n ，t h ep a p e rg i v e st h eo na n do f ft h e o r yo f t h es o f t s w i t c h i n g ，t h em o d e lo ft h em a i nc i r c u i t ，k e yp o i n ta n dt h ep a r a m e t e r so ft h ed e s i g n t h ed i s a d v a n t a g e so ft h et r a d i t i o n a la n a l o g u ec o n t r o lc i r c u i th a v eb e c o m eab l u ro ft h e w e l d i n gp o w e rs u p p l yt h i sp a p e ra p p l i e st h eu p - t o - d a t ec o n t r o lc h i pd s pd e s i g n e df o rt h e c o n t r o lm a c h i n ea n di n v e r t e r w h a t m o r e t h i sp a p e ra l s op r o v i d e dt h ea l o g r i t h mo fp id i g i t a l p o w e rc o n t r o l l i n gb a s e do nd s p , w h i c hc a ne n s u r et h es y s t e r m s t a b l eo p e r a t i o n o nt h eb a s i so ft h e o r e t i c a la n a l y s i s t h i sp a p e ra l s op r o v i d e dt h es u m u l a t i o na n a l y s i so n p o w e rs y s t e r m ，i n c l u d i n gt h es u m u l a t i o no fp s p w mw o r k i n gs t a t ea n d t h es u m u l a t i o no f p o w e rs y n t h e s i s ，a n dt h es i m u l a t i o no fw h o l ep o w e rs y s t e r m i na d d i t i o n aw e l d i n gp o w e r s u p p l yi sd e s i g n e db a s e do nt h e o r e t i c a la n a l y s i s 。w h i c ha r e2 0 0 k ww i t ht h ef r e q u e n c y2 0 k h z f o rt h ei n v e r t e r t h es p e c i a ld s pc h i po ft m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 aw h i c hp r o d u c e db vt ic o m p a n y i su s e da sm a i nc o n t r o l l e ro ft h ep o w e rt os i m p l i d e dt h es y s t e m t h er e s u l ti sv e r i f i e db y e x p e r i m e n ta n dt h ep o w e rs o u r c eb a s e do nt h ed s pc a nm e e tt h en e e do ft h ew e l d i n gp r o c e s s k e y w o r d s ：w e l d i n gp o w e rs u p p l y ；s o f t - s w i t c h i n g ；p s - - p w m ；d s p i l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本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，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使周过的材料。