（无线电物理专业论文）谐振型超音频电源的谐振频率锁定技术研究.pdf

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问题。并在电路中加入了反馈装置，有效的解决了串联谐振中的电压累加问题。 因弧焊电源的输出频繁工作在空载短路及燃弧的状态之间，谐振频率会发 生变化，因此为了保证i g b t 触发信号频率和主回路谐振频率一致，这就需要对 主回路谐振频率进行跟踪，使i g b t 的触发信号频率始终和主回路谐振频率保持 一致，从而使逆变主回路始终在谐振状态下工作，i g b t 在零电流下开通、关断， 开关损耗降低到最低。 由于在本文对焊接电源的频率跟踪问题进行了深入的研究，通过对主回路 工作原理的认真分析，并利用实验过程中获得的波形和数据，最终提出了一种 采用频率跟踪的解决方案。同时我们在理论分析的基础上，经试验运行过程， 该电路达到了预期的目的。 我们设计的半桥串联逆变谐振式焊接电源能可靠的工作，解决了传统电焊 机的一些问题，相信在不久的将来会得到广范的应用。 关键词：焊接电源谐振频率跟踪软开关占空比丢失 b u m i n ga r c ，t h ev a l u eo fr e s o n a n tf r e q u e n c yw i l lc h a n g e ，i no r d e rt ok e e p t h e t r i g g e rp u l s ee q u a lt or e s o n a n tf r e q u e n c yc i r c u i t ，t h em a i nc i r c u i tn e e df r e q u e n c y t r a c k i n g a n dt ok e e pt h em a i nc i r c u i tw o r k s i nt h es a t e so fr e s o n a n tf r e q u e n c y t h e i g b tw i l l w o r k su n d e rz e r ov o l t a g es w i t c t c h i n ga n dz e r o c u r r e n ts w i t c h i n g c o n d i t i o n a n dt h es w i t c h i n gl o s sw i l lr e d u c eal o t 也ed u t yc y c l el o s sa l s ow i l lb e i m p r o v e d t h ep a p e rd i s c u s s e dt h i sp r o b l e md e e p l y a f t e ra n a l y z i n gt h ep r i n c i p l e so fo u r c i r c u i tw eb r i n go u tan e wm e t h o db yu s eo ft h ed a t a sa n dw a v e sg o tf r o m e x p e r i m e n t s ：w ed e s i g n an e wf r e q u e n c y t r a c k i n gc i r c u i t t h em e t h o di sp r o v e d f e a s i b l e t h er e s u l t so ft h i se x p e r i m e n ts h o wt h a tt h ei n v e r t i n gc i r c u i ti se x c e l l e n t a n da v a i l a b l e t h i ss i m p l ea n dr e l i a b l en e wc i r c u i th a se f f e c t i v e l ys o l v e dt r a d i t i o n a lw e l d i n g m a c h i n ed e f e c t s t h eu s i n go ft h i sn e wd e s i g n e dw e l d i n gm a c h i n ew i l lb ef u r t h e r i m p r o v e d k e yw o r d s ：w e l d i n gp o w e rs u p p l y , s e r i e s r e s o n a n t ，f r e q u e n c y 。