（材料加工工程专业论文）逆变电阻焊主电路动态过程分析及设计.pdf

沈阻工业大学硕士学位论文 摘要 随着焊接机械化、自动化、智能化程度的提高，电阻焊电源已经成为焊接电源领域 的主要发展方向之一。近年来，以软开关为特征的逆变电阻焊电源更是以其体积小、重 量轻、开关损耗少、功率因数高而各受重视。 本文首先介绍了逆变电阻焊电源主电路的基本拓扑结构：单端j f 激式、半桥式和全 桥式，并以此提出了三种适合于中等功率以上的全桥软开关电路拓扑：零电压 ( z v s ) 、零电流( z c s ) 、零电压零电流( z v z c s ) 。文中详细阐述了本课题所采用 的全桥零电压零电流( f b z v z c s ) 阻焊电路的工作原理，并对其微观动态过程进行了 细致的分析，从理论的角度解决了常规逆变电阻焊电源主功率管开关应力大、整机损耗 大、可靠性低以及对电网造成的污染等缺点。本文还在此基础上设计了软开关逆变电阻 焊电源主电路及控制电路：主电路选用全桥零电压零电流( f b z v z c s ) 阻焊电路，其 中包括对主电路参数设计和计算；选用i g b t 作为功率开关器件，自主设计了一套驱动 电路对i g b t 进行驱动；控制系统采用u c 3 8 7 5 作为控制核心，通过对其外围电路的设 计，实现移相波形的输出。采用t l p 2 5 0 光藕进行隔离，使控制系统的输出波形无干 扰。同时，本课题还设计了给定、反馈闭环调节系统以及过流、过热、欠压保护电路， 真j f 实现了自动调节、故障显示和诊断能力。 最后，本文还对主电路板和控制电路板进行了安装调试。试验结果表明：本课题所 研制的全桥零电压零电流( f b - z v z c s ) 逆变电阻焊电源主电路工作稳定，实现了超前 臂零电压开通、滞后臂零电流关断，控制系统输出移相波形正常，并可以对移相角度进 行连续调节。达到了预期的设计要求。 关键词：逆变电阻焊，软开关，i g b t ，移相控制 沈阳工业大学硕士学位论文 a n a l y s i sa n dd e s i g n o ft h em a i nc i r c u i to fi n v e r t e rr e s i s t a n c e w e l d i n g a b s t r a c t w 汕t h em o r ed e g r e eo fm e c h a n i z a t i o n ，a u t o m a t i o na n di n t e h i g e n c e ，r e s i s t a n c ew e l d i n g h a sb e c o m eo r l eo ft h em a i nd i r e c t i o ni nw e l d i n gf i e l d i nt h ep a s ty e a r s ，i n v e r t e rr e s i s t a n c e w e l d i n gp o w e r s o u r e w i t hs o f t s w i t c h i n gt e c h n o l o g yh a ss m a l l e rv o l u m e ，l o w e r q u a l i t y ，h i 曲e r e f f i c i e n c y t h eb a s i ct o p o l o g i c a ls t r u c t u r eo f t h em a i nc i r c u i to f t h ei n v e r t e r - b a s e dp o w e r s u p p l ys u c h a sf o r w a r dc o n v e r t e r , h a l f - b r i d g ec i r c u i t ，f u l l - b r i d g ec i r c u i ti sf i r s ti n t r o d u c e di nt h i sa r t i c l e ，s o a st o p r o p o s et h r e ek i n d so fs o f ts w i t c h i n gf be k c u kt o p o l o g i c a ls t r u c t u r e ，z c s ，z v s ， z v z c s ，t h o s ea l es u i t a b l ef o rm e d i u m - p o w e ro rl a r g e r - p o w e r t h eo p e r a t i o np r i n c i p l eo ff b z v z c sc i r c u i tf o rr e s i s t a n c ew e l d i n gh a sb e e ne x p l a i n e di nd e t a i l ，a n dh a sc a r r i e do nc a r e f u l a n a l y s i s t oi t sm i c r od y n a m i c c o u r