（电力电子与电力传动专业论文）改进型串联谐振超音频逆变焊接电源.pdf

南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位 论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开 发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的 法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：磨苫属超 2 0 0 8 年5月 2 5 日 摘要 摘要 本文回顾了逆变焊接电源的发展和现状，指出了目前逆变焊接电源发展存 在问题和相应对策。目前焊接电源存在的主要问题是开关器件工作在硬开硬关 状态，其带来的开关损耗是开关器件损坏的主要因素。其主要对策就是开发出 具有软开关特性的逆变焊接电源。目前研究比较多的是全桥移相式软开关电 路，但是由于该电路目前有诸多无法克服的缺点，所以限制了其应用范围。 本文做的主要工作： 1 介绍了一种改进型串联谐振超音频逆变焊接电源，主电路采用半桥串联 结构，利用完全谐振的方法在谐振电流过零时开通或者关断开关器件，从而最 大限度地降低了开关损耗。 2 串联谐振有电压累加的现象，谐振电容和变压器原边的谐振电压在空载 或者轻载的情况下会升高很多，本文采用接入辅助变压器的方法圆满的解决了 谐振电压过高的问题。 3 由于该电路的谐振频率对负载比较敏感，设计了谐振频率跟踪电路，经 实验发现该电路可以对谐振频率进行很好的跟踪。 关键词：半桥串联谐振逆变焊接 a b s t r a c t a b s t r a c t t b j sp a p e rr e v i e w sd e v e l o p m e n ta n dp r e s e n ts t a t u so fi n v e r t e rw e l d i n gp o w e r s o u r c ea n dt h ea r i s i n gp r o b l e m si nt h ep r e s e n ta n dc o u n t e r - m e a s u r e sa r ep o i n t e do u t t h ea r i s i n gp r o b l e mi nt h ep r e s e n ti st h a ts w i t c h i n gd e v i c e sw o r ki nt h eh a r do p e n a n dh a r ds h u ts t a t u st h a tr e s u l ti ns w i t c h i n gl o s s ，w h i c hi so n eo ft h em a i nf a c t o r so f s w i t c h i n gd e v i c e sf a i l u r e t h em a i nc o u n t e r - m e a s u r ei st h a ti n v e r t e rw e l d i n gp o w e r s o u r c ew h i c hh a sc h a r a c t e ro fs o f t - s w i t c hi s d e v e l o p e d n o w , f u l l - b r i d g ep h a s e - s h i f t i n g s o f t - s w i t c hc o n v e r t e ri ss t u d i e dm u c h m o r e ，b u tb e c a u s eo fs o m e d i s a d v a n t a g e s ，i tc a n n o tb ew i d e l yu s e d t h em a i nw o r ka n dt h ec o n c l u s i o nd o n ei nt h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： f i r s t l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e sa ni m p r o v e ds e r i e s r e s o n a n ts u p e r s o n