t r a c k i n g ，s o f t 。s w i t c h i n g ，d u t yc y c l el o s s i i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录。l i i 第一章电焊机的发展概述1 第一节电焊机的发展状况与趋势1 第二节硬开关和软开关概述2 第三节传统焊机的特点6 第二章谐振型超音频电源主电路结构与原理1 6 第一节研究背景1 6 第二节半桥完全谐振式逆变焊机主回路工作原理概述一1 7 第三节主电路逆变工作过程分析。18 第四节实验结果。2 2 第三章谐振型超音频电源的谐振频率锁定技术研究2 6 第一节主回路谐振频率变化的现象2 6 第二节i g b t 的工作原理及特性2 7 第三节i g b t 的信号触发和驱动电路3 0 第四节频率自动跟踪电路3 3 第五节试验结果3 6 第四章小结3 9 致谢4 1 个人简历4 2 i i i 第一章电焊机的发展概述 第一章电焊机的发展概述 第一节电焊机的发展状况与趋势 我国电焊机行业经过4 0 多年的发展壮大，目前已形成一批有一定规模的企 业，其生产的产品主要包括：手工电弧焊机、电阻焊机、半自动弧焊机、特种焊 机以及各类专用成套焊接设备和焊装生产线，可以基本满足国民经济的需求。目 前，电焊机行业各类企业的总数仍保持在9 0 0 家左右。 1 1 1国内外电焊机发展趋势 ( 1 ) 手工电弧焊机、逆变式手工电弧焊机已大部分采用了i g b t 等新型电子 元器件，并在某些场合部分替代了弧焊整流器，但其可行性与一般手工弧焊机相 比尚有差距。今后应开发适宜于苛刻焊接环境条件的、可靠性高的、多用途的 逆变式焊机。 ( 2 ) m i g m a g 焊机要继续开发推拉式送丝机构、脉冲m i g m a g 焊机使之 在引弧、收弧、减少飞溅等方面有明显的改进，用微处理器控制的送丝机构亦是 开发的方向。 ( 3 ) t i g 焊机广泛应用于不锈钢焊接，因此发展较快的磁放大器式或晶闸管 式，仅一小部分为逆变式。交流t i g 焊机大多己采用矩形波输出，大部分用电子 及磁场混合控制以获得矩形波，最近国内亦出现了逆变式交流矩形波t i g 焊机， 但还有待于市场的考验。国内宇航工业要求焊接较厚的长焊缝，需用电流在5 0 0 a 以上、负载持续率1 0 0 的大容量t i g 焊机，此类产品国内尚属空白。 ( 4 ) 埋弧焊机有必要进一步发展2 0 0 0 a 以上的大容量埋弧焊机。埋弧焊机 的操作部份大多为单一的中型小车结构，不够灵活。应发展轻型及重型小车结构， 并可加装成双丝或多丝结构，以利于提高生产率。 ( 5 ) 电阻焊机目前电阻焊机属中等容量，较大的如4 0 0 k v a 以上及适宜于小 型、微型结构的l k v a 以下的精密电阻焊机则较少。点、凸焊控制器虽有进步， 但大多为合资企业产品，为保证质量，关键部份依赖进口。因此，开发和研制出自 行设计制造的控制器亦是方向之一。 1 1 2国内电焊机市场发展形势 第一章电焊机的发展概述 目前国内电焊机市场总的形式是：产品产量供大于求，竞争激烈，尽管国产 焊机出口形势因产品性能的提高和引进产品国产化的实现，以及合资、外资企业 生产规模的扩大，出口额有所增长，出口产品逐步由交流弧焊机、旋转直流焊机 为主转向自动、半自动焊机和成套焊机，但与进口的同类型产品相比，差距仍很 大。 第二节硬开关和软开关概述 近2 0 年来，弧焊逆变电源由研究到应用，现在已成为焊接电源的主流，其灵 活的控制策略及优异的焊接工艺性能得到广大焊接工作者的普遍认同，弧焊逆 变电源的主电路拓扑又分为软开关和硬开关。但目前仍以硬开关形式为主。采 用软开关技术可以大幅度减少功率器件开关过程中的功率损耗，降低器件的电 压、电流应力，从而减少电源的电磁干扰( e m i ) ，进一步提高电源的工作可靠性。 因此，将软开关逆变技术应用于弧焊逆变电源是弧焊逆变电源发展的必然趋势 t 2 o 由于在焊接逆变电源中，开关器件通常选用功率绝缘栅晶体管i g b t ，使得 高频开关电源工作频率越来越高，高频变压器体积进而减小，整流器体积减小， 成本也越低。 为了提高逆变电源的效率，就需要减少能量的传输损耗和保护i g b t 开关 器件的正常使用，故逆变电源开关器件的功率损耗就成为一个重要的问题。 1 2 1 硬开关原理及其局限 1 2 11 硬开关原理 i g b t 工作状态有两种：关断状态和导通状态，开关损耗包括导通损耗和关 断损耗b 3 。 ( 1 ) 导通损耗：指功率管从截止到导通过程中，所产生的功率损耗。 导通损耗产生的原因：导通瞬间开关器件电压的不能马上降为0 ，而电流从 0 已上升，因此在开关管上产生电压电流交叠现象，而产生损耗。