（电力电子与电力传动专业论文）基于软开关技术的数字化弧焊逆变电源的研制.pdf

上海大学硕上学位论文 a bs t r a c t i nt h i sp a p e r , t h es t u d yb a c k g r o u n da n dm e a n i n go fa r cw e l d i n gi n v e r t e rp o w e r s u p p l yi si n t r o d u c e da tf i r s t ，a n dt h e nt h ep a p e rf o c u s e so nc h a r a c t e r i s t i c sa n d d e v e l o p m e n tt e n d e n c yo fd i g i t a lw e l d i n g i n v e r t e rp o w e rs u p p l y h i g hf r e q u e n c ya n d d i g i t a l i z a t i o ni st h em a i nd e v e l o p m e n tt e n d e n c yi nt h i sf i e l d h i g hf r e q u e n c yi n v e r t e r i sm a i n l yb a s e do nt h es o f i - s w i t c h i n gt e c h n i q u e t h i sp a p e rf o c u s e so nt h er e s e a r c h o ft h ea r cw e l d i n gi n v e r t e rd i g i t a lc o n t r o lw h i c hb a s e do nt h es o f ts w i t c h i n g t e c h n i q u e t h e s o f t s w i t c h i n ga r cw e l d i n gi n v e r t e rr e d u c e ss w i t c h i n gl o s s e sa n d i m p r o v e so p e r a t i n ge n v i r o n m e n to fd e v i c e sb yu s i n gz e r ov o l t a g et r a n s i t i o n ( z v t ) t e c h n i q u e t h e r e f o r e ，i ta c h i e v e st h ea i mo f t h ed i g i t a lc o n t r o la n dd i g i t a lp r o t e c t i o n t h em a i nc o n t e n t so ft h et h e s i sa r ea sf o l l o w s ：t h et o p o l o g y , o p e r a t i o na n d d e s i g no ft h em a i nc i r c u i t ；t h ec o n t r o lp r i n c i p l e 、d e s i g na n dr e a l i z a t i o no fd i g i t a l c o n t r o lc i r c u i t t h et r a d i t i o n a lp h a s e - s h i f t e d f u l l b r i d g ez e r o - v o l t a g e - s w i t c h i n g c o n v e r t e ri sb r i e f l yi n t r o d u c e d a ni m p r o v e ds o f ts w i t c h i n gf b p w mc i r c u i tw i m t h ea d d i n go ft h eb l o c k i n gc a p a c i t o ra n das a t u r a b l ei su s e d ，a n da n a l y z i n gt h e o p e r a t i o np r i n c i p l eo ft h ei n v e r t e rt h r o u g hu t i l i z i n gt h et r a n s f o r m e ra u x i l i a r y w i n d i n gi n d u c t o rt ol e tt h el a g g i n g - a n ns w i t c h e se a s yt or e a l i z ez v s t h ek e y t e c h n o l o g yt or e a l i z ed i g i t a lc o n t r o lo fw e l d i n gi n v e r t e ri s t o e s t a b l i s had i g