（电力电子与电力传动专业论文）新颖不对称半桥零电流准谐振变换器.pdf

四川太学硕士学位论文 h i g h p o w e ra s y m m e t r i c a lh a l f - b r i d g e z c s q u a s i - r e s o n a n tc o n v e r t e r p o w e re l e c t r o n i c sa n de l e c t r i c a ld r i v e p o s t g r a d u a t eh u a n gh u a f a n gs u p e r v i s o rh u a n g n i a n c i h i g h - - p o w e rz e r o - s w i t c h i n gc o n v e r t e r sa r et h ef o c u si nt h ed o m a i no f p o w e re l e c t r o n i c s ，a n dz e r o s w i t c h i n gc i r c u i tw i t hh a l f - b r i d g et o p o l o g y h a so n l yf e wt y p e s h a l f - b r i d g ec i r c u i te c o n o m i z e st w op o w e rs w i t c h e s a n dt w ot h i c k f i l md r i v ei n t e g r a t e dc i r c u i t s c o m p a r e dw i t hf u l l b r i d g e c i r c u i t ，s ot h ea p p l i c a t i o no fh a l f - b r i d g ec i r c u i ti si n c r e a s i n gw h e nt h e o u t p u tp o w e rr a n g ei sf r o mk i l o w a t t s t ot e n sk i l o w a t t s f a m i l i a rh a l f - b r i d g ec i r c u i t sm o s t l yu s es y m m e t r i c a ls t r u c t u r e ，a n d i n f a c t ，h a l f - b r i d g e c i r c u i t sc a na l s ou s ea s y m m e t r i c a ls t r u c t u r e i ti s r e p o r t e dt h a t t h ez e r o v o l t a g e s w i t c h i n ga s y m m e t r i c a lp w m h a l f - b r i d g e c o n v e r t e rh a sb e e nd e v e l o p e d b u tt h i sc o n v e r t e rh a ss o m el i m i t a t i o n s s u c ha sl o wo u t p u tp o w e r ，s m a l ll o a dv a r y i n gr a n g e ，c o m p l e xc o n t r o l ， l a r g ef i l t e rc a p a c i t o rw h i c ha c c o m p l i s h e st h eg o a lo fs t e a d yo u t p u t ，a n di t i sd i f f i c u l tt om a i n t a i ns o f t - s w i t c h i n ga tl i g h tl o a d i nt h i s p a p e r a h i g hp o w e r z c s q u a s i - r e s o n a n t c o n v e r t e rw i t h a s y m m e t r i c a lh a l f - b r i d g et o p o l o g yi sp r e s e n t e d ，i t sm a i n c i r c u i tt o p o l o g y a n dc o n t r o lt e c h n i q u ei sd i f f e r e n tf r o mt h et r a d i t i o n a l m a i nc i r c u i ta d