i cf r e q u e n c y i n v e r t e rw e l d i n gp o w e rs o u r c e m a i nc i r c u i tu s eh a l f - b r i d g es e r i e ss t r u c t u r ea n d s w i t c hi g b ti nz e r o c u r r e n tp e r i o d ，s ot h i sc i r c u i tc a nd e c r e a s es w i t c h - l o s s m o s t l y s e c o n d l y , s e r i e s - r e s o n a n tc i r c u i th a sv o l t a g ea c c u m u l a t i o np h e n o m e n o na n dt h e v o l t a g eo fr e s o n a n tc a p a c i t o ra n dt h ep r i m a r yv o l t a g eo ft r a n s f o r m e rw i l li n c r e a s e m u c hm o r e t h i sp a p e ra d o p tt h em e t h o dt h a ta d d i t i o n a lt r a n s f o r m e ri su s e da n dw e l l s o l v e st h ep r o b l e mo f v o l t a g eh i g h t h i r d l y , t h er e s o n a n tf r e q u e n c yo ft h i sc i r c u i ti ss e n s i t i v eo nv a r i a b l el o a d s o ，w e d e s i g nf r e q u e n c y - l o c k i n gc i r c u i t ，a n dh a sg a i n e dag o o de f f e c tb yt h ee x p e r i m e n t k e yw o r d s ：h a l f - b r i d g es e r i o s r e s o n a n ti n v e r t e rw e l d 目录 目录 第一章引言1 第一节逆变式焊接电源的发展概况1 1 1 1 功率半导体器件的发展状况汜1 1 1 1 1 1晶体管1 1 1 1 2 功率场效应管2 1 1 1 3 双极型复合器件2 1 1 2 逆变焊接电源的历史发展3 第二节逆变式焊接电源的发展方向4 第三节逆变焊接电源存在的问题和对策5 1 3 1 逆变焊接电源存在的问题5 1 3 2 相应对策6 第四节本课题主要研究内容8 1 4 1 本课题选题意义8 1 4 2 本课题主要解决的问题9 第二章传统逆变焊接电源主电路拓扑及其工作原理1 0 第一节传统逆变式焊接电源组成1 0 2 1 1 传统逆变式焊接电源的基本组成1 0 2 1 2 传统逆变式焊接电源的基本工作原理1 1 第二节逆变焊接电源主电路拓扑1 l 2 2 1 硬开关式转换电路1 1 2 2 1 1 半桥式转换电路1 2 2 2 1 2 全桥式转换电路1 5 2 2 2 全桥移相控制( f b ) 零电压p w m 转换电路( f b z v s p w m ) n 卜伸1 1 7 第三节本章小结2 1 目录 第三章新型半桥串联完全谐振软开关电路2 2 第一节主电路结构概述2 2 第二节主电路逆变工作过程分析2 4 3 2 1 主电路不连接辅助变压r ，的工作过程分析2 4 3 2 2 主电路连接辅助变压r ，的工作过程分析一2 7 第三节实验结果3 0 3 3 1 不接入辅助变压器疋3 1 3 3 2 接入辅助变压器l 3 2 第四节本章小结3 6 第四章改进型串联谐振超音频逆变焊接电源控制电路3 7 第一节i g b t 的工作原理及特性3 7 4 1 1i g b t 工作原理1 3 7 4 1 2 工作特性【2 引3 8 4 1 3i g b t 驱动电路的设计乜4 2 5 一引4 0 第二节触发脉冲的设计4 2 4 2 1 触发脉冲的设计思想4 3 4 2 2 触发脉冲生成电路4 3 第三节本章小结4 6 第五章总结与展望4 7 参考文献4 8 致谢5 0 个人简历5 1 第一章引言 第一章引言 第一节逆变式焊接电源的发展概况 焊接技术是现代制造工业的关键工艺技术，世界上钢产量有一半是经焊接 工艺加工才成为工业产品的，电弧焊则是最重要和最广泛应用的焊接工艺。