s e ，s o l v i n g t h es h o r t c o m i n g so f t h er o u t i n ei n v e r t e rr e s i s t a n c e w e l d i n gp o w e rs u c ha sh e a v ys t r e s so f t h ea m p l i f i e rt u b ew h i l es w i t c h i n g ，d e p e n d a b i l i t yl o w a n d p o l l u t i n gt h ee l e c t r i cn e t w o r ke t c i n t r o d u c e dan e w l yd e s i g n e di n v e r t e rr e s i s t a n c ew e l d i n g p o w e r o nt h i sb a s i s ，m a i nc i r c u i t st o p o l o g i c a ls t r u c t u r ea d o p tf b - z v z c s ，a n dd os o m ew o r k a b o u tt h ep a r a m e t e r sd e s i g na n dc a l c u l a t e ；s e l e c ti g b tf o rp o w e rs w i t c hd e v i c e ，d e s i g no n e u r g ec k c u i tf o ri g b ti n d e p e n d e n t l y ；u c 3 8 7 5i sb e e nu s e df o rc o n t r o l l i n gc o r eo f t h ec o n t r o l s y s t e m ，r e a l i z e ds h i f t i n gp h a s eo u t p u tb yu s i n gt h ep e r i p h e r a lc i r c u i tw ed e s i g n e d a d o p t i n gt h e o p t o c o u p l e rt l p 2 5 0 f o ri s o l a t i o n ，m a k et h eo u t p u tw a v e f o r mo ft h ec o n t r o ls y s t e mn o i s e l e s s m e a n w h i l e ，t h i ss u b j e c ti n c l u d i n gt h ed e s i g no ft h ec i r c u i to fc o n t r o li n d e xs e t t i n g ，f e e d b a c k c l o s el o o pc o n t r o lc i r c u i t , c u r r e n tf o l d b a c kc k c u i t ，o v e r h e a ta n dl o w - v o l t a g ep r o t e c t i o nc i r c u i t ， h a v e r e a l l yr e a l i z e dt h e f u n c t i o n so f s e l f - r e g u l a t i o n ，t r o u b l ed i a g n o s e sa n d d i s p l a y f i n a l l y ，g i v es o m ei n t r o d u c ea b o u tt h ed e b u g g i n ga n di n s t a l l i n go f t h em a i nc i r c u i tb o a r d a n dc o n t r 0 1c i r c u i tb o a r d t h er e s u l to ft h et e s ts h o w s ：t h ef b z v z c sc i r c u i tt h es u b j e c t d e v e l o p e dw o r ks t e a d y ，r e a l i z i n gt h ea d v a n c e da l t nz e r ov o l t a g es w i t c h i n g ，t h ed e l a y e da r l t l z e r oc u r r e n ts w i t c h i n g ，t h eo u t p u tw a v e f o r mo ft h ec o n t r o ls y s t e mi sn o r m a l ，a n dt h ep h a s e 2 沈阳工业大学硕士学位论文 s h i f t i n ga n g l ec a nr e g u l a t e s u c c e s s i o n