o p t s a s y m m e t r i c a lh a l f - b r i d g et o p o l o g y a s t h er e s o n a n t s u p p l i e db y t h e a d d i t i v ec a p a c i t o ri nt h es e c o n d a r ys i d ea n dt h el e a k a g ei n d u c t a n c eo ft h e 四川大学硕士学位论文 t r a n s f o r m e r ，z e r o c u r r e n t - s w i t c h i n g f r o mf u l ll o a dt o l i g h t l o a di s a c h i e v e di nu s eo f f r e q u e n c ym o d u l a t i o nt e c h n i q u e t h e o p e r a t i o np r i n c i p l e a n dr e s o n a n t p r o c e s s o ft h e p r o p o s e d c o n v e r t e ri s a n a l y z e di nd e t a i l t h em a i nv o l t a g ea n dc u r r e n tw a v e f o r m s a r eg i v e nw i t ht h ee q u i v a l e n tc i r c u i t sa td i f f e r e n tt i m ei n t e r v a l si nah a l f s w i t c h i n gc y c l e t h e c o n d i t i o no fs o f t s w i t c h i n gi sd i s c u s s e d ，a n d t h e c a l c u l a t i n g m e t h o do fr e s o n a n te l e m e n t s i sd e d u c e d a h i g hp o w e r s o f t s w i t c h i n g i n v e r t e r w e l d i n gp o w e rs u p p l y i s d e v e l o p e du s i n g t h e a h b z c s q r c ，a n di t i sd e t a i l e di nf o u ra s p e c t s ：m a i nc i r c u i td e s i g n ， c o n t r o lc i r c u i t d e s i g n ，g a t e d r i v ec i r c u i t d e s i g n ，a n da u x i l i a r yp o w e r s u p p l yd e s i g n a tl a s t ，t h e c o m p u t e rs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t o ft h e p r o t o t y p e i sd o n et o v e r i f y t h e f e a s i b i l i t y a n dv a l i d i t y t h er e s u l t so f s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n ts h o wt h a tt h ec o n v e r t e ro w n st h ea d v a n t a g e s o fw i d es o f t - s w i t c h i n gr a n g ea n dh i g he f f i c i e n c y k e yw o r d s ：a s y m m e t r i c a lh a l f - b r i d g e ；z c s ；c o n v e r t e r 四川大学硕士学位论文 1概述 1 1 软开关变换技术 传统变换器采用恒频脉宽调制( p w m ) 控制方式，电路简单，控 制方便，但是p w m 技术存在的缺点也很明显【1 ，2 】：在功率器件开通 和关断过程中电流和电压重叠，产生开关损耗，并随开关频率的提高 而增加：电路中的寄生电感在高频时产生严重的电压尖峰( s p i r e v o l t a g e ) ；电路中的寄生电容在高频时产生严重的浪涌电流( s u r g e c u r r e n t ) ；二极管由导通变为截止对存在反向恢复期，若立即开通 与其串联的开关管，则容易造成瞬时短路。 