电压不能马 上降为0 的原因是开关器件上有寄生电容，电容上电压不能突变，即不能马上 降为0 ，从而产生功率损耗。在导通过程中，寄生电容的储能通过开关器件放 2 第一章电焊机的发展概述 掉而损失。 ( 2 ) 关断损耗：指功率管从导通到截止时，所产生的功率损耗。 关断损耗产生的原因：截止瞬间开关器件电流不能马上降为零，而电压已经 从零上升，在开关器件上产生电压电流交叠现象。电流不能马上为零的原因是， 与开关器件连接的电路中有寄生电感，阻碍电流变化。并且逆变电路中感应线 圈是电感元件，当开关突然关断时，变压器电感元件电流不能突变，并会产生 很大的反激电压，阻碍电流变化，通过电路加在开关管上，产生比较大的损耗。 提高开关速度不但不能消除损耗，反而会使反激电压越大，损耗更大。为了大 幅度地降低开关器件的开关损耗，一般采用谐振开关技术，使得器件在零电压 ( z v s ) 或零电流( z c s ) 条件下进行状态转变，从而使器件的开关损耗降到最低水 平。 1 2 1 2 硬开关的局限性 ( 1 ) 开关损耗大。开通时，开关器件的电流上升和电压下降同时进行；关 断时，电压上升和电流下降同时进行。电压、电流波形的交叠产生了开关损耗， 该损耗随开关频率的提高而正比例增加。 ( 2 ) 感性关断电尖峰大。当器件关断时，电路的感性元件感应出尖峰电压， 开关频率愈高，关断愈快，该感应电压愈高。此电压加在开关器件两端，易造 成器件击穿。 ( 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。 硬开关p w m ( 脉冲宽度调制) 是指在功率变换过程中电子开关在开通和 关断的瞬间处于大电流或高电压的工作条件。会造成开关的烧蚀损坏，并能对 电网空间产生极大电磁干扰，而且导致开关工作损耗增高。 硬开关过程如图1 1 所示，图中电压尖锋、电流尖峰( s u r g ev o l t a g e 、 s u r g ec u r r e n t ) 很大，因此功率损耗( p o w e rl o s s ) 很大：图1 1 硬开关开、关过 第一章电焊机的发展概述 程电压、电流波形。 图1 1 硬开关过程 1 2 2 软开关原理及其优点 开关技术是使功率变换器得以高频化的重要技术之一，它应用谐振的原理， 使开关器件中的电流( 或电压) 按正弦或准正弦规律变化。当电流自然过零时， 使器件关断( 或电压为零时，使器件开通) ，从而减少了开关损耗。 软开关技术的优点如下( 1 ) 更高的效率、更高的功率密度；( 2 ) 更高的可靠 性( 开关损耗减小) ；( 3 ) 减小电磁污染和环境噪声( d v d t ，d i d t 减小) 。软开关实 现过程如图1 2 所示。 p o w e r l e s s z c s 图1 2 软开关实现过程 由于软开关具有当电压谐振到零的时刻导通，电流谐振到零的时刻关断， 即零电压导通和零电流关断，所以大大降低了硬开关带来的一系列问题。 而传统的硬开关电路，在导通和关断的时刻由于开关器件的延时，使得电压和 4 第一章电焊机的发展概述 电流有相当的重合部分，这样导致了很大的功率损耗。 减小关断损耗的方法( 1 ) 在开关管开通前，使其电流减小到零零电流关 断，见图1 3 ，关断损耗基本减小到零：( 2 ) 在开关管关断时，使其电压保持为 零或限制电压的上升率，从而减小电流与电压的交叠区零电压关断，关断 损耗大大减小；( 3 ) 同时做到前两项，关断损耗为零。 减小开通损耗的方法( 1 ) 在开关管开通时，使其电流保持为零或限制电流的 上升率，从而减小电流与电压的交叠区零电流开通，开通损耗大大减小； ( 2 ) 在开关管开通前，使电压下降到零零电压开通，见图1 4 ，开通损耗基 本减小到零；( 3 ) 同时做到零电流关断、零电压开通，开通损耗为零。 歼绠天新 图1 3 零电流关断 功率损耗更加严重，因而严重制约了逆变电源频率的提高。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。 第三节传统焊机的特点 随着科学技术的发展，传统的工频电焊机由于耗能大、重量重、体积大、 焊接性能差等缺点已不能满足各行各业的需要，因而急待研究开发性能更好的 替代产品。电力电子技术的不断发展，为研制高频逆变电焊机奠定了基础。目 前，逆变弧焊电源正向高频化、轻量化、大容量方向发展。但是对于传统硬开 关方式控制的逆变电源，由于采用的是p m w 硬开关方式，在开关器件电流没 有过零的情况下硬开硬关，导致开关器件发热，并且功率损耗也随着开关频率 的升高而升高。