t h es u b j e c th a v er e a c h e dt h ea n t i c i p a t e dd e s i g n i n g r e q u i r e m e n t ， k e yw o r d s ：i n v e r t e rr e s i s t a n c e w e l d i n g , s o f t - s w i t c h i n g , i g b t ，p h a s e s h i f t e dc o n t r o l 3 独创性说明 本人郑重声明：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的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：二勰 日期：2 璺生三竺 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、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循此规定) 签名：。害寺弘导师签名：j 毒二址日期：一 沈阳工业人学硕士学位论上 1 绪论 1 1 本课题国内外的研究背景 1 8 7 7 年，人们首次发现了电阻焊现象。1 8 8 6 年，人们首次使用了电阻焊连接方 法。因为电阻焊机是利用电流通过焊件焊接区的电阻产生热量，同时对焊接处施加压力 实现电阻焊的装置。并且有生产效率高、焊接质量可靠等优点，易于实现机械化、自动 化、数字化和智能化，该技术已广泛应用于汽车、造船、航空、航天、家电、电子等行 业，成为目前国内外最重要和应用最广泛的焊接方法之一“。1 。在一些国外发达国家 中，电阻焊机发展较快，已达到占焊机总量2 0 以上，特别是在一些优势工业方面更 是占有无可替代的地位。在我国，电阻焊机起步较晚，5 0 年代才引进电阻焊机技术， 并开始对国外电阻焊机进行仿制，在焊接质量和技术参数等方面的指标都很难达到要 求。从8 0 年代开始，我国的电阻焊机才进入蓬勃发展的新阶段。在2 0 0 1 年，电阻焊 机有较大增幅，电阻焊机增幅达到2 6 ，电阻焊机已经在国民生产中起着举足轻重的作 用、”1 。电阻焊机从发展历史来看可分成传统的电阻焊机和现代的逆变电阻焊机两大部 分。 1 1 1 传统电阻焊机 回顾电阻焊电源的发展历史，以电阻焊电源主电路形式来看传统电阻焊机主要包 括：单相工频、三相低频、次级整流、电容储能电阻焊机、多点焊机“。 ( 1 ) 单相工频电阻焊机 单相工频电阻焊机是最早发展起来的电阻焊机，其电路设计十分简单，焊接质量很 难得到保证，但是它的主电路形式已经被后来发展起来的电阻焊机所采用和发展，下面 就单相工频电阻焊机作简要介绍，它可分为非同步式单相工频电阻焊机和同步式单相工 频电阻焊机两种。所谓的同步和非同步是指开关器件是否能在每一周波的某_ 固定相位 导通。由于非同步式电阻焊机没有相位控制，现在已被淘汰。到了六十年代，随着大功 率晶闸管的出现，同步式电阻焊机得到了发展，其原理图如图1 1 所示： 沈阿1 工业人学硕十学位论文 骂l l 母 图1 1 同步式单相_ j = 频电阻焊机原理图 单相工频电阻焊机是目前应用最为广泛的电阻焊机，它采用单相交流3 8 0 v 电网供 电，经过反并联晶闸管和功率调节器到达变压器一次绕组，再经过变压器二次绕组输出 供焊接使用。其通用性强，设备投资和维修费用较低、控制简单且易于调整。它不仅可 以使晶闸管在整个焊接周期均在同一相位导通，而且还可以自动补偿网路电压波动、实 现焊接叵流或恒压控制，尤其适合电阻率较大的材料，如：碳钢、不锈钢、耐热钢“ 。但是，由于其焊接电源采用单相3 8 0 v 供电，且焊接通电时间短，瞬时功率大，特别 是在供电电网功率不足、电阻焊机功率较大的情况下，会给电网造成较大冲击，污染电 网。同时，单相工频电阻焊机的功率因数小，仅有4 0 0 ，还存在焊接电流过零，焊接 不连续的问题，因此不适合焊接诸如铝及其合金等导热好的金属材料“1 。另外，在 使用这类电阻焊机时不能使用较大的焊接回路、尽量减少伸入焊接回路的磁性物质，以 避免造成焊接回路阻抗增加，焊接电流减小。 ( 2 1 三相低频电阻焊机 针对单相工频电阻焊机存在的问题人们直在寻找解决方法。五十年代，人们相 继研制了三相低频电阻焊机和次级整流电阻焊机。这些焊机的出现，不仅首先解决了大 功率电阻焊设备的制造问题，而且还推动了电阻焊工艺在有色金属焊接方面的应用“。 三相低频电阻焊机与一般单相工频电阻焊机不同，最大的区别在于三相低频电阻焊机有 自己特殊的焊接变压器和一套三相交流可控组件。由于在历史和地域上的差别，欧美和 前苏联在整流电路和焊接变压器的设计原理上存在较大的不同因而三相低频电阻焊机 最终定格成两个类型，如图1 2 、1 3 所示。 沈 ；l q 3 5 业大学硕士学位论义 图1 2 三相低频电阻焊机原理图( 1 )图1 3 三相低频电阻焊机原理图( 2 ) 其中图1 2 为欧美等西方国家普遍使用的三相低频电阻焊机原理图，其基本工作原 理是：在变压器铁芯的中间铁芯柱上，同时绕有三个相同的初级线圈和一个铜板制成的 次级线圈，能够保证变压器较好的耦合和较小的漏抗。