为了进一步减小变换器的体积，需要提高开关频率，而提高开关 频率又将使开关损耗增加，尤其是i g b t 关断时电流拖尾造成的开关 损耗。因此开关变换器在高频化时需要解决的主要问题是开关最好工 作在零电压或零电流开关状态，以降低开关损耗，还可消除开关浪涌。 于是，软开关变换技术应运而生。 软开关变换技术的实质是在主电路上增加储能元件l 、c ，并利用 高频变压器漏感和电路中的寄生电感、电容，构成谐振回路，使功率 开关器件换流时，l c 产生谐振，迫使功率开关器件上的电压或电流迅 速降为零，从而提供良好的开关条件1 3 】。目前常见的软开关型逆变主 电路基本形式包括： ( 1 ) 零电流开关( z c s ) 谐振逆变主电路：零电流开关是指通过辅 助的l 、c 谐振元件，整形功率器件上的电流波形，使得功率器件在零 电流条件下自然关断，实现器件的自然换流，如图1 1 所示。 l 圈1 一iz c s 主电路 四川i 大学硕士学位论文 零电流开关技术的优点在于降低了器件的关断损耗，对具有少子 导电的功率器件如i g b t ，b j t 等，效果很好 4 , 5 1 。此外，由于谐振电 路的配置关系，使得电路对分布参数的敏感性降低。其缺点是由于流 过有源开关内的电流是正弦波，导致有较高的电流有效值和电流峰值， 另外，谐振电路的环流也产生了附加的导电损耗。在开通时，断态时 存在于器件输出电容的能量，在器件内部耗损掉，影响高频工作时的 效率。大电压开通时的d i d t 经密勒电容与门极驱动电路耦合，弓i 起对 门极电路的干扰。 用零电流的谐振开关，简单地代替p w m 逆变主电路中的功率开 关，可以得到簇近似的逆变电路，并可把它们看作p w m 与谐振电 路的混合体。 ( 2 ) 零电压开关( z v s ) 谐振逆变主电路：零电压开关是指通过辅 助的l 、c 谐振元件，整形功率器件上的电压波形，使得功率器件的输 出电容电压在器件开通前降为零，为元件的开通创造零电压条件，并 消除器件寄生输出电容相关的开通损耗，使得开关频率大大提高【6 j ， 如图1 2 所示。 圈1 2z v 8 主电路 零电压技术有两个缺点，一个缺点是器件过大的电压应力，此应 力与负载范围成正比，使得很难在负载大范围变化时保持零电压开关： 另一个缺点是续流二极管的寄生电容会诱发振荡，产生较大的损耗， 并可能引起系统振荡。 ( 3 ) 多凿振( m r c ) 逆变主电路：多谐振逆变主电路是指在一个开 关结构中综合零电压和零电流开关的特性，谐振电容既与开关器件并 联，又与二极管相并联，把开关器件和二极管都整形成零电压开关， 四川大学硕士学位论文 如图1 3 所示。 国1 3m r c 主电路 多谐振技术的主要优点是把所有的主要的寄生参数( 功率器件的 输出电容，二极管的结电容和变压器的漏感等) 都并入谐振电路内， 使得电路中的器件均在零电压时导通，从而降低了开关损耗，提高了 工作效率 7 】。缺点是调频工作时，电压应力较大。 ( 4 ) 串联谐振逆变主电路：电感l 、电容c 、功率器件和负载串联在 一起形成一个欠阻尼电路，引起振荡，这样流过功率开关的电流出现 自然过零，如图1 4 所示。 一 ( a ) 半桥串联谐振逆变主电路 囤1 4 + v d l v d 2 一 ( b ) 全桥串联谐振逆变主电路 串i ； 谐振逆变主电路 串联谐振逆变电路比较适合于恒定负载的电路，在串联谐振逆变 电路中，开关器件本身可以是反向二极管，即双向开关，也可以是单 向开关。 ( 5 ) 并联谐振逆变主电路：与串联谐振不同的是，在并联谐振电路 中，负载r 与电容c 并联在一起，电路也是欠阻尼的，使流过开关器 件的电流出现自然过零，如图1 - 5 所示。 四j i 大学硕士学位论文 + + v i ) 1 v d 2 【a ) 半桥并联谐振逆变主电路 一 ( b ) 全桥并联谐握逆变主电路 圈l 一5 并联谐振逆变主电路 在晶闸管中频炉中常常采用并联谐振的方法实现晶闸管的自然换 流。无论是串联谐振逆变电路还是并联谐振逆变电路，其输出功率的 调节都是依靠调节频率来进行的。由于电路中的电流或电压是正弦的， 电路中功率器件受到很大的应力，与电路的q 值成正比。 ( 6 ) e 类逆变主电路 e 类逆变主电路是由e 类放大电路改进并由串联谐振逆变改型而 成，如图1 6 所示。 lc ，乙r 圈i 一6e 类逆变主电路 e 类逆变主电路的优点是消除开关损耗，减少电磁干扰，主要缺 点是有较大的峰值电流流过开关，开关器件承受较大电压应力。 ( 7 ) 直流母线谐振逆变主电路：在直流输出端和逆变器之间接入一 个l c 振荡电路，这样具有恒定直流电压的母线变成一个高频直流脉动 或高频交流母线，从而在母线上出现电压过零现象，挂在这样母线上 的逆变器又派生出很多新的拓扑结构。