i t a l c o n t r o ls y s t e m t h i sp a p e rp u tf o r w a r da ne m b e d d e dc o n t r o ls y s t e mc o n f i g u r a t i o n w i t h1 6 - b i tm c u ( m b 9 0 f 3 5 2 s ) a n df p g a ( c y c l o n ei i ) i no r d e rt or e a c h d i g i t a l i z a t i o n t h ed e s i g nc o n s i d e r a t i o no ft h ec o n t r o li d e at or e a c hd i g i t a l i z a t i o ni s t h ed i g i t a lc o n t r o lm e t h o da n dd i g i t a lp w mt e c h n i q u e f o rh i g hr e a l - t i m ec o n t r o l c a p a b i l i t y , c o n s i d e r i n ga tt h ea d v a n t a g e so ff p g a ，an e ws c h e m et h a tu s e sf p g a i n p o w e re l e c t r o n i cc o n t r o lt e c h n i q u ei sb r o u g h tf o r w a r di nt h i sp a p e r t h ep r i n c i p l e a n dm e t h o dw h i c hu s i n go ff p g at or e a l i z eh i g ha c c u r a t ep w mc o n t r o li sa l s o c h i e f l ya n a l y z e d t h ee m b e d d e dm c u i su s e dt or e a l i z ear e a lt i m es a m p l i n g t h r o u g ht h ea di n t e r f a c ec o n v e r t e ra n df e e d b a c kt h es a m p l i n gd a t at of p g a v i 上海大学硕士学位论文 m o d u l et h r o u g hp a r a l l e li n t e r f a c e t h ed i g i t a lp i dc o n t r o lc l o s e d - l o o pt e c h n o l o g yi s a p p l i e d t h ed e s i g nm e t h o do f d i g i t a lp w mg e n e r a t o rb a s e do nf p g ai sp r e s e n t e d i nd e t a i l i ti si m p l e m e n t e d b yv e r i l o gh a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e a f t e re x p e r i m e n t so nt h es a m p l ea r cw e l d i n gi n v e r t e rp o w e rs u p p l yw h i e hw a s d e s i g n e dw i t hd i g i t a lc o n t r o lt e c h n i q u e d ct i gw e l d i n g , d cp u l s et i gw e l d i n g , a cs q u a r e - w a v et i ga n da ct i gw e l d i n gf u n c t i o ni st e s t e d t h er e s u l t so ft h e e x p e r i m e n tw a v e f o r ma r eg i v e n s u m m a r i z et h ep a p e ra n ds o m ea d v i c e sf o rt h e f u t u r er e s e a r c ho nt h ed i g i t a lw e l d i n gi n v e r t e ra r eg i v e n k e y w o r d s ：a r ew e l d i n gi n v e r t e rp o w e rs u p p l y ：d i g i t a lc o n t r o l p h a s e - s h i f t e d f u l l b r i d g e ；s o f t - s w i t c h i n g ：f i e l dp r o g r a m m a b l e g a t ea r r a y ( f p g a ) 上海大学硕士学位论文 y 1 1 4c , 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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：炒日期： 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，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。