由六个晶闸管构成的三组反并联 品闸管组分别与三个初级线圈相连，再与三相电网相连。焊接时，晶闸管s c r l l 、 s c r l 2 和s c r l 3 按相序依次相继地触发，虽然上述三个晶闸管的导通是断续的，但绕 在同一铁心上的三个初级线圈所产生的磁场则是连续的。该磁场在次级线圈侧感应出次 级电压，进而产生了用于焊接的次级电流。为避免焊接变压器长时间单相通电造成磁饱 和而损坏，须定时的将s c r l1 、s c r l 2 、s c r l 3 和s c r 2 1 、s c r 2 2 、s c r 2 3 两组晶闸 管相互切换，因而电流波形的通电周期比5 0 h z 工频电流要长，从而产生了频率为 1 0 h z 左右的低频焊接电流，这也就成为三相低频电阻焊机的命名之所在。 图1 3 为前苏联等国家得到广泛使用的三相低频电阻焊原理图，该电路用6 只晶闸 管组成三相桥式整流器，在焊接时通过调节晶闸管的导通角来调节焊接电流的大小。特 殊制作的焊接变压器通过电磁开关的两组接点j k i 、j k 2 和j k l 、j k 2 、不能同时接 通。电磁开关j k 在两次焊接之间的休止时间动作，使两组接点交替闭合，以避免变压 器饱和。 三相低频电阻焊机主要有如下优点：三相电源供电，电网负载均匀；焊接电流脉冲 波形具有平稳上升和下降的特点，焊接工艺性能好：因为采用低频或直流冲击波电流波 形进行焊接，其次级焊接回路感抗的影响将大大减小，而功率因数则大大提高可以达到 沈阳工业人学硕士学位论文 8 5 以上。这类焊机适用于焊接质量较高的场合，对诸如铝合金、钛合金、低碳钢、不 锈钢、耐热合金钢等都能保证优良的焊接质量。但是，三相低频电阻焊机瞬时负载实际 上是三相轮流使用，并不能作到严格意义上的三相负载平衡；焊接变压器的单向持续通 电时间受其磁饱和条件的限制，焊接电流波形不能快速改变：在低频工作时，仍存在焊 接电流的过零点问题，限制了这类电阻焊机的发展“”3 。 ( 3 ) 次级整流电阻焊机 虽然次级整流电阻焊机原理在五十年代已经提出，但其真正投入使用并发展成为当 今电阻焊机发展方向的主流之一，则完全得益于上世纪六十年代大功率整流管制造技术 及工艺的发展与成熟“8 1 “。所谓次级整流电阻焊机，就是在阻焊变压器的次级绕组输出 端加入大功率整流管，将阻焊变压器输出的交流电整流成直流用于焊接。但是，次级整 流电阻焊机一般不采用桥式整流，因为电阻焊机的次级电压本身很低，用桥式整流会增 加一组整流管的损耗。次级整流电阻焊机主电路有三种基本形式：单相全波整流、三相 半波整流、三相全波整流。其电气原理图如图1 4 、l 5 、1 6 所示：单相全波整流电路 是在单相工频电路的基础上发展起来的一种主电路形式，单相全波整流焊机采用次级绕 组有中心抽头的单相变压器加上全波整流器。但是仍然无法克服单相电网供电所造成的 不平衡现象，造成对电网的冲击，污染电网。 四璃 图1 4 单相全波整流电气原理图 图1 5 三相半波整流电气原理图 沈阳工业大学硕士学位论文 图1 6 三相全波整流电气原理图 三相半波整流电路 三相半波整流焊机可采用单个三柱式三相变压器，三个二次绕组与三个整流管相连 后结成星形。三相全波整流电路是综合单相全波整流电路和三相半波整流电路而产生 的，它集二者的优点于一身。因而三相全波整流焊机也是目前大功率焊机中应用最为广 泛的，三相全波楚流焊机可以采用三只相同的单相变压器，次级绕组按单相全波整流方 法与六组整流管相连，该系统相当于三个简单的单相系统组合而成，三相全波又可以采 用单独的一个三相变压器，使两组次级绕组反星形联结。 次级整流电阻焊机有许多优点： 1 ) 输入功率低、线电流小、功率因数高；由于次级输出为直流，回路感抗几乎为 零，且电流不过零，热效率高，获得同样焊接电流所需的次级空载电压和功率比交流焊 机低得多，功率因数也大大提高。 2 ) 三相负载均衡，结构紧凑，控制线路简单。 3 ) 焊接电流大小不受焊机臂包围面积增大及二次回路内深入磁性物质的影响。 4 ) 焊接电流不过零，焊接区温度上升快，因此能用于工频交流焊机难于焊接的导热 性好的轻合金材料的焊接。 但是，次级整流电阻焊机需用大功率整流管，整流管价格高、体积大，且焊机变压 器的利用系数低、尺寸较大，投资费用高“1 ”1 。 沈阳工业大学预士学位论文 ( 4 ) 电容储能电阻焊机 人们在探索三相低频和次级整流电阻焊机的同时，也在从事着电容储能电阻焊机的 研究工作。采用电容储能的方法，可以容易的解决人们非常头疼的电源功率问题“1 ，图 1 7 为电容储能电阻焊机原理示意图。 电容储能焊机工作时，通过电容器组放电供给能量，具体是网路三相交流电经过整 流器整流后给电容器组充电，达到设定的充电电压后，晶闸管导通，电容器组对初级线 圈放电并在二次线圈产生电流，从而供焊接使用。这种焊接方法的优点是： 1 ) 三相电网供电，电网负载均匀。 2 ) 对供电电网容量要求低，焊接前可以用较小电流和较长时间对电容充电，焊接时 停止电网供电，避免了对电网的不利影响。 3 ) 功率因数高，没有交流电，电流不过零点，焊接电流波形较陡，加热能量集中， 对供电网路的容量要求低，特别适合于、t i 等轻金属和一些难熔材料的焊接。 