谐振直流环逆变器基本电路如 图1 7 所示，利用谐振元件l 和c 及谐振控制开关v t 在逆变器的输 入直流电路产生谐振，把输入直流电压转换为一系列高频脉冲电压供 四j i i 大学硕士学位论文 给逆变器。 +1 l ill 变 c1 3 - v ti r 卒v d 换 1j 、j 器 ( a ) 逆变主电踣( b ) 波形图 圈1 7 谐振直流环逆銮主电路和波形 谐振直流环逆变器的优点是零电压开关条件与负载无关，易于控 制。主要缺点是：直流环节振荡电压幅值较大，一般为两倍以上的 电源电压；为了使l 、c 振荡电路每次过零点，需设置附加电路补充 振荡电路的能量损耗，以提供足够的能量使振荡幅值过零点；因为 在电压等于零时才能切换开关状态，谐振直流环逆变器只能采用离散 脉冲调制的方法来控制。 ( 8 ) 移相控制谐振逆变主电路：移相控制谐振逆变主电路是利用主 电路功率器件本身的二极管导通时，开通功率器件，实现零电压开通 的，如图1 8 所示。 圈1 8 移相控制逆变主电路 移相控制谐振逆变主电路开关频率恒定，在大范围内实现p w m 控 制，在功率开关器件换流瞬间实现软开关换流，综合了p w m 控制技 术和软开关的优点【8 。不足之处是滞后管零电压开通有一定的限制 范围，在轻载或电感量小时，往往难以实现零电压开通，选择漏感过 i n 川大学硕士学位论文 大或附加电感虽然可以增大滞后管的零电压开通范围，但又影响输出 功率，并使得占空比丢失现象更为严重。 1 2 不对称半桥变换器 软开关技术在实际应用时，为了避免开关管承受太高的电压应力， 一般采用桥式。这类变换器的特点是：处于关断的开关管因其互补管 的导通而被自然钳位。 随着功率器件制造技术的成熟，大功率开关管价格下降，在几千 瓦到十几千瓦的应用领域，采用半桥电路的器件成本己低于采用全桥 电路的成本，加上半桥电路的驱动较全桥少用了两个驱动模块，因此 半桥式方案要比全桥式方案成本减少约5 ，这在产品设计中是个值得 重视的问题。 现有的半桥变换器大多用对称结构，实际上半桥变换器还可以用 不对称结构1 2 1 3 。图1 9 给出了一种不对称脉宽调制 1 4 半桥电路结构， 利用开关管输出电容与变压器漏感发生串联谐振，以零电压的方式降 低了开关损耗。当开关m l 和m 2 在不对称p w m 控制下工作时，忽略 开关转换过程中的死区时间，m l 、m 2 的工作周期分别为d 和( 1 一d ) 。 l r 为变压器原边漏感，它与两开关管上的寄生电容c i 、c 2 组成串联谐 振电路，为功率开关管m l 、m 2 的零电压开通创造条件 v 虹 目：p 1 = = c l j c b l - ； j ：e 2 k m 叫昌，p ：= i j 厂 t c f i ii ； k 国1 9z v s a i a w l v i i i b c 电路 该逆变器可以在恒定的频率下工作，调节占空比d 的大小就可以 四j i i 大学硕士学位论文 改变输出直流电压。但这种电路的负载范围较窄，轻载时难以实现软 开关，控制难度较大，要得到稳定输出所需的滤波电容较大 1 5 , 1 6 。 1 3 软开关技术在弧焊电源中的应用 软开关技术综合了p w m 技术和谐振开关技术的优点，具有较理 想的特性，可以应用到各个领域的电力电子装置中。 目前逆变式弧焊电源通常采用传统的p w m 控制方式。在这种方 式下，功率开关器件工作在硬开关状态，即在电压、电流同时不为零 时开关，则不可避免具有容性开通、感性关断、开通和关断损耗大、 二极管反向恢复四大问题，并且开关损耗随着频率的提高而增大。有 研究表明，频率在2 0 k h z ，采用i g b t 功率器件的p w m 硬开关逆变式 弧焊电源，其功率器件损耗占总损耗的6 0 7 0 ，甚至更大。逆变 式弧焊电源可靠性是普遍存在的问题，经常发生功率器件损坏等恶性 故障。为了功率开关管的安全运行，不得不附加多种保护电路，而且 电路的寄生电感和功率器件的寄生电容在高频时产生严重的电压尖峰 和浪涌电流，般需加缓冲电路，这样就使电路复杂，降低了整机的 可靠性。同时，功率开关管上的开关损耗转移到了缓冲电路，而缓冲 电路也消耗能量，频率越高损耗越大，降低了整机的效率【l 7 1 。 由于上述缺点，近年来人们把软开关技术应用到焊接领域 1 8 - 2 0 1 ， 使逆变式弧焊电源具有更高的效率一一自身功耗大大降低，更高的功 率密度一一自身体积质量大大减小，具有更高的可靠性，并有效地减 小了电磁污染( e m i ) 和射频干扰( r f i ) 。软开关技术的应用为发展 新型绿色弧焊电源提供了有效的方式和方法，可以预言，软开关逆变 式弧焊电源将成为发展主流【2 “。 