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：抹像连导师签名：日期： i i 上海大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 电力电子技术是以电能的变换和控制为目的的电子技术，美国p h i l i pk r e i n 博士在( p o w e re l e c t r o n i c sh a n d b o o k ) ) 中这样定义：“电力电子技术是研究用于 控制( 电) 能量流动的电子电路，而且这些电路处理功率流的能力要比单个器 件的功率定额大得多。”【1 】所有电力电子电路都是用来管理某种电源与负载之间 的电能流动。电力电子技术已成为现代技术中的重要组成部分，对电力和能量 的控制起到了关键的作用。随着电力半导体器件不断改进、电压电流等级不断 提高以及新器件的不断出现，电力电子技术的应用领域也在不断开拓。现代电 力电子技术在各种高质量、高能效、高可靠性的电源中起着不可替代的关键作 用。当前，电力电子技术作为节能、省材、自动化、智能化、机电一体化的基 础，正朝着应用技术高频化、硬件结构模块化、产品性能绿色化的方向发展【2 】。 作为电力电子技术领域中主要分支之一的现代电源技术是集合电力电子半导体 器件、自动控制、计算机( 微处理器) 技术和电磁技术等多领域于一体的电力学 科。 在应用电力电子技术的各种电源系统中，开关电源技术均处于核心地位。 采用高频开关电源技术，电源系统的体积和重量都会大幅度下降，而且可以提 高电源利用效率、节省材料、降低成本。在电动汽车和电力传动领域中，更是 离不开高频开关电源技术，通过开关电源改变电能频率，从而达到近于理想的 输出控制。高频开关电源技术更是各种大功率开关电源的核心技术，本课题涉 及的弧焊逆变电源即属于高频开关电源的一种，是应用于金属焊接领域的一种 特种工业电源 3 , 4 i 。弧焊技术是现代焊接技术的重要组成部分，其应用范围几乎 涵盖了所有的焊接生产领域。电弧焊作为一种基本的焊接方法被广泛运用于国 民经济的各主要工业部门。作为一种气体导电的物理现象，电弧放电是在1 8 0 1 年被迪威发现的，直到1 8 8 5 年俄国人别那尔道斯发明了碳极电弧，可以看作是 电弧作为热源应用的创始，而电弧真正运用于工业是在1 8 9 2 年发现金属极电弧 上海人学硕上学位论文 后。在上世纪四十年代研究成功埋弧焊，此后随着航天与原子能技术的发展， 又出现了氩弧焊。上世纪五十年代出现了气体保护焊，并研究出等离子弧焊， 为电弧焊提供能量的弧焊电源从诞生起到现在己取得了很大的发展【5 】。到七、 八十年代弧焊电源更是快速飞跃发展：多种型式的弧焊整流器相继出现和完善， 研制成功多种型式的脉冲弧焊电源，为进一步提高焊接质量和适应全位置焊接 自动化提供了性能优良的弧焊电源。此外，还先后研制成功高效节能性能完善 的晶闸管式、晶体管式、场效应管式和绝缘门极双极性晶体管( i g b t ) 的弧焊 逆变器。随着新型弧焊技术的发展，弧焊电源设备也有了长足的进步。 电力电子技术的理论是建立在电子学、电力学和控制学三个学科基础之上 的。提高功率转换的效率一直都是电力电子技术所追求的目标，也是电力电子 学的主要特征之一1 0 捌。功率半导体技术是电力电子技术的基础，随着微电子 技术和固体电子学的发展，以栅控功率器件为代表的现代功率控制半导体技术 得到了迅速发展，已经从各种类型的晶闸管发展到各种类型的金属氧化物半导 体( m o s ) 型器件，现在正朝功率半导体器件和微电子器件紧密结合的高频化、 大功率化、智能化、模块化的方向发展。绝缘门极双极晶体管( i g b t ) 是近年 来电力电子领域中发展最快的一种器件，它本质上是一种场效应晶体管，将功 率场效应晶体管( m o s f e t ) 和g t r 集成在一个芯片上，既具有功率m o s f e t 的高速开关及电压驱动特性，又具有双极晶体管的低饱和电压特性，易于实现 传输较大电流的能力。 而焊接电源的发展与电力电子技术、信号处理技术及计算机控制技术的发 展密不可分。作为现代工业重要的工艺装备，弧焊电源已经不是传统意义上的 工业产品了，它将冶金、机械、电工、电子及计算机技术集于一体。焊接设备 及焊接技术在国民经济建设中发挥着越来越重要的作用。在弧焊电源行业中， 逆变焊接电源的研制成功对焊接电源的技术进步具有“革命性”意义。由于逆 变焊接电源具有效率高、节能、焊缝成型好、控制精度高、体积小、重量轻等 优点，具有极其广阔的发展前景，是焊接电源的发展方向。