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谢意。 签名：狐堡日期：卅绎盟硼 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名： 礁鲣 导师签名： 日 期： 兰塑仝车互空! 旦 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景 焊接作为现代金属力n - r - 中最重要的方法之一，已为世人所瞩目。尤其近一个世纪以 来，随着高新技术的出现，特别是计算机和电力电子技术的出现和发展，更给焊接技术 注入了新的生机和活力，使其作用得到了淋漓尽致的发挥，从而在石油、化工、电力、 机械、制造、航空、宇航乃至核工业等领域都得到了广泛应用。随着电子、信息、自动 化、人工智能、新材料为核心的新一代工程技术的迅猛发展，先进制造技术业得到了飞 速的发展。在2 1 世纪，焊接技术作为先进制造技术的一个重要组成部分，仍将在制造 业中起着极为重要的作用【l j 。 焊接电源是实现焊接的最重要的设备，工业发达国家每生产1 万吨钢就需要相应 生产2 0 一2 5 台电焊机。所以，焊接电源性能的好坏、先进与否是一个国家工业发达与 否的决定因素之一。传统的焊接电源对动特性、输出特性的控制采用机械控制和电磁控 制，这种焊接电源的外特性和动特性取决于电源本身的结构，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、交流方波焊等功 能于一身，因此，传统焊接电源一般作为单用途焊接电源。另外传统的焊接电源输出形 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 传统的焊接电源中变压器的输入频率为工频，造成电源变压器、输出直流电抗器( 即平 波电抗器) 体积庞大、笨重，焊机能耗高，输出电流波动大，从而造成电源输出动态特 性差，使得焊接效果不理想。由于传统的焊接电源存在许多的缺点，所以，传统的焊接 电源正处于淘汰之中。而逆变式焊接电源具有高效节能、轻巧省料、控制性能好等特点， 在消除网侧电流谐波、改善网侧功率因数、逆变输出波形控制、提高系统的动态响应性 能方面有很大的发展，已成为现代焊接电源发展的主流之一1 2 j 。 伴随着新型的功能强大的数字信息处理器( d s p ) 的出现，逆变焊接电源实现了柔 性化控制和多功能集成，具有控制精度高、系统稳定性好、产品一致性好、功能升级方 便等优点。逆变焊接电源的不断发展将推动整体焊接技术的进步，将促使焊接技术向着 焊接工艺高效化、焊接质量控制智能化、焊接生产过程机器人化的方向发展。随着数字 控制技术的发展，尤其是数字信号处理器( d s p ) 的广泛应用，使逆变焊接电源的波形 控制能力更为精确，为广大焊接工作者提供了方便的新型焊接工艺研发手段，使新工艺、 新设备的更新换代成为可能p j 。 综上所述，焊接水平的高低直接影响到一个国家工业品的质量水平，影响到其工业 品的竞争力，影响到其加工工业的经济效益。因此，对焊接工艺及焊接电源的研究具有 非常重要的意义。焊接工艺的研究必需有外特性可调的焊接电源，而焊接电源则是保证 高质量焊接的首要必备条件。目前各国均对焊接电源的研究给予了足够的重视。我国也 对焊接电源的研究投入了大量的科研力量、人力及物力，以赶超国际先进水平。， 江南大学硕士学位论文 1 2 国内外逆变焊接电源的发展与现状 逆变焊接电源体积小、重量轻、节能省材、而且控制性能好，动态响应快，易于实 现焊接过程的实时控制，在性能上具有很大的潜在优势。逆变焊接电源对生产厂家来说， 省材料，产品的技术附加值高，经济效益好。而对用户来说，重量轻，易于搬动，性能 好，也是受益者。对于国家来说，逆变焊机产业，是一个可以推动节能工程发展的新产 业。因此，无论从哪个角度，都可以看出逆变焊接电源是未来焊接电源的发展方向【4 j 。 1 2 1 逆变焊接电源的发展与应用现状 现代焊接设备的发展与电力电子技术和器件的发展密切相关。焊接电源的制造从1 9 世纪就开始了。在2 0 世纪初，发明了弧焊发电机，2 0 年代开始使用交流弧焊变压器。 5 0 年代末，功率半导体二极管开始用于焊接电源，所构成的弧焊整流器明显优于弧焊发 电机。7 0 年代初，由晶闸管( s c r ) 构成的可控整流式弧焊机的出现，标志着现代电力电 子技术开始进入焊接电源设备领域。