在软开关逆变式弧焊电源中，目前研究的比较多的为移相控制方 式，在小功率下逆变器主回路多采用半桥，而在中大功率场合下般 采用全桥变换器，主要有z v s p w m 全桥变换器和z v z c s p w m 全桥 变换器两种形式【22 1 。在国内，已有华南理工大学、哈尔滨工业大学以 及清华大学等几所高校研制出z v s p w m 弧焊逆变器样机并有小批量 生产。 四川大学硕士学位论文 1 4 本文所做的工作 本文以一台大功率软开关逆变式弧焊电源的设计为例，提出了一 种新颖不对称半桥零电流准谐振变换器。本文详细分析了该变换器的 工作原理和谐振过程，给出了软开关的条件，并设计了控制电路。最 后，对提出的新颖不对称半桥零电流准谐振变换器进行了仿真、实验， 在5 0 a 4 0 0 a 的范围内实现了零开关，满载时效率达到8 8 2 。仿真 实验结果表明，不对称半桥零电流准谐振变换器具有软开关范围宽、 效率高的优点。 四川大学硕士学位论文 2 新颖不对称半桥零电流准谐振变换器工作原理 2 1 新颖不对称半桥零电流准谐振变换器的基本原理 新颖不对称半桥零电流准谐振变换器的主电路原理如图2 1 所示， 工作过程如图2 - 2 所示。零电流准谐振方式有全波和半波两种工作模 式1 2 3j ，其中半波模式电路简单，谐振过程中无能量反向传输，因而损 耗小于全波模式。本变换器选择了半波模式和不对称半桥电路结构， 在变压器副边添加一个电容，利用它与变压器漏感的谐振，以零电流 准谐振的方式实现了软开关。 v 缸 r 骨 广r 竹 l d l ：。扯丰o r c r = 叫 2 ， 圉2 一l a 船z c s q r t c 原理圈 z ，导通期间，电源v 。与c b 之差经过z l 、l ，和变压器向c ，充电。 由于l ，、c ，构成了串联谐振环节，因此充电电流i l ，按照谐振规律变化， 从零上升到最大值再降至零，形成电流i l 。的上半周期。设计z i 的开 通时间大于或略大于一个谐振周期，就可以实现z i 的零电流开关。z 2 的工作过程与z l 基本相同，由c b 充当电源，形成电流i l ，的负半周。 显然，为了保证零电流开关，z 1 、z 2 必须有固定不变的导通时间，输 出电压只能依靠改变开关频率来实现，工作频率随输入电压的减小或 负载电流的增加而增加。这里用的控制方案可认为是恒定导通时间可 变关断时间的变频控制，且上下两管的相位恒差1 8 0 0 。 四川大学硕士学位论文 ，l r ，o 一 m 氘 f 珊 翠 、 、 i i 一匆( n 。0 一 ： 寸一曩一苓才一f 国2 2a 班z c s q r c 的驱动信号及工作波形 2 2 新颖不对称半桥零电流准谐振变换器的工作过程 图2 1 、2 2 所示分别为该变换器的主电路原理图和开关驱动信号 及工作波形。图中主要符号及物理量说明： v 。输入直流电压 z l ，z 2功率开关管 c 。隔直电容 l ，谐振电感( 变压器原边漏感) d 1 ，d 2输出整流二极管 c ，谐振电容 d ，续流二极管 l f ，c f输出滤波电感、滤波电容 r 。等效负载 e功率开关管的驱动脉冲 i 。谐振电感上的电流( 变压器原边电流) 巩变压器原、副边匝数比 负载电流 “，谐振电容两端的电压 四川大学硕士学位论文 分析电路稳态工作过程时先作如下假设： 忽略纹波，电容c b 足够大，认为其电压近似为常数且等于 h 。2 ；电容c f 足够大，认为其电压近似为常数；电感l f 足够大，认为 其电流近似为常数。 忽略损耗，电路中的所有元器件都是无损的，如i g b t 和二极 管都无导通压降或者无寄生阻抗。 变换器在一个开关周期内可以分为八个模态，其中，每隔半个周 期又重复前面的四个模态。为了简化分析过程，这里只分析前半个周 期内的四个模态，后半个周期的分析完全类似。 2 2 1工作模式一( ，o 曼f f i ) f 。时刻z l 导通，变压器原边电压由零变为k n 2 ，二极管d 1 导通 变压器原边开始向副边传递能量，如图2 3 所示。 v h 飘。，c 。州 ； 圉2 3 槿式一的工作原理圈 在这一阶段内续流二极管d f 导通，谐振电感电流i l r 线性增加， 从零上升- nl o m ，二极管d f 的电流由i o 降至零，“c r 仍维持零电压。 把电路等效变换到变压器副边，那z , ，变压嚣原边电压折算到副边的 值为以。( 2 m ) ，原边漏感在副边的等效值为l r m 2 ，谐振电感电流i t r 折 算到副边的值为i l ，7 ，等效电路见图2 - 4 。 四川大学硕士学位论文 加 ! q 圈2 4 模式一的等效电路囤c 电蘑充电阶段) 己知初始条件f l ，( r o ) = m f l ，( f o ) = o ，对图2 - 4 进行拉氏变换2 4 1 得到电 路图2 5 。 瞄 2 册s ，k 。( 固 厂一。