i g b t 逆变电源已被 国家列入重点支持的高新技术产品目录。 2 j ：海大学硕士学位论文 1 2 课题研究的目的和意义 金属焊接是指通过适当的手段，使两个分离的金属物体产生原子或分子间 结合而连接成一体的连接方法。焊接是金属加工和制造业的重要加工工艺，它 是一种精确、可靠、低成本永久性的连接材料的方法【3 t 4 】。到目前为止，还没有 其它方法能够比焊接方式更为广泛、可靠地应用于金属连接。世界上所有大型 工业产业，例如航空航天、造船、通讯、家用电器、大型电站、冶金、微电子、 武器装备等，其焊接都是最主要的工艺。据统计，世界上有一半的金属制品是 靠焊接来完成的。焊接方法种类繁多，随着现代工业生产的需要和科学技术的 蓬勃发展，焊接技术不断进步，到目前为止出现的新型焊接方法就多达数十种， 但应用最广泛的焊接方法仍为电弧焊。它包括焊条电弧焊( s m a w ) 、埋弧焊 ( s a w ) 、钨极气体保护焊( g t a w ) 、等离子弧焊( p a w ) 、熔化极气体保护焊 ( g m a w ) 等等【3 4 7 1 。电弧焊是以电极和焊接工件之间燃烧电弧作为热源，若 所用的电极是在焊接过程中用于熔化的焊丝，则此类叫做熔化极电弧焊；若所 用的电极是在焊接过程中不熔化的碳棒或钨棒，则此类口q 做不熔化极电弧焊【7 】。 气体保护焊是利用外加气体作为保护介质的一种电弧焊方法，其优点是电 弧和熔池可见性好，操作方便。根据保护气体活性程度的不同，气体保护焊可 分为惰性气体保护焊和活性气体保护焊。钨极氩气保护焊【7 】是一种典型的惰性 气体保护焊，它在氩气( a r ) 的保护下，利用钨电极和工件之间产生的电弧热 熔化母材和填充焊丝( 如果使用填充焊丝的话) 的一种焊接方法，通常称为t i g 焊( t u n g s t e ni n e r tg a sw e l d i n g ) 。由于t i g 焊在焊接时电弧是在氩气中进行燃 烧，而氩气具有极好的保护作用，能有效地隔绝周围空气，氩气作为一种惰性 气体既不与金属起反应，也不溶于金属，使焊接过程中熔池的冶金反应简单易 于控制，可获得高质量的焊缝。钨极在焊接过程中不熔化，形成的电弧非常稳 定，因此在很小的焊接电流时仍可稳定燃烧，特别利于薄板材型的焊接。由于 热源和焊丝填充是分开的，因此热输入的功率容易调节，且可进行全位置焊接。 t i g 焊的缺点是采用氩气，生产成本较高，且熔敷速度较慢，生产速率低【3 ，4 】。 虽然t i g 焊可以用于几乎所有金属和合金的焊接，但考虑到成本问题，通常多 上海人学硕士学位论文 用于焊接铝、镁、钛、铜等有色金属以及不锈钢、耐热钢等。t i g 焊按操作方 式分为手工焊、半自动焊和自动焊三类。手工钨极氩弧焊时，焊枪的运动和添 加焊丝完全靠手工操作；自动焊时焊枪固定在焊接小车上，小车的行走和填充 焊丝均有机械马达装置完成。其中手工钨极氩弧焊应用最广。 本课题研究目标是研制一款高性能的数字化控制弧焊逆变电源，从成本和 市场需求考虑，倾向于焊接贵重金属如铝、镁、铜等有色金属以及特种钢材， 因此本课题的研究最适用于t i g 焊接电源。 1 2 1 弧焊逆变电源的发展趋势 随着工业技术、电力电子技术和科学技术的不断发展，焊接工艺也在不断 进步。焊接电源从电磁控制发展到电力电子控制，从整流电源发展到逆变电源， 且主电路拓扑结构更加完善。在电弧焊领域中，逆变焊接电源由于具有体积小、 节能省材、控制性能好、动态响应快、焊接过程实时控制易于实现等诸多优点， 已成为国际上公认的最先进的焊接电源之一，是焊接电源领域的研究热点，有 着巨大的发展潜力哺, 9 1 。数字化、高频化、软开关、“绿色电源”等是弧焊逆变 电源的总的发展趋势。 随着逆变技术的发展和数字化控制技术的应用，逐渐形成了由逆变主电路 代替传统主电路和由数字控制代替模拟控制的趋势。焊机的数字化包括两方面 的内容，即主电路的数字化和控制电路的数字化。在主电路方面焊接电源从模 拟式焊机发展到逆变式焊机，实际上是完成了主电路从模拟到数字化的跨越。 我国电焊机行业生产的逆变焊机技术已基本成熟，产品的质量和可靠性已基本 满足用户需求，逆变技术正迅速进入焊接产品的各个领域，可以说逆变焊机是 电焊机发展的主要方向【1 0 1 。因此逆变弧焊电源的数字化主要是指控制回路的数 字化实现。现有模拟回路控制逆变焊机的输出特性都是采用硬件电路来获得， 种输出特性的获得需要设计对应的硬件电路，这增加了焊机的成本，同时模 拟电路易受器件性能的影响，产品一致性不好。由数字控制的优势以及总结现 有的数字化焊机的特点，可大致归纳数字化焊机具有以下显著特点【l l 1 2 ，1 3 1 ： ( 1 ) 系统的控制策略可实现柔性化控制和多功能集成。电源外特性由软件灵 4 上海人学硕士学位论文 活控制，容易实现一机多用。对于自动焊机，可以增加焊接参数预置、记忆与 再现等功能。利用精确的数字控制，采用电子电抗器和波形控制等技术，利于 进行控制系统的优化设计。 ( 2 ) 数字控制系统的控制精度基本取决于系统的位数，控制精度高。可利用 计算机的存储功能和高速、高精度数字信号处理技术，可以使焊机向多功能化 和智能化发展，便于在焊机中引入自适应控制、模糊控制、神经网络控制等现 代控制方法，进行焊接参数的优化、焊接质量的控制等。 ( 3 1 数字控制系统以数字信号处理器为核心，受环境温度以及噪声的影响较 小、可靠性高，稳定性好。 ( 4 1 模拟系统的性能受元器件参数性能变化的影响比较大，而数字控制系统 基本不受影响，产品的一致性好，便于测试、调试和大规模生产。 ( 5 ) 可利用数字信号处理器的高速计算能力和丰富的外部接口与通讯能力， 与其他的现代数字控制系统或设备相互兼容，实现网络化。 ( 6 1 同一类型的焊机，功能的改进可以只通过软件设计来实现，使设计人员 在开发过程中能灵活方便地对软件进行修改和升级。 弧焊逆变电源的另两大发展趋势是：高频化、软开关，二者是相辅相成的。 若实现高频化，由于其开关器件工作在高频通断状态，高频的快速瞬变过程本 身就是电磁骚扰( e m d ) 源，它产生的e m i 信号有很宽的频率范围，又有一定 的幅度。功率器件高频开通关断的操作导致电流和电压的快速的变化是产生 e m i 的主要原因【1 4 1 。在电路中的电感及寄生电感中快速的电流变化产生磁场从 而产生较高的电压尖峰；电路中的电容及寄生电容中快速的电压变化产生电场， 从而产生较高的电流尖峰。直观的理解，减小电压率d u d t 和电流变化率d i d t 以及减小相应的杂散电感和电容值可以减小由于上述磁场和电场产生的噪声， 从而减小e m i 干扰。在硬开关电路中，功率器件存在开通时的电流冲击和关断 时的电压应力，功率器件的工作安全性下降，且开通关断过程中产生可观的能 量损耗，降低了电源的能量转换效率，制约了开关电源向高频化、小型化、高 功密度方向发展，因此必须减少开关损耗。减少开关损耗的途径主要有两个： 一是提高功率器件本身的开关性能，使其开关损耗减少；二是从电路拓扑结构 e 海大学硕上学位论文 和控制方式上改善功率开关器件的开关性能，相应的技术包括缓冲技术、软开 关技术等。其中软开关技术在减少功率开关器件的开关损耗方面效果最好，理 论上可使开关损耗减少为零i ”】。 软开关技术是八十年代初由美国弗吉尼亚电力电子中心李泽元教授首先提 出并应用于d c d c 变换器中的。在开关电源中，由于功率开关管不是理想的开 关器件，在开关管开通时，开关上的电压不是立即下降到零，而是有个下降过 程，同时电流也不是立即上升到负载电流，也存在上升过程。在这个过程中， 电流和电压有个重叠的过程，从而产生损耗，这就是开通损耗；在开关管关断 时，开关上的电压也不是由零立即变为电源电压，而是有个上升过程，电流也 不是立即变为零，也有个下降时间，在这个过程中，电压和电流也有个重叠过 程，产生损耗，这就是关断损耗。因此在开关动作时，开通损耗和关断损耗是 基本恒定的，主要由开关动作的上升时间和下降时间决定，统称为开关损耗。 在硬开关条件下，在每个开关周期中，开关损耗恒定，因此当频率增大时，开 关损耗也线性增加，开关频率越高，开关损耗越大，逆变电源的功率转换效率 也就越低。 减少开通损耗的两种方法： ( 1 ) 在开关开通时，使其电流保持在零，或者限制电流的上升率，从而减少电 流与电压的交叠区，这就是所谓的零电流开通。 ( 2 ) 在开关开通前，使其电压下降到零，这就是所谓的零电压开通。 减少关断损耗的两种方法： ( 1 ) 在开关管关断前，使其电流减少到零，这就是所谓的零电流关断。 ( 2 ) 在开关管关断时，使其电压保持在零，或者限制电压的上升率，从而减少 电流与电压的交叠区，这就是所谓的零电压关断。 1 2 2 本课题研究意义 根据中国电器工业协会电焊机分会的电焊机行业“十一五”规划：“我国的 电焊机行业任重而道远，需尽快调整产品结构、提高产品档次、顺应市场要求； 尽快完善并采用数字化逆变电源和高效气体保护焊机。大力发展气体保护焊、 6 上海大学硕上学位论文 大力推进运用逆变焊接电源是今后5 年的工作方向。国产数字化焊机技术将达 到国外2 0 世纪9 0 年代水平。逆变焊机将向数字化、轻巧化、节能化、高可靠 性化方向发展。数字化逆变电源、高效率气体保护焊是未来十五年的发展方向。 焊机将实现数字化技术，智能化技术会越来越成熟且水平更高。” 随着钢加工、钢产量、钢用量不断上升，焊接设备的需求也不断上涨。焊 接已不再是一种单纯意义上的辅助加工工艺，它是制造业中关系国计民生与国 防建设的重大战略性产品生产加工的重要手段，已发展成为集多种学科为一体 的工程科学。焊接在工业经济中的作用和地位无法取代。但是我国焊接生产中 应用的关键焊接材料、焊接设备，尤其是高端电源设备如全数字化逆变式焊机、 双丝脉冲气体保护焊机等严重依赖国外进口，具有我国自主知识产权的关键技 术与产品不多，且总体研发、创新水平都不高。我国每年进口的焊接电源和设 备材料的费用约占国内市场总额的一半。 中国焊接协会和中国机械工程学会焊接学会确立的未来十年焊接领域需要 开展的三大关键核心技术之一即是多功能全数字化逆变弧焊电源技术。数字化 逆变焊接电源的研究开发不仅仅是电路的开发与创新，必须将逆变电源的开发 与工艺，特别是电弧物理相结合，开发新型高性能多功能的弧焊电源，推动使 用量大面广的弧焊技术的发展。 本课题所涉及的多功能全数字化逆变弧焊电源技术是焊接技术的总体发展 趋势之一。