7 0 年代中期到8 0 年代中期，性能优良的自关断电 力电子开关器件( o t o ) 、大功率晶体管( g t r ) 、功率场效应管( m o s f e t ) 、绝缘栅晶体管 ( m b t ) 等器件相继出现和集成电路技术的发展，为逆变焊接电源的提供了广阔的空间。 早在7 0 年代初逆变器已应用于中频加热领域。1 9 8 2 年瑞典e s a b 公司率先推出了晶闸 管弧焊逆变器产品之后，美国的l i n c o l n ，m i l l e r ，p o w c o 公司，芬兰的k e m p p i ，瑞士 的e l t r o n ，日本的大阪变压器公司等国际著名的焊接设备公司都相继推出了各自的弧 焊逆变器产品。1 9 8 1 年在德国埃森举办的世界焊接与切割博览会上，首次展出了4 个厂 家的晶闸管式和晶体管式弧焊逆变器，主要用于焊条电弧焊、低压引弧式钨极氩弧焊和 c 0 2 气体保护焊，最大电流为3 5 0 a 。1 9 8 9 年世界焊接与切割博览会上有3 0 多家厂商展 出了弧焊逆变器。1 9 9 3 年的埃森博览会上，绝大多数的厂商都展出了弧焊逆变器及设备。 逆变式焊机在日、美、欧等地使用中占1 7 ，其中在气体保护焊和t i g 焊中占3 0 以 上。到了1 9 9 6 年，日本日立公司的i g b t 逆变焊机已占m i g m a g 焊机的7 0 ，占t i g 焊机的9 5 以上，占切割机的1 0 0 ，日本松下、大阪变压器公司的逆变式焊机都超过 5 0 。以i g b t ，m o s f e t 等为开关器件的弧焊逆变器，有着广泛的应用前景，是当前 国际焊接电源设备发展的主流和方向【5 i 。 在我国，逆变焊接电源的研究工作起步于7 0 年代末。从3 k h z 左右的晶闸管逆变电 源开始，随后进入到2 0 k h z 以上的场效应管、晶体管、i g b t 逆变焊接电源。北京工业 大学殷树言、刘嘉等人提出了自己的全数字化控制焊接电源研究方案：m c u 和d s p 双 机控制系统，它充分利用了m c u 强大的控制功能和d s p 强大的数据处理所实现的实时 信号提取。上海交通大学的吴毅雄、华学明等提出了数字化焊接电源研究课题，他们把 数字信号处理器d s p 应用在熔化极气体保护焊接电源系统的控制上。华南理工大学的 黄石生、兰州理工大学的李鹤岐、北京航空航天大学的齐铂金等人也从事了数字化焊接 电源的研究工作。但是由于国内对于焊接电源的研究起步较晚，与国外的焊接领域研究 相比，还是在技术等方面存在着很大的差距。目前我国众多的电焊机生产厂家( 大概9 0 0 多家) ，而成规模的生产厂家寥寥无几，大部分企业年产值在两千万左右，达到一两个 第一苹绪论 亿的厂家屈指可数，且生产的产品大部分为低端产品，中端产品的国内市场占有率不高， 高端产品的自动和半自动电弧焊机、电阻焊机、特种焊机和专用成套设备几乎全部靠进 口。为了振兴民族焊接工业，占领高端产品市场，非常有必要从事这方面的工程技术人 员1 6 1 。 1 2 2 逆变焊接电源的特点和发展方向 众所周知，逆变焊接电源与传统焊接电源相比，具有高效节能( 约2 0 3 5 ) 、省 材( 约8 0 0 0 , - - 9 0 ) 、轻巧( 输出1 a 焊接电流，传统焊机需0 5 l k g 制造材料，而逆变 式只需要0 0 6 4 ) 1 2 k g ) ，而且动态特性和控制调节特性好，制造过程占地少，且加工量 少等特点。因而逆变焊接电源在国内得到迅速的推广应用。这种过去被称为“明天的电 源( 焊机) 的新一代已经迅速成为“今天的电源( 焊机) 7 1 。 逆变式焊接电源是一种电力电子技术与焊接技术相结合的高科技产品，具有良好的 电气性能和焊接工艺性能，具体特点如下：控制性能优异，容易实现焊机智能化。 动载好，焊接工艺性优良，有利于实现自动化。体积小，重量轻。效率高、功率因 数高。节能环保。引弧性能好，可以实现少飞溅或无飞溅焊接。焊接速度快。 功能多，且转换方便。由于逆变式焊接电源具有以上几大性能和优点，因此是目前国际 上公认的最先进的电焊机，也是最具有发展潜力的一种焊机【8 】。以i g b t 、m o s f e t 等 为开关器件的逆变焊接电源，有着广泛的应用前景，是当前国际焊接电源设备发展的主 流和方向。逆变式焊机总的发展趋势是向着大容量、轻量化、高效率、模块化、智能化 发展并以提高可靠性及拓宽用途为核心，愈来愈广泛应用于各种弧焊、电阻焊、切割等 等工艺中。