s d 丁专鼽( j l1 囤2 5 模式一的拉氏变换等效电路 s 由拉氏燹挟等效电拦吾j 得： 熹= 竽，l r ) j 九僻等 通过反变换可得： f l r v ) = 警( h 0 ) jf l r = 老( 故工作模式一的状态方程为： 灿，= 等”u ( 2 1 ) ( 2 2 ) 2 2 2工作模式二( r l 曼f f 2 ) 在r l 时刻，i l ，上升到，。m ，d f 截止，负载电流完全由谐振电感提 供。r 1 时刻后，z i 继续导通，i l ，继续上升，负载已不能吸纳上升部分， 则上升部分转入c ，对c ，充电，l ，和c ，进入谐振阶段，如图2 - 6 所示。 四川大学硕士学位论文 v 虹 圈2 6 模式= 的工作原理国 在这期间，i l ，继续上升至最大再降至零，完成谐振，等效电路见 图2 7 。 吒 2 册 ，o 国l 一7 模式= 的等效电路囤( 谐振阶段) 已知初始条件i l ( t 1 ) = m f l ，( f i ) = 厶，u c ，( r 1 ) = o ，对图2 - 7 做拉氏变换 得到图2 - 8 。 嘧 拥s 圈2 8 槿式二的拉氏变换等效电路 由拉氏变换等效电路可得 l s 婴型查堂堡主兰竺鲨苎 o 1 l2 m s lu 嘉= 竽“c 沪竽+ 击。僻寿 ( 等+ 专卜c 垆等+ 古+ 熹= 陪+ 币1j _ i o + 丽v i i n 。 ) = + ：v 。l n s 币m 芦2 c , 孑s = + 瓦可m c , i i z 孬 。协，= 每十嘉焉磊争等居蔫 司1f f ( o + 赫h2 冰一南j 通过反变换可得： “= l + 导j 专跏州卜 = 篆b 勘州 式中。是谐振角频率，= m ( l ，c ，) 1 佗。 故工作模式二的状态方程为： 卜归鲁+ 篆争啦 1 ( f ) = 嘉【l _ c o s 甜，) 1 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 2 2 3 工作模式三( t 2 t t 3 ) 在r ：时刻，谐振电感电流i l r 谐振回零，为z l 的零电流关断作好 准备。从f 2 时刻开始，变压器原边不再向副边传递能量，如图2 - 9 所 1 6 纠u + 一 弘丁 ，虱 ，一q n h k t 一州够 = 口 四j i i 大学硕士学位论文 不。 v 衄 r l r w 0 翮 ld l 2 ， 囤2 9 模式三的工作原理国 这期间c ，通过输出回路以电流厶线性放电，直到电压降为零，可 在任意时刻关断z l ，等效电路如图2 1 0 所示。 加 ，a 圉2 1 0 模式三的等效电路圈c 电客放电阶段) 已知初始条件i l r ( t 2 ) = m f l 。( r 2 ) = 0 和u c , ( t 2 ) ( 可由式( 2 3 ) 、( 2 - 4 ) 计算 出) ，对图2 1 0 进行拉氏变换得到电路图2 1 1 。 2 m s ，k 。( d 囤2 1 1 模式三昀拉氏变换等效电路 由拉氏变换等效电路可得 l s 四川大学硕士学位论文 筹= 量sj 郴) = 苦c 、 c 。s 。 ? 通过反变换可得： “。，( f ) ：( t 2 ) 一要9 一r ：) l 。 故工作模式三的状态方程为： fi i 。( t ) = 0 卜( ，) = b c r ( 。一每( 卜q ( 2 5 ) ( 2 6 ) 2 2 4 工作模式四( t 3 供电系统除了把工频交流电变成直流电，对电子功率系统供电 之外，还通过变压整流滤波及稳压系统对电子控制系统提供所需的各 组不同大小的直流稳压电。 ) 电子功率系统在逆变式弧焊电源中实质上是一次侧分频( 开关) 型功率系统，即逆变主电路起着分频并以大电流低电压向焊接电弧提 供所需的电气性能和工艺参数。这里必须指出，一个电子功率系统本 四川大学硕士学位论文 身并不能焊接，它必须与电子控制系统紧密结合起来，才能实现焊接， 也就是说，只有两者的结合才能对焊接电弧提供所需的电气性能和焊 接工艺参数。 ( 2 ) 电子控制系统对电子功率系统( 逆变主电路) 提供足够大的、 按电弧所需变化规律的开关脉冲信号，驱动逆变主电路的工作。电子 控制系统往往包括驱动电路。 ( 3 ) 反馈给定系统它由检测电路j c 、给定电路g d 、比较和放大 电路n 等组成。检测电路j c 主要用于提取电弧电压和电流的反馈信号； 给定电路g d 用于提供给定信号，决定对电弧提供焊接工艺参数的大 小；比较放大电路n 用于把反馈信号与给定信号进行比较放大。反馈 给定系统与电子控制系统一起，实现对逆变式弧焊电源的闭环控制。 3 1 2 逆变式弧焊电源的工作原理 如图3 1 所示，在供电系统中，单相或三相5 0 h z 的交流网路电压 ( 单相2 2 0 v 或三相3 8 0 v ) ，经输入整流器整流和滤波器滤波之后，获 得逆变电路所需的平滑直流电压砜。