珊吁 图1 7 电容储能电气原理图 其缺点是电容在充、放电过程中消耗的能量较多( 约占电源输出总能量的5 0 ) ， 电容器和焊接变压器体积较大，电力部分复杂，电容器价格昂贵而且因充、放电损耗较 大需定期更换，焊机使用范围较窄，不能进行高速焊接等。故此类焊机目前只在中小功 率的焊机中使用。 ( 5 ) 多点焊机 为提高焊接生产率，缩短焊接的辅助时间，在现代大规模点焊工艺中，最常见的阻 焊设备是多点焊机1 。 多点焊机发展由来已久，在国外，一些工业发达的国家，早在5 0 年代初期就应用 多点焊机焊接各种汽车车身的大型结构件。在国内，6 0 年代末期就能独立制造多点焊 沈阳t 业大学硕士学位论文 机。例如“东风”牌卡车上的地板加强梁多点焊机，根据焊接位置与方向上安装了8 6 把 焊枪，在数分钟内要完成2 0 0 多个焊点。随着焊接技术的不断发展，点焊生产批量的增 大，多点焊技术在国内已受到了广泛的重视。其具有很多优点：一次能焊接数十点，甚 至上百点。生产效率高，要比普通单点焊工艺快数十倍。 2 逆变式电阻焊机 7 0 年代末期，随着大功率晶体管( g t r ) 、场效应管( m o s f e t ) 、双极性绝缘栅晶体 管( i g b t ) 的出现和集成电路技术的发展，为焊接电源的发展提供了更加广阔的发展 空间。以1 9 7 8 年世界上第一台弧焊逆变电源诞生为标志，预示着焊接电源的发展进入 了一个崭新的时代。2 0 世纪8 0 年代以来，逆变电阻焊在美国、日本、欧洲等国已有较 多的应用，从目前来看这些国家逆变电阻焊机产品化程度很高，各种技术指标也日趋完 善，而我国的逆变电阻焊机产品化程度较低，仅仅处于研发阶段。、”。 图1 8 为逆变电阻焊机电气框图，其工作的基本原理是：三相交流电经三相整流桥 整流后，再经电容滤波得到较为平滑的直流电，进入逆变器后产生某一设定值的高频交 流电，再向阻焊变压器馈电，由于逆变电阻焊变压器的变比k 较大，故在阻焊变压器 的二次线圈输出低电压交流电，然后再经大功率整流管整流后输出平滑直流电供焊接使 用。逆变电阻焊机的控制装置通常采用脉宽调制( p w m ) 方式调节电流。 图1 8 逆变式电阻焊电气框图 传统焊机的许多优点在逆变电阻焊机中都得到了继承和发展。首先，三相交流供电 能够保证三相负载平衡，不污染电网；其次，采用次级整流方式，功率因数大大提高； 沈阳工业大学硕十学位论文 再次，焊接电流大小不受焊机臂包围面积增大及二次回路内深入礅陆物质的影响，焊接 电流不过零。 逆变技术在焊接电源中的应用为焊接电源的发展带来了革命性的变化。首先，逆变 式焊接电源与工频焊接电源相比节能2 0 3 0 ，效率可达8 0 9 0 ，其次，逆变式 焊接电源体积小、重量轻，整机重量仅为传统工频整流焊接电源的1 5 1 1 0 ，减少材料 消耗8 0 9 0 。特别是逆变式焊接电源有着动态反应速度快的优势，它比传统工频整 流焊接电源提高了2 3 个数量级，这样就为焊接的过程控制提供了有利条件，有利于实 现焊接过程的自动化和智能控制。因此，逆变式焊接电源有着广阔应用前景和市场潜 力。国内外的高校、研究所和企业投入极大的热情和精力进行研究、开发，并取得许多 令人瞩目的成果。华南理工大学开发研制的作为国家“七五”攻关项目的“d n 6 - 2 6 ”型机器 人用c m o s 点焊逆变电源以及2 5 k v a 的i g b t 逆变式点焊机；上海交通大学研制的 g r t 阻焊逆变电源；吉林工业大学研制的i g b t 逆变式点焊机；成都电焊机研究所研制 的悬挂式逆变次级整流点焊钳等等。逆变点焊机具有高效节能、小型轻量及工艺性好的 优点，近年来发展迅速，国外已应用于汽车焊装线、电子工业的精密焊接等。同时逆变 点焊电源的研制开发工作已受到广泛重视。国内逆变点焊方面基本上都处于研究探索阶 段。八十年代初，国外开始逆变技术在电阻焊中应用的基础研究。九十年代初期已逐步 使这项技术产品化。目前在国内介绍和使用的有日本的宫地、木村和松下公司的产品。 韩国的t a e s u n g 电子公司生产的精密逆变点焊机系列产品t s t - 1 0 5 、t s t - 3 0 0 和 t s t - 5 0 0 0 ，美国e d i s o n 焊接研究所已研制出功率达1 0 0 0 k v a 的逆变阻焊机，英国焊接 研究所( t 帆) 也推出系列逆变阻焊设备。目前日本国内的汽车生产线上悬挂点悬机( 包括 机器人) 己使用逆变式电阻焊电源”“。3 。 1 1 3 电阻焊机的最新研究进展 逆变电阻焊机以其体积小、重量轻、动态相应快、焊接质量好、高效节能等诸多优 点得到了广泛的认可。但是，目前正在使用的绝大多数逆变电阻焊机的逆变电路中，都 采用硬开关逆变电路和p w m 控制技术，所谓的硬开关电路是指在逆变电路中，功率开 关管在电压不为零时导通，在电流不为零时关断，开关始终处于强迫开关状态。因此， 在硬丌关状态下工作的开关管将随着开关频率的提高，电路的寄生电感和功率器件的寄 沈阳工业大学硕士学位论文 生电容将产生严重的电压尖峰和电流尖峰，开关管的开关损耗将会线性地上升，使电路 的效率大大降低，处理功率的能力大幅减小；同时还将产生严重的电磁干扰( e m i ) 噪 声。