功率开关器件在开关瞬间会承受较大的电流、电压应力，开通 和关断过程损耗较大，使功率开关器件寿命下降。整机工作可靠性受到一定影 响。这些硬开关电源本身的问题影响了逆变电源的稳定性、可靠性，采用谐振 式软开关技术。可以有效降低功率器件的开关损耗、减少电磁干扰、提高效率、 6 第一章电焊机的发展概述 改善器件的运行环境。 弧焊电源的输出频繁工作在空载，短路及燃弧的状态之间，特别是当焊机 输出接近短路，输出电流较大时，p w m 焊机电源主回路开关输出元件的开关 应力很大，开关损耗也很高。因p w m 硬开关方式的开关应力及开关损耗随开 关频率的提高和功率的增加而剧增，而因控制大功率，高频率逆变焊机的难度 较大，主回路必须采用新的拓扑形式。 1 3 1现在市场上电焊机简要分类 1 3 1 1p 删硬开关电焊机 逆变焊机技术经历了近十年的发展，逐步替代了落后的工频晶闸管整流技术而 进入了高频变换时代。在高频变换技术进程中又走过了它的初级阶段即硬开关 p w m 阶段，于近年进入了它的第二阶段，即软开关p w m 阶段。脉冲宽度调制 ( p w m ) 相对脉冲频率调带f j ( 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 1 。 所谓硬开关p w m ( 脉冲宽度调制) ，是指在功率变换过程中电子开关在开 通和关断的瞬间处于大电流或高电压的工作条件，它的工件可靠性差、效率低、 电磁干扰极为严重嵋3 。p w m 硬开关技术是以中断功率流并控制占空比的方式来 实现功率调节的，由于硬开关逆变焊机存在开关损耗大，电磁干扰严重、开关器 件损坏几率大等缺点，影响了它进一步向高效化、高频化发展。下面以工作于 p w b i 硬开关模式下的半桥串联逆变电焊机为例，介绍一下硬开关电路特点。 一p w m 半桥串联逆变电焊机 主电路由输入整流、逆变、输出整流等主要部分组成 7 第一章电焊机的发展概述 由电流调节器调节焊接电流和脉宽，p w m 脉冲发生器产生一定频率的 p w m 脉冲列。脉冲隔离放大器将触发信号的p w m 脉冲列隔离放大，去驱动主 回路i g b t 。在p w m 脉冲发生器里综合了电弧推力信号，用以控制电焊机起弧 时短路电流的大小。 1 半桥式逆变电路工作状态的分析晒1 r q i r 乙 s 1 一 i _ j k = c l 9 + 圪 j及 ：； 坼 溉 。j - ：。 d 一4 u =- c 2 一p 砬l 三 图1 - 5 半桥式逆变电路图 半桥式转换器是由降压型转换器衍生而来的电路结构。图1 5 所示为半桥 式转换器电路。其中q 】与q 2 为功率开关，设开关器件为i g b t 。l 为输出侧的 储能电感。与推挽式转换器不同之处在于上下桥臂开关必须隔离驱动，对于驱 动电路的设计要求较为复杂些。输入直流端有两个串联的电容，每一个电容须 承受一半的输入直流电压，同时达到稳压滤波与储能的作用。当负载变化越大 时。纹波电压越大，对电容值的要求也越大。图1 6 所示为半桥式转换器操作 在连续电流导通模式下的电压与电流波形 第一章电焊机的发展概述 锄。 l 一t 。 t 孵 0 一， - 岛：。 0一 f jl ，口l d 圪2 ， i 0 j 矿 2 薯 圪2 0 一 ， j 匕 圪2 n v o f 0 m sm s 一 l ( o 5 一d ) 五 j l 。 z d 3 。 n一f 图1 6 半桥式转换器操作在连续电流导通模式下的电压与电流波形 f 蚝= 圪+ 乱等+ ( 1 1 ) 电感电流屯的电流变化率为 、 屯：三毕d 五 ( 1 2 ) 其中d 为q 1 和q ，的触发信号的占空比，疋为q l 和q 2 的工作周期。 9 4k o t o 第一章电焊机的发展概述 当功率开关q l 截至时，q 尚未导通，为了使转换器的功率开关切换不会造 成上下同时导通的状况，利用控制信号产生死区时间，死区时间内功率开关g 和鲮同时截止，此时q 与q 2 的两端电压为输入电压0 5 ，并且无能量转移 至二次侧。在此期间，储存于变压器的能量可经由输出二极管b 、d 4 与电感 器三传输到输出端。输出电感的电压方程式为 哮+ - 0 ( 1 3 ) 由于死区时间为( 0 5 - d ) t s ，所有电感电流屯的变化率为 瓴= 和5 一d ) t s ( 1 4 ) 由于电感电流是连续的，电流的变化量是相等的，因此 v s - ，v od t s ：争( 0 5 一d ) t s ( 1 5 ) l三、 圪= 2 k 幸d ( 1 6 ) 由于 疗：生：生( 1 7 ) n sv s 所以 。 v s 砟瓮= 警弓 8 ， 我们可以得到平均输出电压对输入电压的比值与工作周期的关系为 堡：一d 。 ( 1 9 ) 一= 一 j r 了 圪 刀 当功率开关q 2 导通，由于一次侧绕组p 的同名端负电位，输出二极管b 承受正向电压而导通，输出二极管d 3 反向截止。此能量就会经由输出二极管b 与电感器传输到输出端，此时q 两端电压接近0 v ，而g 两端电压为圪。 1 3 1 2 全桥移相型零电压开关p 删电路 在软开关技术三相变频器电路的研究中，谐振过渡软开关技术模式综合考 虑了p w m 技术和软开关技术的优点，这种电路的基本构想是在保持传统三相 l o 第一章电焊机的发展概述 p w m 逆变桥工作方式不变的情况下外加一个辅助的谐振电路。辅助谐振电路仅 仅工作在逆变桥主功率开关器件工作状态改变时一个很短的瞬间，所以对辅助 电路中开关功率的要求很小，又能为逆变桥上的所有开关管和二极管状态的改 变提供软开关条件。另外，谐振过程充分利用了逆变桥中主开关上的寄生电容 和跨接的关断吸收电容，所以，比较适合于现有的以i g b t 为基本器件构成的三 相电机驱动用变频器电路。 软开关技术就是指通过辅助的谐振电路使开关管开通前电压先降为零或者 关断前电流先降为零的条件下关断，从而大大降低了开关功率损耗，减少了噪声 污染和电磁干扰h 3 。这样，就实现了在零电压情况下开通或者在零电流下关断。 也就是术语中常说的z v s ( 零电压开关) 和z c s ( 零电流开关) 开关技术。软开关 p w m 功率变换器技术是相对于硬开关p w m 技术的一次革命性发展，它确实在 相当程度上改善了焊接电源产品的可靠性、效率、电磁干扰( e m i ) 三大基本性 能。采用移相控制技术使功率器件的开关应力减少、开关损耗降低、从而提高 了整机效率。然而这种软开关亦存在诸多不足和缺陷，如： ( 1 ) 这种中、大功率移相控制软开关方式实现软开关并不是全范围的； ( 2 ) 由于存在环流，开关管的导通损耗大，轻载时效率较低，特别是在占空 比较小时，损耗更严重； ( 3 ) 输出整流二极管存在寄生振荡； ( 4 ) 为了实现滞后桥臂的z v s ，必须在电路中串联电感，这就导致占空比 丢失降低了输出能力，增大了原边电流定额。 而且移相控制本身还有一个难以克服的缺点，即死区时间不好调整。当负 载较重时，由于环流大，超前桥臂管上并联的电容放电较快，因此实现零电压 导通比较容易，但当负载较轻时，超前桥臂开关管上并联的电容放电很慢，超 前桥臂的开关管必须延时较长时间后导通才能实现z v s 导通。 准谐振开关电源的组成与传统p w m 开关电源的结构极其相似，不同的是 它在d c d c 变换电路中采用了软开关技术，即准谐振变换器( q r c ) 。它是在 p w m 型开关变换器基础上适当地加上谐振电感和谐振电容而形成的，由于运 行中，工作在谐振状态的时间只占开关周期的一部分，其余时间都是运行在非 谐振状态，所以称为“准谐振”变换器。准揩振变换器又分为两种，一种是零 电流开关( z c s ) ，一种是零电压开关( z v s ) ，零电流开关准谐振变换器的特 点是保证运行中的开关管在断开信号到来之前，管中电流下降到零。零电压开 第一章电焊机的发展概述 关准谐振的特点是保证运行中的开关管在开通信号到来之前，管子两端的电压 已经下降到零。 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 年代中期的准谐振或多谐振技术、8 0 年代末期的z c s p w m 、z v s p w m 和f b p s z v s p w m 技术、9 0 年代初的z c t - p w m 和z v t o 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之一。 f b p s z v s p w m 主电路结构口町 一 下面分析移相控制零电压开关p w m 电路。其利用变压器的漏感或者在变 压器原边串联电感和功率管的寄生电容的谐振来实现功率器件的零电压开关， 其电路结构及主要工作波形电路图如下。 e j一 。 h u 叫r il c l叫d ； i _ i _ j l ra 毒 b 厂丫y y 弋 t 。c 4 广 _ j c 3 呼 _ j 叫1 6 乞 l 】 图1 7f b p s z v s p w m 主电路结构 如上图其中d 1 、d 2 、d 3 、d 4 分别是功率器件q 1 、q 2 、q 3 、q 4 的内部寄生 二极管，c 1 、c 2 、c 3 、c 4 分别是q 1 、q 2 、q 3 、q 4 的寄生电容或外加电容。