砜在电子功率系统中经逆变主电 路的大功率开关电子器件( 晶闸管、晶体管、场效应管或i g b t ) 组q 的交替开关作用，变成几千至十几万赫兹的高频高压电，再经高频变 压器t 降至适合于焊接的几十伏低压电，高频变压器起降压和隔离作 用。然后再用输出整流器整流和电抗器l 、电容器c 滤波，高频交流 电变成直流输出。控制驱动电路和反馈给定电路( j c 、g d 、n 等组成) 通过设置工作参数、监测焊接电压电流，实现对逆变主电路的动态控 制。 由此可见，逆变式弧焊电源采用a c d c a c d c 的逆变体制， 故常把它称为弧焊逆变器，或弧焊整流器，或逆变式弧焊整流器。 在逆变式弧焊电源中，电子功率系统( 逆变主电路) 和电子控制 系统是逆变式弧焊电源的主要部件。因此，本文主要对这两个方面进 行了具体设计，另外，为满足控制、驱动等电路的供电需求，还设计 了辅助电源。 四川大学硕士学位论文 3 。2 逆变主电路的设计 本设计中，逆变主电路的技术条件为： 直流输入电压k 。= 5 0 0 v 直流输出电压v o = 2 2 3 6 v 直流输出电流厶= 5 0 4 0 0 a 。 在这部分中将根据技术要求确定主电路的方案，包括逆变主电路 形式、功率开关管、输出整流滤波电路和主要参数的选择。 3 2 1逆变主电路形式的选择 现有逆变式弧焊电源多采用单端、半桥和全桥逆变电路。单端式 逆变主电路的特点是所需开关管少，对开关管耐压要求低，适用于小 功率逆变器；半桥式逆变主电路的特点是具有一定的抗不平衡能力， 所需开关管少，对开关管耐压要求低，但要得到和全桥式电路相同的 输出功率，开关管的电流容量要求比全桥中的高一倍，适用于中、小 功率逆变器；全桥式逆变主电路的特点是对耐压要求低，开关管的数 量比半桥式多一倍，存在直流偏磁问题，适用于大、中功率逆变器 2 8 j 。 本文采用半桥式逆变主电路。理由是：输入电压高，负载短路电 流很大，输出功率大，只能选择半桥或全桥主电路：相对半桥而言， 全桥电路的功率开关管及驱动装置个数器增加一倍，成本较高。 本文采用的不对称半桥式逆变电路，与普通的半桥式逆变电路的 区别在于：比普通半桥少用一个高频大电容，另外，为了实现软开关， 在变压器副边添加了一个谐振电容，工作原理在第二章中有详细阐述。 3 2 ，2 功率开关管的选择 快速晶闸管过载能力强、可靠性高、导通压降小，但其频率响应 较差且为关断不可控型元件，这就限制了整机性能的提高 功率 m o s f e t 开关速度高，驱动功率小，特别适合于高频逆变场合，但额 定电流小，单管输出能力有限，在大功率电源中要采用多只并联或其 他组合形式，增加了技术复杂性；与功率m o s f e t 相比，g t r 的导通 2 4 四川大学硕士学位论文 压降极低，额定电流大，但驱动功率大、开关速度低；绝缘栅双极性 晶体管( i g b t ) 集功率m o s f e t 和g t r 的优点于一身，既有输入阻 抗高、速度快、热稳定性和驱动简单的特点，又具有通态压降低、耐 压高和承受电流大等优点 2 9 1 。本设计采用了两只i g b t 作为功率开关 管。 3 2 3输出整流滤波电路的选择 通常采用的整流电路形式有两种：桥式整流电路和全波整流电路。 虽然桥式整流电路对高频变压器的利用率高，但中心抽头全波整流电 路少用一对开关管，可以减少一个二极管的正向压降，这对于大电流 弧焊电源则意味着可减少效率损失5 左右。所以逆变式弧焊电源的输 出整流滤波电路通常采用带中心抽头的全波整流加上直流电感滤波。 整流开关二极管应有尽可能低的正向压降、短的反向恢复时间和 小的反向恢复电流。目前，逆变式弧焊电源多采用大功率快速恢复二 极管模块，本设计也不例外。 3 2 。4 主要参数的选择 ( 1 ) 变压器匝比：为在输入直流电压5 0 0 v 时提供直流3 6 v 4 0 0 a 的 输出，并考虑死区时间、输出整流及变压器造成的电压损失，确定变 压器匝比m = 4 。 ( 2 ) 谐振参数：首先根据经验确定出变压器原边漏感l ，= 4 u h ，由软 开关能量条件式( 2 - 7 ) 可以得到： 型巨4 0 0 2 v 三， 那么c ，三1 0 2 4 p f ，考虑一定的裕量，取c ，= 1 2 肛。 而f ：生： ：! 。9 2 k向 r 3 茜2 丽2 z c 4 , a x 1 2 , u 4 式中， 为谐振频率。 ( 3 ) 导通时间：实现软开关要满足时间条件( t i + t 2 ) t o 。! ( ，l + 乃+ 乃) 。 由式( 2 - 8 ) 、( 2 - 9 ) 、( 2 1 0 ) 得： 四川大学硕士学位论文 当输出为2 2 v 5 0 a 时， 互= 等m = 等警u o z r 斗3 u 争牡叫静例= 孕卜渤陪 、 l 56 4 l e = 器( - + 鼯 = 糕 + 雁磊卜嘶 当输出为3 6 v 4 0 0 a 时， 正= 等= 等x 擎u u 乩s 掰r 叶) 疋= 斗+ a r c s i n l f | 2 k i 。 