高效和高功率密度( 小型化) 是国际上逆变式弧焊电源追求的主要目标之一。 高频化和降低主要器件的功耗是实现这一目标的主要技术途径。与此同时，逆变焊接电 源正朝以下几个方向发展【9 j ： 1 高频率，大功率。 2 数字化，智能化。发展数字化焊接电源是适应焊接技术的发展需要。传统的模拟 控制方式制约了逆变电源性能潜力的充分挖掘，就需要更新原有的控制方式。随着单片 机( m c u ) 控制技术和数字信号处理器( d s p ) 控制技术的发展和广泛应用，全数字化焊接 电源的设计有了突破性的进展。 3 采用脉宽调制控制技术。脉冲宽度调制( p w m ) 相对脉冲频率调制( p f m ) 而言，可 以降低功率变压器和输出滤波器的体积，简化控制补偿网络的设计，。它已成为逆变电源 控制技术的主流。 4 低谐波污染，高功率因数。通过软开关技术，电磁兼容和抗干扰设计，功率因数 校正等技术极大的减少谐波污染，提高了功率因数。 1 3 本课题选题的意义及主要研究内容 1 3 1 本课题选题的意义 随着微电子技术、计算机技术、自动控制理论和电力电子技术的发展，焊接电源电 江南大学硕士学位论文 路结构不断吸收相关学科的先进成果，从早期机械控制型，发展为电磁控制型，到今天 发展为电子控制型，逆变焊接电源已成为当今发展的主流。而逆变弧焊电源也将义不容 辞的取代它的前辈们成为弧焊电源的主流。虽然逆变弧焊电源性能好、轻巧、节能、省 材，但目前在我国应用覆盖面还不是很大。根据国家电焊机行业“十五 规划：加强逆 变焊机的开发，发挥逆变焊机的优势，加快逆变电源在气体保护焊机，特别是熔化极气 体保护焊机方面的研究，改善性能，扩大其使用范围，提高可靠性。说明现阶段发展逆 变焊接电源的任务已经刻不容缓，而发展各种逆变焊接电源的基础是发展逆变弧焊电 源。 传统的焊接电源，控制回路是由无源或有源器件组成的模拟系统。模拟控制系统最 大的缺点是进行复杂数据处理的能力有限、元器件数量多，并且控制器的参数由电阻、 电容等分力元件的数量决定，控制器的调试复杂、灵活性差，同时电阻、电容的参数影 响控制器的稳定性。而通过d s p 实现的数字化焊接电源具有如下的优点【l o j ： ( 1 ) 信号处理d s p 强大的数据处理能力和快速运算能力为焊接信号的实时处理提供 了物质基础。利用d s p 可以对焊接过程的信号，如焊接电压电流信号，实时提取有关 的特征信息，从而实现数字信息控制。同时基于d s p 的电弧评价系统可以作为数字化 焊机的嵌入式系统，焊机具有电弧电压电流信号的在线的评价功能。 ( 2 ) 柔性化控制电源外特性由软件编程实现，可以实现多种外特性，适应不同焊接方 法的要求，实现焊机的一机多用。 ( 3 ) 智能控制利用d s p 、m c u 等先进控制器件的强大控制能力和事件管理能力，使 焊机控制引入自适应控制、模糊控制、神经网络控制等先进控制方法成为可能，提高了 焊机的控制水平。 ( 4 ) 控制精度高、稳定性好、抗干扰能力强字化焊机比传统模拟焊接抗干扰能力更强， 因为触发脉冲的改变需要一定的阀值，只有超过此阀值，才能改变脉冲的大小，而小于 此阀值的干扰不会影响到脉冲的大小。但是模拟量就不同了，任何微小的变化都会影响 模拟量的大小，因此数字系统便于测试、调试，生产出一致性。 ( 5 ) 易于产品的在线开发、升级焊接电源的功能通过软件和硬件相结合来实现。可以 开发基本软、硬件平台。通过模块化的软、硬件设计，可以以不同的模块化组合构成不 同功能的焊机。焊机功能的改进可以通过网络的在线软件的升级来实现，从而缩短开发 周期、降低开发成本。 1 3 2 本课题主要研究内容 焊接是进行金属加工的重要手段。随着科技的进步，材料科学的发展，焊接加工所 涉及的领域越来越广。新材料新技术的出现，对焊接工艺、焊接设备，有了不同的要求。 为了应对焊接领域出现的新问题，满足焊接自动化生产和现代焊接领域的需要，发展高 效、低耗、智能化、多功能以及能在线升级的焊接设备这一重任，摆在了焊接设备研究 者面前。 本课题的主要工作为研制一台数字化的焊接电源。以t i 公司最新推出的控制芯片 t m s 3 2 0 f 2 4 0 7 为平台，采用脉宽调制p w m 方法，充分利用d s p 的高速数据处理能力， 4 第一章绪论 改造了一台频率为2 0 k 的逆变焊机。本论文的主要内容如下： ( 1 ) 大功率逆变焊接电源主电路的设计，包括对输入整流、逆变、高频变压器以及输 出整流器件的选择、参数确定并进行必要的仿真研究。 ( 2 ) 数字化焊接电源控制系统的设计，包括i g b t 驱动电路、自锁保护电路、霍尔电 流采样电路的设计。 ( 3 ) 建立一个以t i 公司生产的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为核心d s p 芯片的数字化焊接电源 操作平台，并对电源的外特性进行时实控制。 ( 4 ) 测试焊接电源的性能，进行联机实验，观测电源的外特性 第二章大功率逆变焊接电源总体方案选择 第二章大功率逆变焊接电源总体方案选择 2 1 逆变焊接电源的结构 逆变焊接电源具有高效节能、轻巧省料、控制性能好等特点，在消除网侧电流谐波、 改善网侧功率因数、逆变输出波形控制、提高系统的动态控制性能方面有很大的发展， 已成为现代焊接电源的发展主流之一。 逆变焊接电源的主电路主要由整流、滤波、逆变、二次整流输出等几部分组成。其 余部分为控制电路，由p w m 电路、网压波动补偿电路、外特性及动特性控制电路、驱 动与保护电路、电流与电压采样电路构成。逆变焊接电源的控制系统是整个电源的核心 部分，直接影响电源装置的可靠性和输出特性，因此必须具有完善、稳定的控制电路， 其与主电路相互配合，使焊接电源稳定工作。普通逆变焊接电源系统的结构如图2 2 所 示。 图2 - 1 逆变焊接电源控制系统框图 f i 9 2 1 t h ec o n t r o ls y s t e r mb l o c kd i a g r a mo fi n v e r t e rw e l d i n gp o w e rs u p p l y 逆变焊接电源的控制系统根据其控制方式的不同可以分为模拟控制和数字控制两 种方式【l l 】。 模拟控制是目前逆变焊接电源，尤其是逆变弧焊电源中应用最普遍的控制方式，其 控制部分主要由由电流和电压采样环节、给定环节、p i 控制器、p w m 信号产生等组成。 虽然模拟控制的逆变焊接电源较简单，便于设计和维修，而且使焊机工作的可靠性大大 提高。但模拟系统有着一些难以更改的缺陷，比如系统的配置和增益由阻容网络等硬件 参数所决定，一旦确定就不易改变，只能通过专业人士改变机器内部的可变电阻的大小 或改变硬件参数等方法来改变，操作起来不直观且不方便。系统信号的处理是通过有源 或无源的电网络进行，处理参数的设定通过电阻、电容参数的选择来完成，这样在模拟 系统中阻容参数的容差、漂移必然导致控制器参数的变化，方面模拟控制的稳定性较 差，另一方面模拟控制的产品一致性难以保证，很大程度上限制了逆变焊接电源的进一 步发展i l 引。 数字控制的逆变焊接电源是指其控制系统由传统的模拟技术完全被数字技术所取 代，控制信号也随之由模拟信号转换为0 1 编码的数字信号。与模拟技术相比，数字控 7 江南大学硕士学位论文 制的逆变焊接电源有以下几个有点：1 数字化焊接电源具有更大的灵活性，易于实现柔 性化控制。数字化焊接电源的外特性控制是由软件编程来实现，因此可以设计多种外特 性适应不同焊接方法的要求，实现焊机的一机多用。在采用波形控制的熔化极气体保护 焊接中，对于不同的板厚、焊丝直径，不同的熔滴过渡形式，波形控制中的最佳的电流 波形会有所区别。数字化焊接电源的灵活性同时也体现在数字化焊机控制软件的在线升 级功能上。2 数字化焊接电源有更好的稳定性，因为在数字化控制中，信号的处理或控 制算法的实施是通过软件的加、减、乘、除等运算来完成的，因此其稳定性好，产品的 一致性也能得到很好的保证。3 数字化焊接电源具有更高的控制精度。数字化焊接电源 具有更高的控制精度。模拟控制的误差一般由元件参数值引起的误差和运算放大器非理 想特性参数( 如a d 、a c m 、a o s 、i o s 噪声等) 引起的误差所决定。而数字化控制的精 度仅仅与模数转化的量化误差及系统有限字长有关，因此数字化控制可以获得很高的精 度。4 为焊接电源的智能控制提供了可行性利用微控制器强大的控制能力和事件管理能 力使焊机控制引入自适应控制、模糊控制、神经网络控制等智能控制方法成为可能【l 3 1 。 由于数字化焊机有以上的优势，所以，焊机数字化的概念一经提出就受到了学术界 高度的关注，并成为现在研究的热点，数字化焊机代表着未来焊机的发展方向。因此焊 接电源传统的模拟控制系统转变为数字控制系统己成为一种必然趋势。 2 2 逆变器主电路结构的选择 2 2 1 逆变器开关器件的选择 功率开关元器件是逆变器中的一个关键器件。