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器件成1 8 0 度角反 1 2 第一章电焊机的发展概述 相，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的大小。q 1 、q 3 分别超前q 2 、q 4 一个 相位，故称q l 、q 3 为超前臂( 1 e a d i n gb r i d g e ) ，q 2 、0 4 为滞后臂( 1 a g g i n g b r i d g e ) 。 工作原理 软开关技术问世以来，在不断发展和完善，涌现出多种电路形式不少弧 焊逆变电源采移相全桥型零电压开关，其电路形式如图1 7 所示，波形图如图 1 8 所示。四个开关管在恒定的频率下特续运行，通过调节桥臂驱动脉冲的相 位调整功率输出。电压从零开始线形上升，所以q 1 是零电压关断) 。之后，三， 与电容c 1 和c 3 谐振，当c 3 两端电压下降到为零的时刻，并联在q 3 两端的二 极管d 3 自然导通，在t ，时刻，q 3 可以在零电压下导通。此后电压进入环流阶 段。在t ，时刻，关断q 4 ( 由于c 4 两端的电压从零开始线形上升，所以q 4 是零 电压关断) 。此后，由于变压器原边电流i p 下降，开始了输出电流从输出整流 二极管d 5 到d 6 的换流过程，这时虽然原边有负电压脉冲波形，但原边不足以 提供负载电流( 因为i 。， i ，p ) ，这样就导致了输出整流二极管d 5 、d 6 同时导通， 负载续流的状态，其两端电压为零，副边短路同样，变压器原边短路。电压v i n 直接加到谐振电感l r 上，l r 和电容c 2 、c 4 谐振。到t 时刻，c 2 两端电压谐 振到零，此时d 2 自然导通，此后可以开通q 2 ，q 2 为零电压开通。虽然这时q 2 已经导通，但是q 2 不流过电流，。由d 2 流过，能量反馈给输入电源。之后，。 在电压- v i n 的作用下，线形下降，直到t ，时刻，下降到零，并且向负方向增加， 电流流过q 2 、q 3 ，d 5 中流过的电流下降，d 6 中流过的电流上升，但是这时原 边电流仍然不足以提供负载电流，。依然线形下降，直到气时刻，输出整流 二极管完成换流，整流二极管d 5 关断，d 6 流过全部负载电流。然后开始下半 个开关周期， 其工作过程大致与上半个周期相同。下面分析一下f b p s z v s p w m 的特点： ( 1 ) 超前桥臂与滞后桥臂实现z v s 的条件不同，在超前桥臂开关过程中，实 现z v s 的能量是由三，和由变压器副边三，反馈到原边的电感共同提供的，由于 三，很大，故提供的能量很大。存储在电感的能量对c l 进行充电，同时c 3 放电 以使b 点的电压渐渐升高，当c 3 的电压降低到0 时，d 3 导通，开关功率q 3 的源 漏电压为0 ，从而为开关功率管q 3 零电压的开通准备了条件。 当t 2 时刻到来时，开关管q 4 由导通变为截止，储能电感对c 4 开始充电，同 时，电容c 2 开始放电使a 点的电压逐渐上升，直到c 4 的电压为u 使d 2 导通。从 第一章电焊机的发展概述 而为开关功率管q 2 的零电压导通准备了条件。在这一过程中，参与谐振的电容 量为c 2 和c 4 的并联，电感仅为三，即c = c 2 + c 4 ，l = l ，。因滞后桥臂开关过程 中，变压器副边是短路的，负载侧与原边没有关系，此时零电压实现所需要的 能量由l r 提供，由于l r 比l f 小的多，很难满足z v s 的条件。 滞后臂谐振过程的微分方程为： 谐振电容c 1 电压：( r ) = ：一b 衍岛 ( 2 o ) 谐振电容q 电压：u c , ( t ) = u c 。+ 丘西t ( 2 1 ) 乞= q ( 2 2 ) 由以上三式可得： 吃= z 2 ，其中i 2 ，i 4 分别为流经c 2 和c 4 的电流。 2 l d 2 f ：l d t 2 + i u c , = o ( 2 3 ) 其中初始状态时的q ：o ，f 2 = i l ，( o ) = 如n ( 2 ) 副边占空比的丢失问题图i 8 中的阴影部分为负边占空比丢失部分 所谓副边占空比丢失问题，是指变压器副边的占空比小于原边的占空比。即 d = + a d ( 2 4 ) 式中d 够称为副边有效占空比，a d 占空比损失。占空比损失发生在副边整流二 极管换流过程中，由图1 8 可知，在p ，一气】时间段内，尽管变压器原边电压为 电源电压，但由于在此期间副边整流二极管b 和或同时导通，故副边电压 仍被嵌位为零，出现了副边占空比损失。 假定在一个开关周期中输出滤波电感很大，电感电路恒定为厶，则 a d 盟 因此输出电压为 = 圪n 。 