孕卜一( 等罔卜s = 器 + 鼯42 心1 2 x 枷5 0 0 ”( + 辱霈卜， 故开关管的导通时间应满足9 0 8 f l s s 死。三1 1 6 7 h s ，取兀n = 9 5 p s 。 ( 4 ) 工作频率：由输出电压的稳态关系式( 2 一l i ) 得： 当输出为2 2 v 5 0 a 时， 0 ：生( i 2 + 瓦+ t 3 ) f ：掣( o 2 u 2 + 5 6 4 , u + 2 9 9 ) ，= 2 2 厂= 5 o k 考虑电路中各种损耗带来的影响，实际的工作频率应略大于计算值， 取产5 5 k h z 。 当输出为3 6 v 4 0 0 a 时， 圪：生( 正2 + 瓦+ t s ) f ：掣( 1 6 , u 2 + 7 4 8 t + 2 5 9 f 1 ) f = 3 6 j ，= 2 6 5 k 考虑电路中各种损耗带来的影响，实际的工作频率应略大于计算值， 取厂- 2 9 k h z 。 互脚 四川大学硕士学位论文 ( 5 ) 输出滤波参数：本设计的输出回路采用如图3 - 2 ( a ) 所示的储能滤 波电路，靠近电感安装的电容起滤除电感电流交流成分的作用，电感 电流的交流成分相对于电感的平均电流而言比较低。电感上的电流波 形及电容上的电压电流波形如图3 - 2 ( b ) 所示。图3 2 中，l f 为滤波电 感的电流，v l f 为滤波电感的电压，尼f 为滤波电容的电流，f 为滤波 电容的电压，a 1 l f ( a i 。) 为滤波电感电流的波动值，同时也是负载电流的 波动值，f ( v o ) 为滤波电容电压的波动值，同时也是负载电压的波 动值。下面将从容量出发来选择输出滤波参数【”，3 l 】。 ， ， ( a ) 滤波电路( b ) 电感上的电流、电密上的电压电i i f c 圈3 2 输出滤波电路及电压电流波形 铲若瓦 对于半桥式变换器，在开关管导通期间，输出电感电流上升，并给电 j 勰等 献 一 感电 k 电压波电滤的出感输电由 四川大学硕士学位论文 感储能；在开关管截止期间，输出电感电流f 降，并向负载释放能量。 在稳定状态下，电感上电流的上升值等于其电流的下降值。在给电感 储能期间，电感上的电压为： = 磊f i n 一圪 半桥式变换器的输入直流电压与输出直流电压的关系为： 圪玉占j 。引w 0 2 m t 22 。0 2 = 券 。 ” 彰2 mj ，r 从而可以推出输出滤波电感的计算公式： 妒百v o a 等= 盘2 f a ( 一警j - 嘉2 f a 【一警j t ， l fk 。厂l rl一。lk 。 由于是变频控制，按最低频率设计： 耻矗( 一半 _ 丽2 2 ，删对( 一警 娟 为留g y , 一定的裕量取上f ：10 0 爿h 。 输出滤波电容 当0 t t o 。时，由图3 - 2 可以得到： k ：筝= i l - 。i o 半 j ：afl_az下g!kiaicek ：学。一半f j 2 l 。卜t 对其取积分求得电容上的电压： 1 ( a i 。l f 卜争卜= 等_ r + 置 在t = t 。2 时，i c f = o ，f 达到最小值： 。= 等i 毒( 每) 2 _ 争| k 一等争“ 当t o ，、 8 8 5 4 1 o s c lj m i n l 7圭=-叫州n+0745亍急j蛐而16616oscl 代入式( 3 4 ) 可求得振荡电阻： 。= ( 1 k + r o s c ，x 3 3 0 p x l n ( 3 蒜1 s s s 。j r o s c 7 s ，s s t 为留取一定的裕量取r o s c = 1 m f l 。 禹仔入式f 3 3 、： 。= ( 1 k + i m ) 3 3 0 p r v f 0 9 ，4 , u 毒r v f 。 5 16 6 4 k 考虑裕量，选择一个6 0 k f 2 的电阻串一个2 0 k f l 的电位器充当r v f o 。 单稳周期由式f 3 - 8 ) 表示，据此选择单稳电容c t = 2 2 n f ，单稳电阻 r t = 6 8 k 2 6 ，8 k f ) ( 由6 8 k f 2 的电阻和2 0 k f 2 的电位器串联组成) 。 m c 3 3 0 6 6 外围接线如图3 - 6 所示 3 3 , 3 4 】。 2 2 n 圈3 6m c 3 3 0 6 6 ，1 围往缝圈 3 4 驱动电路的设计 驱动电路的主要功能是将控制芯片输出的脉冲进行功率放大，以 作为高压功率开关器件的驱动信号【3 5 j 。 为获得最小导通压降，同时又使i g b t 具有较好的承受短路电流 能力，通常选取e = 1 2 15 v ；i g b