有资料表明，处于硬丌关状态下的工作频率为2 0 k h z ，采用i g b t 功率开关管的弧 焊逆变电源，其功率开关管的丌关损耗占总损耗的6 0 7 0 ，甚至更大。针对硬开 关电路所产生的一系列问题，人们一直在寻求解决的方法。2 0 世纪8 0 年代以后，人们 丌始了软丌关的研究工作”1 。所谓“软开关”通常是指零电压开关z v s ( z e r ov o l t a g e s 疵h i n g ) 和零电流开关z c s ( z e r o c u r r e n ts w i t c h i n g ) 或近似零电压开关与零电流开关。即 用移相控制方式使功率开关管在电流为零时关断，在电压为零时开通。 软开关逆变器的发展主要经历了以下几个阶段w ( 1 ) 谐振直流环逆变器：谐振环的原理是把原先具有恒定直流电压的母线变成一个高 频直流脉冲或高频交流的母线，从而在母线上出现电压过零的现象。利用谐振元件l r 和c r 及谐振控制开关v 盯在逆变器的输入直流电路产生谐振，把输入直流电压转换成 一系列高频脉冲电压供给逆变器。由于谐振环存在以下缺点：直流环振荡电压幅值大， 一般两倍于电源电压：振荡电路能耗大；难以采用p w m 控制技术。故目前尚未见到应 用于弧焊逆变器的谐振直流环软开关技术。 ( 2 ) 谐振变换器：谐振变换器均采用l 、c 元件产生谐振，能实现z v s 和z c s 软开 关技术。虽然降低了损耗，且电压或电流波形呈正弦，使得d u d t 及d i ，恤大大减少，也 降低了e m i 和r f i ，但采用调频方式进行控制，使得功率器件受到较大的电压、电流应 力，并且频率大范围变化使得逆变电路参数设计难以优化，负载也不能大范围变化。 ( 3 ) 移相控制全桥变换电路：移相控制全桥变换电路是近年研究的热点，它利用变压 器的漏感和电路中分布电感以及功率器件分布电容和并联电容谐振，实现功率器件零电 压开通。它把p w m 控制和谐振变换器的优点结合在一起，在大范围内实现p w m 控 制。但在该变换器中，超前桥臂的零电压开通范围大，而滞后桥臂零电压丌通范围窄， 在轻载或电感量小时，往往难以实现零电压开通，需要作进一步改进。 软开关弧焊逆变器采用谐振变流技术和p w m 控制技术，结合二者的优点，其特点 是功率器件在零电压或零电流条件下自然开关，在本质上克服了硬开关型逆变器的缺 点。在较大程度上解决了功率开关损耗过大的问题，并降低了功率器件的出卉”和 9 沈阳丁业大学硕上学位论文 d i d t 。”1 ，减少电磁干扰( e ) 和射频干扰( r f i ) ，降低了逆变器的重量，提高频 率，减小电路中变压器、电感、电容的体积，降低输出纹波，提高功率密度和系统动态 性能。 1 2 本课题的研究意义 在汽车行业，电阻焊的应用非常广泛3 ，是现代汽车制造业的核心设备，目前基本上 从美国、日本等发达国家进口。每年维修配件进口就需数百万美元。国产工频交流电阻 焊机功率因数低，设备笨重、工艺性差、效率低，但由于可靠性高，在生产上仍然应用 较广。逆变直流电阻焊机提高了功率因数、减轻了设备重量、改善了焊接工艺性能。但 由于目前逆变电阻焊机多采用p w m 硬开关电路，功率器件工作于硬开关方式，电路以 强行切断功率流的方式进行能量交换。在中高频率下，开关过程中器件会产生较大的开 关应力和开关损耗。较大的d u d t 和d i d t 会在线路的寄生电感上激起较大的电压和电流 尖峰，产生较强的电磁干扰，引起高频振荡。轻者会导致输出波形失真、变压器发热、 效率下降，重者会引起开关管失控、逆变失败，从而影响电阻焊设备的可靠性。同硬开 关技术相比软开关技术的应用可大大减少甚至完全消除开关器件的应力和损耗，从而提 高逆变器的功率密度、效率和可靠性。 根据汽车工业焊装向机器人和自动化生产线方向发展的特点，开展好这一领域关键 技术的研究工作，提供高品质的电阻焊设备和可靠的焊接过程智能控制技术，提高焊接 可靠性和质量，具有实际意义。对电阻焊设备的更新换代和技术进步也具有重要意义。 1 3 本课题的研究内容 通过回顾电阻焊电源的发展历史，可以使我们清楚地看到电阻焊电源经过一百年的 发展，已经日臻完善，走出了一条从简单倒复杂，从原始到完善的发展道路1 ：同时还 可以清楚地看到作为门应用科学、基础科学的发展，特别是控制理论以及电子元器件 的发展，对电阻焊电源的发展产生了重大影响。而且，我们还有理由遇见，随着技术的 不断完善和发展，以及更多高性能的元器件的开发和应用，逆变电阻焊技术会更加成 熟，并在未来的很长一段时间内保持旺盛的生命力。今后电阻焊机的发展趋势是：变压 器将采用更先进的导磁体和气动控制元件，逆变技术会得到广泛应用，使其体积更小， 重量更轻，更易操作：在控制器方面，将采用更先进的微电脑技术，届时将通过人机对 沈阳丁业大学硕士学位论文 话，实现技术参数调整及各种焊接参数检测，同时通过群控手段，实现统一管理和操 作，使控制精度和可靠性得到极大地提高“1 。 通过对上面电阻焊机发展和逆变技术特点的论述以及发展趋势的探讨，可以得出本 课题的研究内容是： ( 1 ) 结合逆变技术和软开关特点，提出一种逆变电阻焊的主电路拓扑及控制电路方 案。 ( 2 ) 以i g b t 为功率开关器件，通过对特性研究，提出合理的驱动及保护方案，提高 整机可靠性。 ( 3 ) 采用u c 3 8 7 5 移相控制芯片实现软开关功能。 ( 4 ) 详细介绍逆变电阻焊主电路的动态过程和控制电路移相过程，证明本课题的设 计思想的合理性和实现软开关全桥逆变电阻焊途径的可行性。 ( 5 ) 实现具有过流、过热、过压和欠压等故障显示和处理能力。 沈阳工业大学硕士学位论文 2 逆变电阻焊主电路分析与设计 2 1 逆变电阻焊主电路拓扑榻述 逆变电阻焊电源主电路大都采用大功率晶体管( g t r ) 、场效应管( m o s f e t ) 、双极 性绝缘栅晶体管( i g b t ) 。主电路形式主要有单端正激式、半桥式和全桥式”。 2 1 1 单端正激式主电路拓扑 ! 一 【仞 ci l 】 图2 1 单端正激式电路原理图 单端i f 激式主电路的控制电路简单，不存在直臂导通，没有因电路不对称而导致的 商频变压器单向偏磁问题，也没有合闸瞬问变压器饱和问题，工作过程中主控管所承受 的管压降较小。但其变压器铁芯利用率只有半桥和全桥的一半。适合于频率在l o o o t - i z 以下的小功率电源。 2 1 2 半桥式主电路拓扑 i v d 2 三a 一匕， c j = c 2i q 2v d i - 1 k 】【 j ，l ，r o - c el 飞l 图2 2 半桥式电路原理图 沈阳t 业人学硕士学位论文 半桥式变换电路开关管上的最高电压等于输入电压，开关管关断过程中，变压器漏 感引起的电压尖峰被二极管钳位，因此开关管上的最高电压不会超过输入电压。半桥式 变换电路不适合输出功率较大的场合，这是由于原边绕组上的方波电压幅值只是电源电 压的一半，这一点将影响其功率输出，但半桥式电路具有抗不平衡能力强的特点，因此 在中小功率场合受到广泛应用。 2 1 3 全桥式主电路拓扑 i l 一匕， 一叼， 卅 i q 2 1 l l k , k 为变压器原副边匝比。 ( 5 ) 输出滤波电感足够大，在一个开关过程中可以等效为个叵流源。 沈阳工业大学硕上学位论文 q 1lq 2q t。 q 4q 3 q 4 q i l |1 如，赴0bb 如 r r 7 l 、； m 1m 2 m _ ；m 4 m sm 6 ii 图3 ，2 全桥移相z v z c s - p w l l 逆变器工作过程波形图 图3 2 所示原边加隔直电容和饱和电感的全桥z v z c s 逆变器每半个工作周期可分 为六个时间段来描述，对应着六种工作模态，各种工作模态对应的等效电路及主要电量 波形分别如下： ( 1 ) t o t l 时间段( 模态1 ) 在这个时间段，主功率丌关管q 1 和q 4 导通，原边电流i p 从电源正极经q 1 、变压 器原边绕组、隔直电容c b 、q 4 回到电源负极。i 。一方面通过变压器原边将电源输入的 能量传递给负载，另一方面给阻断电容c b 充电。在这个时间段内，饱和电感一直处于 饱和状态，原边电流i 。= i 同1 0 恒定不变。这个时间段对应的等效电路拓扑如图3 - 3 所 不。 沈阳工业大学硕士学位论文 图3 3 模态l 工作拓扑 在这个时间段的初始时刻t o ，隔直电容c b 上的电压v c b 等于一、r c b p ，v c b p 为v c b 的正负 峰值。在这个时间段有： v c b 刁1 1 0 t c b v c b p( 3 1 ) 式中，n 为变压器副边与原边线圈匝比，i o 为输出电流。 在时刻t 1 ，开关管q 】截止，这个时间段结束。在这个模态下工作的持续时间t l = t l t 0 取决于开关频率和变压器原边的占空比。 ( 2 ) t l t z 时间段( 模态2 ) 在时刻t l ，开关管q l 截止，原边电流从q l 转移到c 1 和c 2 支路中，给c 1 充电，同 时给c 2 放电，因为电容两端的电压不能突变，所以开关管q l 是在电容c l 和c 2 的作用 下零电压关断的。这个时间段对应的等效电路拓扑如图3 , 4 所示。 沈阳 业大学硕上学位论文 图3 4 模态2 工作拓扑 考虑到前述假定，由于输出滤波电感很大，负载被等效为恒流源，故可以认为在 时间段内原边电流i 。= i p 邗| 1 0 近似不变，类似于一个恒流源。因此电容电压v c 2 可近似认 为在恒流源i p 作用下线性下降。即： v c 2 = v m n i c ( 3 - 2 ) 式中，c = c 1 + c 2 在时刻t 2 ，c 2 上的电压r f 降到零，开关管q 2 的反并联二极管d 2 自然导通，这个时 间段结束。这个时间段的长度为： t 2 = h - - t l = cv n 1 0 ( 3 3 ) ( 3 ) 垃 f 3 时间段( 模态3 ) 在时刻t 2 ，v c 2 下降到零，d 2 导通，开关管q 2 随后可以在零电压下完成开通，原边 电流通过q 和d 2 续流，将电压v a b 筘位在零，隔直电容c b 上的电压v c b 上升到等于 v c b d 。在这个时间段，饱和电感仍处于饱和状态。在隔直电容电压v e b 的作用下，原边电 流将迅速下降，并导致副边电流也迅速下降。