在现代焊接领域，弧焊逆变电源的数字化控制技术为焊接设备的发 展开拓出了一个全新的发展空间，具有控制精度高，焊缝成型一致性好、扩展 性强、操作方便、便于生产自动化等优点，主要用于大型设备制造、钢结构、 汽车业、薄板焊接、压力容器制造、轨道及车辆业制造及修补、自动化设备制 造、管道、造船业以及家用设备制造等众多行业。数字化焊接技术作为焊接产 业新的发展方向有着原有模拟设备不可比拟的优越性。 目前我国在数字化焊机方面的研究远远落后于国外发达国家，国外的数字化 焊机在国内占据了很大的份额，而且国外数字化焊机价格非常昂贵。本课题的 研究不仅可以降低国内应用焊机的行业的生产成本，而且可以以低成本、高质 量、高稳定性的优势大量销往国外，为国家出口创汇。 7 上海大学硕士学位论文 1 3 可编程逻辑器件概述 1 6 , 1 7 电子技术、计算机技术、大规模集成电路技术和先进半导体制造工艺的飞 速发展，极大地推动了数字集成电路技术的发展，使得数字集成电路不断地进 行更新换代。它由电子管、晶体管、小中规模集成电路，发展到超大规模集成 电路( v l s i c ，几万门以上) 以及种类繁多的具有特定功能的完善的专用集成 电路。在数字系统中，使用最广泛的集成器件是中小规模集成的标准器件。标 准器件也称“非用户定制器件”，如7 4 系列和5 4 系列的t r l 器件、7 4 c h 系列 和c d 4 0 0 0 系列的c m o s 器件等，此类器件专用性能好，但因集成度低而功能 有限，构成系统时灵活性差，芯片间往往需要使用大量的外部连线，最终导致 系统可靠性差、费用高、体积大。因此出现了可编程逻辑器件( p r o g r a m m a b l e l o g i cd e v i c e ，简称p l d ) 。可编程逻辑器件是当前电子设计领域中最具活力和 发展前途的一项技术。 随着可编程逻辑器件在电子工程设计领域的广泛应用和发展，许多知名厂 商都在开发各种类型的可编程逻辑器件如x i l i n x 、a l t e r a 、l a t t i c e 、a c t e l 、a t m e l 、 c y p r e s s 等等，其中典型代表就是a l t e r a 公司和x i l i n x 公司，它们占据着全球约 6 0 0 的p l d 市场份额，可以说a l t e r a 和x i l i n x 两大公司共同决定着p l d 技术 的发展方向。随着可编程逻辑器件的应用日益普及，p l d 经过长期发展出现过 各种类型的器件，如p a l ( 可编程阵列逻辑) 、g a l ( 通用阵列逻辑) 、c p l d 、 f p g a 等等。当前应用最广泛的可编程逻辑器件是现场可编程门阵列( f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ，简称f p g a ) 和复杂可编程逻辑器件( c o m p l e x p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ，简称c p l d ) 。 1 4 国内外研究概况 本课题论文题目为“基于软开关技术的数字化弧焊逆变电源的研制”，是上 海大学机电工程与自动化学院与上海威特力焊接设备制造股份有限公司进行产 学研合作的横向课题，受到上海市科研计划项目资助，研发目标是设计并实现 一款高性能的数字化逆变焊接电源，使产品的各类技术指标保持在较高的水平， 上海大学硕士学位论文 紧跟世界焊接技术发展步伐，逐步向焊接数字化、自动化方向迈进。 1 4 1 国外研究概况 在一九九三年德国埃森焊接展览会上，芬兰的k e m p p i ( 肯比) 公司发布了 世界上第一款数字控制的焊接系统- - k e m p p ip r o ，从此数字化焊机的发展引起 了广泛的关注。而奥地利f r o n i u s ( 福尼斯) 公司于一九九八年推出的世界上第 一批全数字m i g 焊机标志着数字化焊机的实用化。目前，数字化焊接电源在国 外取得了迅速发展，并已推出了多款数字化焊接电源产品。 1 4 2 国内研究概况 在国内方面，数字化弧焊逆变电源仍处于探索性研究阶段，市场上尚未出现 真正意义上国产的数字化弧焊逆变电源产品。一些高校和相关机构已经在这方 面开展了相关的研究工作，如兰州理工大学利用d s p 作为控制芯片实现数字化 操作界面，配合p w m 发生芯片s g 3 5 2 5 实现逆变全桥的控制【l8 】和利用单片机 + d s p 实现弧焊逆变电源控制19 】：北京工业大学利用t i 公司高性能m s p 4 3 0 f 4 4 9 单片机为控制核心实现多功能t i g 弧焊电源控制【2 0 】等等。虽然相关院校和科研 机构都已在数字化焊接电源方面展开了一定的研究工作，但基本还处于实验研 究阶段，真正应用于产品实践的还很少。 1 5 论文的主要研究内容 本论文是以作者攻读硕士学位期间承担课题的工作为基础，在第一章中阐 述了课题研究的研究目的、意义以及国内外研究的现状概况；第二章阐述了弧 焊逆变电源主电路软开关拓扑的确定及参数选择，对改进的移相全桥零电压逆 变电路软开关拓扑的工作流程作了分析；第三章和第四章阐述了本设计的控制 电路系统的硬件设计和软件设计；在第五章中给出了实验波形；第六章总结全 文并展望。 