弧 焊电源自从1 9 世纪就开始了，2 0 世纪初发明了弧焊发电机，2 0 世纪2 0 年代 制成了交流弧焊变压器。到了6 0 年代，由于硅整流器件、晶闸管等器件的研 制成功，出现了弧焊整流器。到了7 0 年代末8 0 年代初，随着大功率晶体管 ( g t r ) 、功率场效应管( p o w e rm o s f e t ) 、绝缘栅极晶体管( i g b t ) 等的出 现和集成电路技术的发展，为电子弧焊电源的发展提供了更广阔的空间。 在电源设备中，电力半导体器件是构成各种电力电子电路的三大核心元件 ( 开关器件、电感和阻容元件) 中最为关键的器件。这些开关器件性能的优劣， 可以在很大程度上决定电力电子设备的技术经济指标。 首先介绍一下功率半导体器件的发展状况： 1 1 1 功率半导体器件的发展状况嗍 1 1 1 1 晶体管 1 9 4 8 年美国贝尔实验室发明第一只晶体管以来，经过2 0 多年的努力，到 了7 0 年代，用于电力变换的晶体管已进入工业应用阶段。最近1 0 年，研究人 员又在工艺改进、晶体管模块化以及驱动电路集成化等方面进行了许多研究， 使得晶体管的性能变得更好，应用起来也更加方便，它被广泛的应用于数百千 瓦以下的功率电路。达林顿功率晶体管可工作在1 0 k h z 以下，非达林顿功率晶 体管的工作频率高于2 0 k h z 。这样，p 1 i m 技术在晶体管变换电路中得到了广泛 的应用，并促使装置性能的进一步提高和传统直流电源装置的革新，出现了所 谓的“2 0 千周革命”。同时，晶体管还被广泛的应用于中小功率电机变频调 速、不间断电源( u p s ) 、激光电源、功率超声电源、高频电子镇流器、中高频 电子变频器等。但因功率晶体管存在着二次击穿、不易并联以及开关频率仍然 偏低等问题，它的应用上受到了限制。 第一章引言 1 1 1 2 功率场效应管 到7 0 年代后期，功率场效应管( p o w e rm o s f e t ) 开始进入了实用阶段，这 标志着电力半导体器件在高频化进程中的一次重要进展。进入8 0 年代，人们 又在降低器件的导通电阻、消除寄生效应、扩大电流和电压容量以及驱动电路 集成化等方面进行了许多的研究，并且取得了很大的进展。功率场效应管中应 用最广的是电流垂直流动结构的器件v d m o s 。它具有工作频率高( 几十h z 至数 百千h z ，低压管可达m h z ) 、开关损耗最小、安全工作区宽( 几乎不存在二次击 穿问题) 、漏极电流为负温度特性( 易并联) 、输入阻抗高等优点，是一种场控 自关断器件，是目前高频化电力电子技术赖以发展的主要器件之一。 i o o a i o o o v 的v d m o s 已商用化，研制水平达2 5 0 a 1 0 0 0 v ，其电流容量还有继 续增大的趋势。由于v d m o s 器件的开关损耗远比晶体管小得多，由其构成的开 关电源的工作频率迅速地提高到数百千h z 。5 0 0 k h z 的v d m o s 开关电源已投放 市场。在采用谐振开关技术时，其开关频率可进一步提高到数m h z 赫至几十 m h z ，这时效率大于8 0 ，出现了功率密度达到每立方英寸3 0 - 5 0 w 的所谓“卡 片式 开关电源，引起了空间站电源、宇航电源、计算机电源以及智能化仪表 电源等超小型化的变革。尽管v d m o s 器件的开关速度非常快，但其导通电阻 却与“2 5 成正比，这就限制了它在高频、大功率领域的应用。 1 1 1 3 双极型复合器件 8 0 年代电力电子器件较为引人注目的成就之一就是开发出双极型复合器 件。研制复合器件的目的是实现器件高压、大电流参数同其动态参数之间最合 理的折衷，使其兼有m o s 器件和双极型器件的突出优点，从而产生出较为理想 的高频、高压和大电流器件。目前被认为最有发展前途的复合器件是绝缘栅双 极型晶体管i g b t ( i n s u l a t e dg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ) 。i g b t 于1 9 8 2 年在 美国率先研制出样品，1 9 8 5 年开始投产。目前研制水平为1 5 0 0 a 2 0 0 0v ， 3 6 0 a 1 7 0 0 v ，1 2 0 0 a 1 6 0 0 v 模块已投放市场。