输出电流1 0 于副边电流的差值将通过副边 整流器续流，从而将变压器副边及原边短路，这个时间段的等效电路如图3 5 所示。 一z 3 一 沈阳工业大学硕士学位论文 图3 6 模态3 工作拓扑 根据前述假设，由于c b 足够大，因此在这个时间段其上电压v 。b 州。b 口可以近似看 作不变。由于电压v c b 等于零，变压器原边短路，故阻断电容电压v c b 全部加在漏感上， 这时有； i p = n l o - - v c b p 仉城( 3 4 ) 在时间t 3 ，原边电流i 。衰减到零，这个工作模态结束。该工作模态的持续时间为： t 3 = t 3 - - h = r t l ol l c b p ( 3 - 5 ) ( 4 ) t 3 乜时间段( 模态4 ) 在时刻t 3 ，i p 衰减到零。之后，在隔直电容电压v 曲的作用下i p 将试图向反方向变 化，但这时饱和电感l s 已退出饱和状态，呈现出较大的电感量，阻止了i 。的进一步变 化。在这个时间段，隔直电容上的电压保持不变，开关管q 一仍处于导通状态，但已没 有电流流过。对于本课题采用的i g b t 管，其上少数载流子能在这个时间段内复合完 成。这个时问段的等效电路如图3 6 所示。 沈阳工业人学硕士学位论文 图3 6 模态4 工作拓扑 ( 5 ) t 4 t 5 时间段( 模态5 ) 在时刻t 4 ，开关管q 4 在零电压、零电流状态下关断。在这个时间段隔直电容上的 电压继续维持不变，主电路中的电流仍为零。等效电路如图3 7 所示。 d r l 图3 7 模态5 工作拓扑 沈阳工业大学硕士学位论文 这个时间段实际上是滞后桥臂开关管状态转换之间的死区时间，在这段时间里，剩 余少数载流子被继续复合移去。 ( 6 ) t 5 t 6 时间段( 模态6 ) 在时刻t 5 ，开关管q 3 导通，由于此时饱和电感l s 尚未进入饱和状态，原边电流i d 不可能突变，需经过一定的滞后才能迅速上升，因此q 3 为零电流导通过程。q 3 导通 后，在阻断电容和输入电压的共同作用下饱和电感很快又进入饱和区。由于漏感很小， 因此原边电流i 。在这两个电压的作用下迅速线性上升。这时有： i ( t ) = ( v m + v e b p ) t h( 3 6 ) 在时刻t 6 ，i 。上升到等于输出电流反射值凰，输出电流全部通过变压器副边、电源 再次向负载输送能量。之后，隔直电容c b 上的电压v c b 将由萨向负逐渐减小，开始下半 个对称的周期。这个工作模念的等效电路如图3 _ 8 所示， 其持续时间为： 图3 8 模态6 t 作拓扑 t 6 2 t 6 一t 5 2 m ol l k ( v c b p + v 0 ( 3 7 ) 沈阳工业大学硕士学位论文 3 - 2 阻焊电路特性和参数的讨论 从上述分析可以看出原边加隔直电容和阻断二极管的全桥z v z c sp w m 变换电路 主要有以下一些特点： ( 1 ) 有效的软开关特性 超前桥臂开关管q l 和q 2 在零电压下导通，导通损耗几乎为零。但关断损耗不为 零，它取决于开关管并联电容及通过其上的电流。这两者将确定开关管两端电压的上升 速率d v d t 。对于i g b t ，由于拖尾电流的存在，可能会造成一定的关断损耗。但通过外 加并联电容，它的关断损耗将会有效的降低。由于超日u 桥臂实现零电压开关较易，因此 外加并联电容对变换器的软开关范围影响不大。 滞后桥臂q 3 和q 4 实现了零电流开关，使开通损耗几乎为零。由于饱和电感在开关 管两端电压降为零之前一直处于不饱和状态，从而得以保持主电路中的电流为零，直到 开关管开通。另外，由于在续流期间原边电流一直保持为零，因此当开关管关断时，损 耗也几乎为零。对于有拖尾的i g b t 来说，只要续流时间足够长，少数载流子也能复合 完毕，损耗近乎为零。 ( 2 ) 软开关范围 超| j 桥臂开关管零电压开关的实现与基本的f b z v s p w m 变换器完全一样，但对 于i g b t ，为了降低关断损耗，一般应外加并联电容。为了保证零电压导通，两开关管 状态转换之间的死区时间应满足： t a ( c i + c 2 ) 等( 3 8 ) 玎1 0 在轻载时，t d 将相应的增大，导致最大占空比范围减小，因此在设计时折衷考虑零 电压开关负载范围及最大占空比控制范围。对于滞后臂上的开关来说，可以在整个输入 电压及负载变化范围内实现零电流开关。 ( 3 ) 导通损耗 在基本的z v sp w m 变换器中，为了保证滞后桥臂上的两只开关管实现零电压开 关，在超前桥臂开关管状态转换过程完成后原边处于续流阶段时，原边电流要保持为输 出电流在原边的反射值，同时要求变压器有较大的漏感，这意味着在续流状态时原边主 沈阳工业大学硕士学位论文 回路中具有较大的环流，这将增加电路的导通损耗，并造成副边电压较大的占空比丢 失，电路效率进一步下降。而在z v z c sp w m 变换器中，续流状态时，原边电流很快 降为零。另外，由于变压器漏感可以很小，阻断二极管防止了原边环流的产生，因此电 路中的占空比损失几乎可以忽略，变换器的效率将得到很大提高。 ( 4 ) 与负载无关的直流