9 上海大学硕士学位论文 第二章弧焊电源主电路拓扑与参数设计 2 1 弧焊逆变电源的基本原理 2 1 1 弧焊逆变电源主电路原理 弧焊逆变电源是一种高性能、高效、省材的新型焊接电源，有着广阔的应 用前景。直流逆变焊接电源大都采用交流直流- 交流直流( a c d c a c d c ) 变换 的方法i 啦”，其典型原理框图如图2 1 所示，即3 相3 8 0 v 工频( 5 0 h z ) 交流电 经全桥整流变成直流，再由功率开关器件组成的逆变单元将直流电逆变成几十 k h z 至上百l d - i z 频率的高频矩形波，经高频变压器耦合，整流后经电感电容滤 波后成为稳定的直流电，输出供电弧使用。当然，对于交直流两用焊接电源来 说还要再加上d c a c 的二次逆变单元部分。 市电 电网 供电 - j 2 c t e ，o a u a ( 2 5 ) 1 ， 而滞后臂的切换谐振过程中，由于副边上下二极管同时导通，输出电感无 法参与到原边的谐振中，这时原边的谐振电感为毛m + 栉2 上伽。 u c 222s i n c a t ( 2 6 ) u c 4 = 一致2 = 一2s i n a ，t ( 2 7 ) 上式中，= 1 千兰f 一。 2 毕撇+ k c l 。 因此，选取副边辅助谐振电感必须满足条件： 去k + 胛2 k 也2 2 c k 2 ( 2 8 ) 根据上述分析，本设计逆变电路开关频率为5 0 k h z ，超前桥臂并联电容 c l = c 3 = c u 。a ，超前臂的谐振切换即为超前臂并联电容的充放电，电容a 由现 放电至零所需时间即为超前臂功率开关管的最小死区时间。由式2 5 所示，可 以看出若输出电流较小即轻载时，口放电所需时间延长。因此超前臂并联电容 的大小与死区时间设置和要达到的零电压开关实现的负载范围均有关。令超前 臂的死区时间设为3 u s ，若要达到最大负载的5 即输出2 5 a 以上时实现零电压 开通。输入电压为5 4 0 v ，代入式2 5 可得c 副= 1 1 n f 。 对于滞后臂而言，滞后臂较难实现零电压开通，因为在滞后臂切换过程中， 输出电感无法参与到原边中，因此在本设计中依靠辅助副边电感提供能量。若 死区时间设置过长，设置死区时间为2 u s ，滞后臂并联电容要小，选用了6 8 0 p f 的高频电容并联这样对电感储能要求较小。 饱和电感是一种磁滞回线矩形比高，起始磁导率高，矫顽力小，具有明显 磁饱和点的电感。由于可饱和电感的起始磁导率高，磁阻小，电感系数和电感 上海人学硕士学位论文 量都很大，饱和电感工作时，饱和电感起的作用相当于一个磁性开关，即绕组 中的电流小时，铁心不饱和，绕组电感很大，起到电感储能作用；绕组中电流 大时，铁心饱和，绕组电感很小，相当于“短路”。 隔直电容c ，的参数确定：在隔直电容c r 充放电过程中，若输出电流最大 时( 满载) 根据经验公式，隔直电容的电压峰值为= 2 0 u d 。隔直电容由两 个重要因素决定，一是为了尽量减少占空比损失，容量要足够小；二是为降低 功率开关管电压应力，有效地起到隔离直流分量作用，容量要足够大。因此选 择隔直电容时要权衡两方面考虑，一般在满载输出时电容上耐受电压峰值为p 0 = 2 0 u a ，其计算公式如下： c c r 1 2 p r i t o 卫= 筹( 2 9 ) 其中，d 为最大输出功率占空比，考虑到占空比损失和死区时间，d 取0 8 ； f = 5 0 k h z ，= 4 1 ，t , o - = 2 0 u d = 5 4 0 x 2 0 = 1 0 8 v 。代入上式可得； c ：生里：兰! ! ! 兰 兰5ufcr 1 4 ，以，4 5 0 1 0 3 1 0 8 因此，为保证较大的高频电流流通能力，最终选用了两个2 2 u f 5 0 0 v a c 的 高频无感电容并联作为隔直电容。 2 5 逆变电源主回路参数设计 根据前面分析的电路拓扑选型，本设计确定的主电路结构原理图如图2 1 6 所示，主电路主要分为四部分：( 1 ) 输入整流滤波。输入为5 0 h z ，3 8 0 v 工频 三相交流电，电网进电经二极管整流桥整流后，经大容量电解电容滤波后提供 稳定的直流母线电压。( 2 ) 逆变器部分。采用i g b t 为主功率开关器件构成全 桥逆变电路，将直流母线电压逆变为高频的交流方波信号后经高频变压器降压 输出至副边。( 3 ) 输出整流滤波。高频变压器输出的交流电压经快速二极管全 桥整流成直流电压输出至二次逆变回路。( 4 ) 二次逆变输出。此部分是由于焊 接工艺的需要，要得到性能优良的交流方波电流输出。因为采用交流焊接时， 相当于在每个周期里半波为直流正接，半波为直流反接。处于直流反接过程时， 上海大学硕十学位论文 正离子( 相对于电子质量很大) 在阴极电场的作用下高速撞击氧化膜，使得氧 化膜破碎j 分解而被清理掉。此功能被称之为阴极清理作用或阴极雾化作用。 因此，交流方波脉冲输出同时兼顾了阴极清理作用和钨极烧损少、电弧稳定性 好的效果。在要求直流正输出时，v o u t a 与v o u t b 中保持在一只开关管常通， 而另一只开关管处于关断状态，则输出直流电；若要求交流输出时，控制v o u t a 和v o u t b 轮流导通，即可得到输出交流脉冲。 