它的出现为工业应用领域的高频化 开辟了广阔的前景，有取代g t r 和m o s f e t 的趋势。i g b t 可以应用于中、高频 感应加热、高精度变频调速、u p s 、开关电源、高频逆变式整流焊机、超声电 源、高频x 射线机电源以及各种高性能、低损耗和低噪声的场合。 总之，8 0 年代飞速发展起来的场控器件为2 0 世纪的电力电子电路和装置 的研发转入“高频场控换流”的轨道创造了极为有利的条件。对于电力电子技 2 第一章引言 术而言，这种转变是一次重大的技术突破，具有深远的意义。 1 1 2 逆变焊接电源的历史发展 自1 9 7 8 年第一台弧焊逆变电源诞生以来，弧焊逆变电源获得了飞速的发 展，其品种规格和使用范围都迅速增加和扩大，使弧焊逆变电源的发展进入了 新的阶段旧1 。 逆变焊接电源具有以下特点1 ：( 1 ) 工作频率高，响应速度快，动特性 好，易于实现多功能焊接：( 2 ) 效率高；( 3 ) 体积小；( 4 ) 重量轻等。从长远 来看，逆变焊接电源是焊接电源的发展方向，目前在工业发达国家，逆变焊接 电源被公认是最有发展前途的焊接电源。世界上几家主要焊机制造厂商都已商 品化逆变焊机产品，并以此作为技术水平的标志之一，逆变焊机的发展愈来愈 成为焊接界关注的焦点之一。 焊接电源中的关键器件是功率半导体开关器件，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，其迅速发展为逆变焊接电源的发展创造了 条件。2 0 世纪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。晶闸管弧 焊机的电气特性和工艺特性优于二极管整流弧焊机，是当时广泛应用的一种重 要焊接电源设备。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( g t o ) 、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 ( i g b t ) 等相继出现。7 0 年代末开始出现晶闸管式逆变弧焊机。8 0 年代末又出 现i g b t 式逆变焊机，主要应用于各种电弧焊和切割。以这些电力电子器件为 开关器件的新一代弧焊逆变器，采用高频p 1 】l m 开关技术和微电子控制技术，淘 汰了笨重的工频变压器和笨拙的电磁控制方式。它不仅具有高效、节能、体积 小、重量轻、多功能、多用途等优点，而且具有良好的动、静态特性和工艺特 性。因而，新一代的弧焊逆变器自问世以来，受到广泛的重视，发展迅猛。 近年来，国内在弧焊电源方面也有了长足的进步。随着国家经济建设的蓬 勃发展，焊接市场需求旺盛。这对焊接设备的发展来说是个极好的机遇，但同 时也面临着国外同行的挑战。国外焊接设备大举进入中国市场，尤其是合资企 业的出现，给国内企业增加了很大的挑战。国内很多企业竞争力弱，经济效益 第一章引言 差，主要原因是在技术和开发上投入不够，一些技术附加值比较高、效益比较 好的产品由于质量不稳定、品种少、可靠性差，使得国内这部分市场逐渐被外 商占领。国内的焊机企业，只有通过自我完善，在技术开发和企业经营上不断 提高自己的竞争能力，尤其是重视和加大高新产品的技术投入，才能在竞争中 立于不败之地哺。目前，国内外在电弧焊设备领域有了很多新的发展，尤其是 逆变式弧焊电源以其突出的优点，已成为焊接设备领域的研究热点之一。目前 在工业发达国家，m m a 焊、t i g 焊和m i g m a g 焊等已经广泛采用逆变电源；国 内的一些焊机制造商也开始大批量生产逆变焊机。从长远观点来看，逆变弧焊 电源是弧焊电源的发展方向哺，。 由于逆变焊机具有节能、节材、体积和重量小、噪声小、焊接工业性能好 等优点，有关部委在1 9 9 6 年已经宣布要强迫淘汰老式弧焊电源，而采用逆变 式弧焊电源。据不完全统计，目前国内约有2 0 0 多家单位在进行生产盯3 。 第二节逆变式焊接电源的发展方向 逆变式焊机总的发展趋向是向着大容量、轻量化、高效率、模块化、智能 化发展并以提高可靠性、性能及拓宽用途为核心，愈来愈广泛应用于各种弧焊 方法、电阻焊、切割等等工艺中1 。高效和高功率密度( 小型化) 是国际上弧焊 逆变器追求的主要目标之一。高频化和降低主要器件的功率损耗是实现这一目 标的主要技术途径。当前，在日、美、欧等国和地区，2 0 k h z 左右的弧焊逆变 器技术已经成熟，产品的质量较高且产品已系列化。 