在7 0 年代开始使用的开关元器件是 晶闸管( s c r ) ，8 0 年代初用双极晶体管( b j t ) 和场效应管( m o s f e t ) ，8 0 年代末，由于绝 缘栅双极晶体管( i g b t ) 优越的性能和容量的大幅度提高，一度被成功应用于逆变焊接电 源中。在新型的功率开关器件中静电感应晶体管( s i t ) ，静电感应晶闸管( s i t h ) 和场控晶 闸管( m c t ) 都是很有前途的功率开关器件。当前，功率开关元件正朝着高压大容量化、 集成化、全控化、高频化及多功能化方向发展。功率开关器件从可控性来分，可以大致 分为半控型和全控型器件，如普通晶闸管( s c r ) 、逆导晶闸管( r c t ) 、非对称晶闸管( a s c r ) 和双向晶闸管( t r i a c ) 均为半控型器件，半控器件存在着开关速度较慢的缺点。全控型 器件，如可关断晶闸管( g t o ) 、电力晶体管( g t r ) 、功率场效应管( m o s f e t ) 、绝缘栅双 极性晶体管( i g b t ) 等，它们的性能优越。全控型器件的开通和关断是由栅极控制，具有 导通电阻小、正向压降低、开关速度快、开关损耗低、d v d t 及d v d t 耐量大等优点。 全控型器件是今后电力半导体发展的方向i l 4 | 。 在逆变焊接电源中，对功率半导体开关器件有如下基本要求： ( 1 ) 耐电压值高。 ( 2 ) 开关速度快，开关损耗低。 ( 3 ) 动态特性d u d t 及d v d t 耐量要高。 ( 4 ) 耐冲击电流大，可靠工作范围大。 ( 5 ) 热稳定性好。 第二章大功率逆变焊接电源总体方案选择 基于以上考虑，全控型器件应是优先考虑选用的器件。5 0 0 v 级达林顿g t r 、功率 m o s f e t 和i g b t - - - 种全控型器件的特性比较。g t r 开关速度较低，对d i d t 有影响，而且 是电流驱动方式，驱动功率较大，还存在二次击穿问题；功率m o s f e t 有较好的高速控 制性能，然而容量小，难以实现大电流，并且主要应用于小型和轻型设备中，一般只用 于中小功率的场合( 6 3 a 3 1 5 a ) ；i g b t 是m o s f e t 与双极晶体管的复合器件，它兼有 m o s f e t 易驱动和功率晶体管g t r 电压、电流容量大的优点，其频率特性介于m o s f e t 与功率晶体管g t i 晓间，可正常工作于几十千赫兹频率范围内，在较高频率的大中功率 应用中占据了主导地位。综合考虑，本文选用了功率i g b t 作为逆变器的开关器件【1 5 1 。 2 2 2 逆变器主电路拓扑选择 逆变焊接电源发展到今天，基本功率转换主回路( 即逆变主电路) 的电路拓扑结构 有推挽式、全桥式、半桥式以及单端式( 包括单端正激、单端反激) 等四种主要形式 1 6 】。 推挽式逆变电路：只用两个高压开关管能获得较大功率输出，一对功率管的发射极 相连，两组驱动电路彼此间无须绝缘，驱动电路简单，但高压开关管承受的反压较大， 原边绕组只有一半工作时间，高频变压器利用率低，适合用于单相输入的电源中。 全桥式逆变电路：将输入电压直接加在高频变压器上，对高压开关管耐压要求低， 变压器利用率高，易获得大功率输出。但其需要四只功率开关管，相应驱动电路复杂。 半桥式逆变电路：也只有两个开关管，驱动电路简单，抗不平衡能力强，但加在高 频变压器的电压值只有输入电源电压的一半，欲得到和全桥、推挽式电路相同的输出功 率，高压开关管必须流过两倍的电流，而且它必需有两个输入电容，流过与电路工作频 率相同的充放电电流，一般只宜获得中等功率的输出。 单端式逆变电路：所用的开关功率管数量少，控制电路简单，不存在直臂导通问题， 但高压开关管所承受峰值电流和电压较高，同时其高频变压器仅工作在磁滞回线的一侧 故只适合中小功率输出。 要获得大容量的输出，宜选用推挽式或者全桥式拓扑结构，但是推挽式电路中由于 漏感引起的电压尖峰v c e m 觚是全桥式的2 倍，这给电路设计与调试带来了困难，并对开 关管的耐压值提出了更高的要求。随着功率器件的发展、开关管性能的提高和控制技术 的发展，逆变焊接电源的主电路结构越来越多的采用全桥电路结构，其有助于逆变焊接 电源的高频化、大容量、高性能及轻量化的发展旧。 2 2 3 软开关技术的引用 传统的逆变焊接电源都采用硬开关技术，存在着很大的局限性【1 8 】：( 1 ) 开关损耗随 f 成比例增加；( 2 ) 寄生参数影响开关管的安全运行( - - 次击穿) ，容性开通和感性关断 瞬间产生的电流和电压尖峰将会使开关运行轨迹超出安全工作区( s o a ) ，影响开关的 可靠运行；( 3 ) 过高的d v d t 、d i d t 将产生严重的电磁干扰( e m i ) 。