下面对关键器件如整流桥、电容、功率开关管i g b t 及高频变压器等参数选 择做了相关的分析。 十垫_ l0 一斗 ， 裔一一1 8为i ：h ! 、 一- - l f 卜b 一_ ， 壹；， 一、jr 。p 、i 1 兰峰l ，、r 一倒一 j 一、 i 一 一一 。_ 一0 ，j ，_ 7 一“ 壹k ；i 翌一一_ 、1 _ l 霄 、l ，j 蛊 一 名 一叟- ， 一一 i 、 1 酰 一一。 罟 、 吞 鲁， “鲁一 目取豳审 翻2 1 6 交直流输出的弧焊逆变电源主电路结构图 上海大学硕上学位论文 2 5 1 整流桥及直流母线电容的确定 在电容滤波的三相不可控整流电路中，最常用的是三相桥式结构。已知电 源进线为三相交流【= 3 8 0 v ，户2 砌= 5 0 hz 工频电压。经桥式整流后的直流电 压：叻= 压s 加( 产啦罢) ；其中假设二极管在距线电压过零点d 角处导通。 o 因此，原边主回路中直流母线电压在3 8 0 v 标准电网电压输入时最大为 5 3 7 v ，若考虑电网电压允许1 5 的波动，则电网进线最大电压为3 8 0 v + 1 5 ， 此时母线电压达6 1 8 v 最高。因此选用三相整流桥时其耐压考虑要在1 2 0 0 v ， 若留一定裕量则最好大于1 2 0 0 v 。另外对整流桥电流额定值的选定需根据输出 功率确定，本设计的应用于氩弧焊的弧焊逆变电源最大输出电流为5 0 0 a ，此刻 的约定负载工作电压u o = l o + o 0 4 1 0 ；可得u o = 3 0 v ，输出额定功率为1 5 k w 。根 据额定输入进线3 8 0 v 电压时，在考虑功率损耗，可得流经整流桥的电流大小 约为3 0 安培。考虑到留一定裕量，整流桥的额定电流一定在6 0 安培以上。因 此根据上述计算，本设计选用的三相不可控整流桥的型号为m d s 7 5 1 4 ；其可 承受的反向重复峰值电压为1 4 0 0 v ，通念正向平均电流额定值为7 5 a 。 如图2 1 6 所示，整流桥整流后直流电经电容滤波后接逆变全桥回路。直流 输入电路所导通的平均电流经验公式如= o ，( 为逆变全桥驱动脉冲的导 通占空比) 。由于考虑到死区时间的影响，最大导通占空比小于0 5 ，一般在0 4 2 左右。另外根据经验公式，电容容量一般由如确定，其值为c 兰( 4 0 0 5 0 0 ) 。 因此计算可得，需要的电容容量约在1 0 0 0 0 f 左右。考虑到电解电容的耐压大 小，因此选用两个耐压1 2 0 0 v 的容量均为2 0 0 0 p f 的电解电容串联构成电容滤 波环节。 在合闸上电的过程中，由于滤波电容两端还未建立起电压，输入电压加在 阻抗很小的电解电容的两端，相当于短路；若恰好在输入电压峰值时接通电源， 整流器将流过很大的浪涌电流。输入滤波电容越大，合闸浪涌电流越大且持续 的时间越长，会引起器件过流损坏。另外一方面电容输入式整流滤波电路在接 通交流电压时，合闸时对电容进行充电，若大功率开关管马上按照额定负载的 脉宽( 最大) 导通，输入电容以最大电流放电和输出电压的突然建立，将会形 上海大学硕上学位论文 成非常大的上电电流，使得功率开关管的负担过重，很有可能在合闸时就把功 率开关管烧坏。因此需要在电解电容前级加限流软启动电路。如图2 1 6 所示， 其工作原理是输入电网电压输入在合闸时，先接入限流电阻r 。将合闸浪涌 电流限制在规定范围内，等待电容充电一段时间后，再将该电阻短接，使整流 输出直流电直接给电容充电。但是限流电阻的选择要适当，过大，主回路电压 降损失大；过小，起不到可靠限流作用。在本设计中，选用的限流电阻k 。 为1 0 0 d 2 0 w 的水泥电阻。合闸上电后，延时一段时间( 即滤波电容c 品充电 值达到额定值9 5 左右后，其时间常数为r = r c = 1 0 0 q 2 0 0 0uf 2 = 1 0 0 m s ) 。 在本设计中通过控制电路在延时时间后触发继电器吸合，将上电限流电阻旁路。 在本设计中，为增大电流承受能力，采用四个继电器并联的形式，共同构成一 个触点。 此外，从安全角度考虑，由于电解电容容量比较大，在系统关机后其电容 上电压仍维持在直流母线电压，因此需要在电解电容上并联放电回路来释放电 容上储能。在本设计中，采用6 0 f 5 0 w 的放电电阻并联在每个电解电容两端。 2 5 2 功率开关器件的选型 主变压器原边逆变全桥的功率开关管是本设计的核心器件之一，对它的设 计、选择直接关系到整个焊机的安全、可靠，因此在计算参数时应留有一定的 裕量，而从成本角度则要求选择的功率开关器件尽可能实现物尽其用。i g b t 作为一种既有功率m o s f e t 高速开关性能，又具有双极型晶体管的高电压大电 流工作能力的新型器件。i g b t 将类似于功率m o s f e t 的绝缘栅输入结构和低 通态电阻的双极型功率晶体管结构的优点组合在一起，改善了器件性能，由于 它的优越的特性，成为了应用广泛的功率开关器件。i g b t 器件的模块化封装、 简单的栅极驱动电路、更低的开关损耗和导通损耗等优越性能，使其作为一种 现代