由上式可知，在越大，越大：负载越大，越大；u i 越小，越 大；显然的产生使次级占空比减小。为了在输入电压最低、负载电流大时 1 4 j 壁兰邑堂垫塑垄星塑垄 依然得到要求的输出电压，必须减少变压器匝数比。但匝数比的减少会引起原 边电流变大，开关管器件的通态损耗加大，副边二极管的反向电压也会增大。 i p 0 v a s t o ili iii i ii 虹岖；一j - ! q 3 【| iii- 厂 i iilq l 1一 iiili q q iii l q 2 ii l li q 4i i i l i i _ l i l 一一l 与ii1 2i i li iii 扒 专n 卜j 烈；圳ii 厂 ij ： i ： ：卜m ：，： ni 绷卜n 绷n 图1 8 全桥移相控制( f b ) 零电p 唧转换电路工作波形 t 第二章谐振型超音频电源主电路结构与原理 第二章谐振型超音频电源主电路结构与原理 第一节研究背景 我们通过了解市场上直流逆变焊机电源的电路特点，分析发现普遍存在着 焊机在使用过程中由于非过零关断引起的功率损耗和烧坏i g b t 的问题。而i g b t 模块在整个电焊机设计过程中将决定系统的成本和可靠性，产品寿命。因此， i g b t 损耗和温度分布对于电焊机的使用来说是非常重要的。据我们的统计，目 前国内的各主要厂家基本采用p w m 脉冲调宽逆变模式来调节逆变焊机的输出功 率，而脉冲调宽逆变模式很难实现i g b t 的电流过零开通和过零关断，有些厂家 焊机电源采用的是p w m 全桥移相软开关，但这与真正的串联谐振逆变器有本 质的不同，其中一个最重要的判椐是：真正的串联谐振逆变器，输出为单一的 谐振频率厂= 1 ( 2 x 4 l c ) ，而全桥移相p w m 硬开关不能满足这个条件。脉冲 调宽逆变器存在着比较大的开关损耗，再因逆变器的工作频率相当高( 2 0 k 左 右) ，这正是目前的逆变直流弧焊机烧管子的重要原因。 p w m 开关控制焊机存在着难以克服的非谐振式逆变引起的一系列问题， 因为采取的是硬开硬关i g b t 换流，因此在换流过程中必然会出现i g b t 非电流 过零关断引起的功率损耗和i g b t 的发热。在这样的市场背景下，我们设计出 一种完全谐振式半桥串联逆变电焊机，能够过零换流，同时通过反馈电路又能 抑制谐振电路中电感线圈上的电压累加。 完全谐振式半桥串联逆变焊机，采用谐振逆变回路完全谐振式工作方式， 即国= 1 如。其中l c 分别为主回路谐振电感和电容。因为此电路由于主回路经 过i g b t 开关器件的电流波形经过零点，所以当电流过零时，开通和关断i g b t ， 即可实现零开通损耗和零关断损耗。 考虑到电焊机负载变化范围很大，当负载发生改变时，主回路的谐振频率 会相应的发生改变，为了保证主回路能工作在谐振状态下，需要进行频率跟踪。 若工作频率在谐振频率之上，即负载呈现感性状态，若要实现功率管的零电压 开通，必须保证i g b t 触发信号频率等于谐振主回路的谐振频率，故需要降低 i g b t 触发信号频率。当工作频率在谐振频率之下时，即负载呈现容性，要实现 1 6 第一章谐振型超音频电源主电路结构与原理 功率管的零电流开通，必须要保证i g b t 触发信号频率等于谐振主回路的谐振 频率，故需要升高i g b t 触发信号频率。 第二节半桥完全谐振式逆变焊机主回路工作原理概述 2 2 1主回路电路拓扑 我们设计的超焊机主要有三部分构成：三相可控整流端，主回路半桥逆 变主回路，功率输出部分。 三相 出叫向 嘲 可控 _ j ，n v 、- o 硅整 流输 i j d 入 c 2 v t 2 izt i 聿 7 ， - ry ) 4 、 i f y ，、v v t 2 jl jl jl j 弋 图2 1 新型半桥串联负载谐振软开关电路 本设计的新型半桥超音频谐振电源焊机主电路为半桥式逆变电路，三相可 控整流输入直流电压玑，经过半桥逆变后实现了a c d c a c 的转变，输出部 分采用全波整流。半桥的特点是结构简单、效率高，具有较强的抗不平衡能力， 与全桥逆变电路相比少用两个功率开关管旧3 。 整流部分：三相3 8 0 v 交流电经可控硅整流桥后输出的直流电压为u d ，u d 经过直流滤波电容器c d 后被滤为平直的直流电压。因电容c d 容量很大，我们 1 7 第二章谐振型超音频电源主电路结构与原理 在试验中认为逆变桥的输入电压近似为恒压源。 半桥逆变部分：整流侧整流所得直流电压仉加到逆变桥上，逆变桥是由两 只电容c 1 、c ，两只i g b t 和变压器t 。组成的半桥逆变器。通过依次导通两支 i g b t 可以得到由变压器t 。