寄生电感、电容产生 谐振，一方面产生电压、电流尖峰，另一方面极高的d i d t 、d v d t 会产生严重的电磁干 扰。 为了解决硬开关技术所带来的一系列问题，在本课题中引入了软开关谐振技术，它 有以下几个方面的优点【1 9 】：( 1 ) 更高的效率、更高的功率密度( 效率高达9 6 、 9 江南大学硕士学位论文 p d = 2 9 w c c ) ；( 2 ) 更高的可靠性( 开关损耗减小) ，集成化；( 3 ) 减小电磁污染和环境噪 声( d v d t ，d i d t 减小) 。不仅如此，在焊接电源中引入软开关技术，可以降低保护电路的 复杂设计。而效率的提高，使功耗更小，产生的热量更少，从而又降低了散热片的体积， 有利于更进一步的减小焊机的大小。 在2 0 世纪，软开关技术的发展先后经历了7 0 年代的串联或者并联的谐振技术、8 0 年代中期的准谐振、z c s p w m 、z v s p w m f b p s z v s p w m 技术、9 0 年代初z c t - p w m 和z v t - p w m 以及9 0 年代中期的f b p s z v z c s p w m 技术这几个阶段。目前，软开关 技术的进展主要体现在小功率开关电源领域，对于大功率电源，尤其是焊接逆变电源， 由于其负载大范围变化频繁，工作环境恶劣，器件容量以及可靠性等方面的原因，软开 关技术应用还比较少。但是，见于软开关技术在降低损耗以及e m i 等方面的突出优点， 特别是在高频领域，软开关技术是逆变焊接电源的发展方向【2 0 1 。 2 2 4 软开关全桥逆变器拓扑结构 焊接逆变器属于大功率电源，其拓扑结构多为全桥逆变主电路。其软开关控制方式 采用移相控制方法，可采用专门的控制芯片u c 3 8 7 5 或者最新的控制芯片d s p 实现j 。 本文讨论一种移相控制z v s p w m 电路1 2 1 1 ，其利用变压器的漏感或原边串联电感和 功率管的并联电容来实现开关管的零电压开关，其电路主要结构如图2 2 所示。在其中， v d l o 巾4 分别是v t l v t 4 的内部寄生二极管，c l 以分别是v t l v t 4 的并联电容。l r 是谐振电感，它包括了变压器的漏感。每个桥臂的两个功率管成1 8 0 。互补导通，并且 有死区存在，防止直通，两个桥臂的导通角相差一个相位，即移相角，通过调节移相角 的大小来调节输出电压。v t l 和v t 4 分别超前于v t 2 和v t 3 一个相位，称v t l 和v t 4 组成的桥臂为超前桥臂，v t 2 和v t 3 组成的桥臂为滞后桥臂。移相控制z v s p w m 电路 通过实现开关管的零电压开关来减小传统的硬开关方式带来的损耗，是大功率逆变焊接 电源的发展方向。本文将在下一章节里详细分析移相控制z v s p w m 电路的工作过程。 v d 5 jli v d 7 c 5 = v j 一 l2i v 图2 - 2f b - p s z v z c s p w m 主电路图 2 3 功率控制系统方案的比较与选择 在逆变焊接电源系统的主电路结构和功率控制原理的基础上，分析比较各种功率调 节方案，选择一种主电路结构、开关损耗小、输出电流谐波分量小、输出功率因数高、 对电网谐波电流污染小的功率控制方案。 l o 第二章大功率逆变焊接电源总体方案选择 逆变焊接电源输出功率的调节方案主要有整流侧、直流侧和逆变侧三种方式调功， 功率的调节可以在这三个部分的任一个环节进行。 整流部分调节以晶闸管相控整流为主，直流变换调节以斩波为主，逆变部分调节有 脉宽调制( p w m ) 、调频( p f m ) 、脉冲密度调制( p d m ) 、移相调带u ( p s p w m ) 等方式。 2 3 1 整流侧晶闸管相控a c d c 调功 整流部分采用相控整流调节输出直流电压，可以是半控或全控整流。可控硅整流的 缺点是输出的直流电压中含有较大的脉动成分，使输出滤波困难，另外，相控整流使得 交流电网的输入电流并非正弦波，交流侧的谐波含量高，输入功率因数低，对电网有严 重的谐波电流污染【2 引。 对单相相控整流电路应用p s p i c e 软件进行仿真分析，其网侧输入电压、电流及输出 电压仿真波形如图2 3 所示，其谐波分析如图2 - 4 所示。 - 捌a ji 孵 _ 0 输出她叫! ； _- 繇一一 卜r n r r蒋 叶磷叶畸产吊冉 呻p 褥 - 静卅p奔黟叶j i j i h产 1 i i j ；i 醚 l l & 1 沌： 。：至f - 妊 i ll f 一飞 一熏：i | r 蜓r 。e ：| ：= = ： _ 一 j l _薹二：。 p 栋； ：盔。 i 。， il 1 ：j l 一 ! j ：ifc j f 弓 - 一 - - 两 i ：。 f 7f hi ：ir 一7 翻r - - i 争 。 _ 卜 l j 曩 _- k l输入电流t ： j j mj 【 ：、z “产 ：声 一m ：x，： 0 三一 牛：正一j ；z 一 _ o 0 0 - -o 嵋o - b 0 ，嵋1 0 0 1 2 0 l o ，峪 _ 7 n ：v n ：2 砒：工ir t n i t i l 垤 图2 - 3 输入电压虬、电流及输出电压仿真波形 喜 ： 矗 也 ： 拄 ：_ 矿：誊：毳 克慰克 越是 暑 。f - - - - - f 。移：ji o i j l i ，- ，a t l 。膏：轰：五= | = 天囊：凡j 且一a i i 执九 二j “。? 墨m ，“。“。8 ，r q u 帕o ， 图2 4 单相晶闸管相控整流电路输入电流谐波分析 f i 9 2 - 4 t h ep h a s ec o n t r o l l e dc u r r e n th a r m o n i ca n a l y s i so fs i n g l e p h a s et h y r i s t o r 仿真证明，相控调功电路输入功率因数很低，输入电流波形为尖峰脉冲，畸变很大， 谐波含量很高。 2 3 2 直流侧斩波d c d c 调功 直流变换采用斩波的方法，调节逆变器的输入电压来改变输出功率。这种方案可与 不控整流相结合应用，降低系统对电网的污染，且提高输入功率因数口3 1 。 江南大学硕士学位论文 对直流斩波电路进行p s p i c e 仿真分析，其输入电压和输出电压仿真波形如图2 5 所 示，斩波器件两端电压“z 及其流过电流f z 仿真波形如图2 - 6 所示。 200v ， 弋 1量箍输入 电陈， - - - - 输出茸成【，。_ ，? _- i r-：z 7 j 7 o s5 _1 0 ，ui 自- z a i 喀2 5 嵋3 “ 口i f l ：，口1 ：2 ， f i l 图2 - 5 直流输入电压u s ，输出电压u a 仿真波形图 f i 9 2 5t h es i m u l a t i o nw a v e f o r m so fi n p u tv 0 1 t a g e 、c u r r e n ta n do u tv o l t a g e 2 0 0 、 z 两球 审压赴 ；： - - - 泥f ；详7 白 电流参 一t ，x i ：； ， r ： j - - - j - - - j - - i _ 一 - - 薯冲事： t h 寸 。- j j 0 j 三r l： ，6 ，u h 坫，6 0 0 0 0 1 t $，b 0 4 0 u h，6 0 8 u 0 7 6 z 口u m7 6 1 5 0 0 i s7 6 z o o 口l ，7 6 2 3 5 6 l ， ai ce z 5 iv z s ：c ，z 5 ：i i 图2 - 6 斩波器件两端电压l 及其流过电流f z l 仿真波形图 f i 9 2 6 t h esi m u l a ti o nw a v e f o r m so fc u r r e n ta n do u tv o lt a g e 从仿真波形可以看出，在开关器件z l 开通时，其开通电压、电流均不为零，存在 较大开通损耗；在z l 关断时，其两端电压和流过的电流亦不为零，工作在硬开关状态， 存在较大的开关损耗大，效率低，e m i 也较大。 2 3 3 逆变侧d c a c 调功 逆变调功是通过调节输出电压的频率来调节负载的功率因数，或调节输出电压的有 效值的大小( 调节占空比) 来实现功率调节，其调节方案有多种。常规的逆变调功方式 主要有脉冲频率调制( p f m ) 、脉冲密度调制( p d m ) 、脉宽移相调制( p s p w m ) 等【2 4 艺6 1 。 ( 1 ) p f m 调频调功 p f m ( p u l s ef r e q u e n c ym o d u l a t i o n ) 通过改变逆变器工