次级输出的交变电压。 输出端：经变压器t 。次级输出的交变电压经过全波整流后变成直流电压， 在接入负载后，输出端滤波电感三的滤波使输出电流变得平稳。 为了实现真正的软开关，本电路采用完全谐振的方法，在电流过零时开通 和关断功率开关器件i g b t ，使开关损耗达到最小。本电路有两个主要问题需要 解决 ( 1 ) 因采用了完全谐振的方法，所以主回路谐振频率对负载的变化非常敏 感，为了实现主回路工作在谐振状态下，我们设计了频率跟踪电路，经实验达 到了预期效果。 ( 2 ) 另外串联谐振有电压累加的问题，谐振电压会是直流电压q 倍，为了 解决谐振电压高的问题我们设计了谐振电压嵌位电路，加入了变压器t ：在试验 中发现电压累加问题得到有效的解决。 第三节主电路逆变工作过程分析 我们在主电路没有加入辅助变压器t 。的条件下，做了一些试验。下面首先 介绍一下主电路在这种情况下的工作原理。 2 3 1主电路不连接辅助变压t 。的工作过程分析 第二章谐振型超音频电源主电路结构与原理 图2 2 完全谐振型半桥串联负载等效电路 ( 1 ) 输出端负载为稳定负载，等效到主回路原边为r 。，参与谐振的电感 等效为厶，计算时把民和厶等效为串联。 ( 2 ) i g b t 工作在导通和截止状态，不考虑开通和关断时间，不考虑死区 时间；快恢复二极管为理想二极管，不计算其反向恢复时间。 ( 3 ) 半桥两臂严格对称，即c l = c 2 ，奶与q 严格的交替导通。 在上述假设条件下，得到的主回路简化电路如图2 2 所示。 下面具体分析一下主电路的电压累加过程： 假定在q l 被触发导通之前，电容c 1 和c ：两端已建立稳定的电压，即 。：宰，极性为上正下负，我们把一个周期内的工作过程分为两个阶 段： 第一阶段：触发q 时，谐振电容c l 的电压极性为上正下负，c l 的放电电流 屯路径为：c 卜g 专r 一厶专g ；c 2 的充电电流七2 路径为： 一q 1 专r 一厶专c 2 专。此时毛l 和f c 2 都流过g 、三。和蜀，设 i o 2 i c l + i c 2 。 1 9 第二章谐振犁超音频电源主电路结构与原理 谐振电容c l 电压：u q ( t ) = u a 2 一n 衍e + 乇r 谐振电容c 2 电压：u q ( t ) = g 2 + ，i , a t c + f o 民 ( 1 ) ( 2 ) ( f ) + o ) = ( 3 ) 由以上三式可得： = 乞说明电容c l 的放电电流和c 2 的充电电流相等。 谐振电容c l 两端的电压；过零后由于电感。的存在继续放电，最终形成 下正上负的电压。当谐振电流减小到零时，关断奶，同时触发幺( 暂不考虑触 发之间的死区时间) 。此时，u c 2 = u d 一。极性上正下负。第一阶段电流路径如 图2 3 所示。 图2 3第一阶段电流路径 第二阶段：鲛开通后谐振电容c 2 开始放电，其放电电流路径为： c ；_ 三。专r o 专q ：专c ；，同时c l 开始充电，其充电电流路径为： ”专c 。寸厶专尺。寸q 2 专。这个阶段和第一阶段基本相同，只是谐振 电容两端的初始电压不同，而且负载电流反向，相位相差为万。当电流过零时， 一个周期完成，停止触发q ，同时触发q ，开始了下一个周期的第一个阶段。 其电流路径如图2 4 所示。 第二章谐振型超音频电源主电路结构与原理 图2 4 第二阶段电流路径 如果当主电路c l 和c 2 电压累加稳定到一定值后，若定义流过厶的电流f o 从 右向左为正方向，则第一阶段c l 放电构成了主回路电流的正半周，第二阶段构 成了主回路电流的负半周，主回路电流乇就组合成类似正弦波的电流波形。 由以上分析我们可以看到，在整个周期中g 与q 2 的关断与开通都是在电流 过零的时候进行的，这样就避免了开关器件i g b t 的开关损耗，增加了整机的稳 定性。 由于串联谐振是电压谐振，谐振电容上的电压会有电压累加n 引，最后达到 稳态时的电容和电感两端的谐振电压的有效值将会是直流电压的q 倍n 卜1 2 3 ( q 指串联谐振电路的品质因数) 。当达到谐振状态时： u c = q ud ，ul o = q u d 。 其中q = c o 尺l 。o ，国为电路的谐振角频率。 2 l 第二章谐振型超音频电源主电路结构与原理 如果从能量损耗的角度则可以把q 值理解为口们：每个周期里电路中原始储 能与消耗的能量之比等t - q 2 z t ，即形形= q 2 x 。 2 3 2 主电路连接辅助变压t 2 的工作过程分析 当焊机工作时，焊机有功率输出，当谐振电路达到稳定后，谐振电容和电 感两端电压的有效值将达到一个恒定常数：u = q 。