目前弧焊逆变技术正朝以下方向发展乜3 ： 1 沿2 0 k h z 的技术路线开发研制5 0 k h z 、i o o k h z 级的弧焊逆变器。1 9 9 3 年 埃森博览会上首次展出了1 台l o o k h z ，额定电流1 3 0 a ，重量仅4 k g 的弧焊逆 变器样机，它标志着国际上i o o k h z 级的弧焊逆变器开始从实验室走向生产车 间。 2 探讨旨在降低电力电子器件开关功耗，提高开关频率的零电压，零电流 开关( 软开关) 技术，其中包括电路拓扑结构和工程实现。在今后较长的一段时 间内，弧焊逆变器依然以硬开关技术为主，但软开关技术也将愈来愈多地得到 开发和应用。 3 研制和生产大容量的逆变式焊机。为适应市场的需求，厚大工件焊接需 4 第一章引言 要1 0 0 0 - 2 0 0 0 a 的逆变式埋弧焊机、大功率等离子喷涂逆变器和电阻焊机等 等。国内外正在研制和生产大容量的逆变焊机。 4 研制和生产智能控制的逆变式焊机。为适应高质量、高性能和焊接工作 的市场需求，愈来愈多地研究开发和生产智能控制的逆变式焊机，其中包括为 了大幅度减少c 0 2 焊飞溅的波形控制和模糊控制技术、人工神经网络技术、自 动跟踪技术等等。 5 研究功率因数校正和减少电网谐振干扰。目前逆变式焊机的输入整流滤 波单元都采用不可控二极管整流和大容量滤波电容，它会产生交变的严重非正 弦化和窄脉冲电流，导致有的逆变器功率因数很低，随着逆变式焊机的日益推 广应用，电网谐振问题变得愈来愈严重，因而改善输入电流波形和提高功率因 数己成为重要的课题，特别是中大功率的逆变式焊机需要进一步开展功率因数 校正和减少电网谐振波干扰的研究。 第三节逆变焊接电源存在的问题和对策 1 3 1逆变焊接电源存在的问题 焊接电源是实现焊接过程的主要设备，焊接电源从5 0 年代弧焊发电机开 始，经历了二极管整流电源、可控硅整流电源向逆变焊接电源发展的过程。随 着电力电子技术的发展，逆变焊接电源中的功率器件由半控器件s c r ( 可控 硅) 发展为全控器件m o s f e t ( 功率场效应晶体管) 、i g b t ( 绝缘栅晶体管) ，变 压器的铁心材料由硅钢片变为铁氧体材料和非晶体材料，焊接电源的工作频率 也从几k h z 提高到2 0 k h z 以上，控制周期由几十个毫秒变为几十个微秒以内， 控制精度显著提高哺3 。 逆变焊接电源的电路形式主要有三种：推挽式、半桥式、全桥式，以及这 几种形式的组合阳1 。一般采用p w m ( 脉宽调制) 控制策略，硬开关工作方式， 电源电网输入侧采用二极管整流，电容电压直接滤波的方式，将交流变为直 流。现有的逆变焊机存在以下问题一直没有解决h 1 ： 1 由于开关器件工作在硬开硬关工作方式，功率器件开关应力大，开关 损耗大，可靠性低。 2 输入侧没有功率因数校正装置，输入网侧谐波电流大，污染电网：同 第一章引言 时由于逆变电路工作在硬开硬关工作方式，向外界电磁辐射干扰大n 叫。 0 p i l o s s o 图1 1开关管硬开关时的电压电流波形 s ( 够) 图1 1 是开关管开关时的电压和电流波形。由于开关管不是理想器件，在 开通时开关管的电压不是立即下降到零，而是有一个下降时间，同时它的电流 也不是立即上升到负载电流，也有一个上升时间。在这段时间里，电流和电压 有一个交叠区，产生损耗，我们称之为开通损耗( t u r n - o nl o s s ) 。当开关管关 断时，开关管的电压不是立即从零上升到电源电压，而是有一个上升时间，同 时它的电流也不是立即下降到零，也有一个下降时间。在这段时间里，电流和 电压也有一个交叠区，产生损耗，我们称之为关断损耗( t u r n - o f fl o s s ) 。因 此在开关管开关工作时，要产生开通损耗和关断损耗，统称为开关损耗 ( s w i t c h i n gl o s s ) 。在一定条件下，开关管在每个开关周期中的开关损耗是恒 定的，变换器总的开关损耗与开关频率成正比，开关频率越高，总的开关损耗 越大，变换器的效率就越低。开关损耗的存在限制了变换器开关频率的提高， 从而限制了变换器的小型化和轻量化。开关管工作在硬开关时还会产生较高的 讲出和咖出，从而产生大的电磁干扰( e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ) 。 1 3 2 相应对策 为了减小变换器的体积和重量，必须实现高频化。要提高开关频率，同时 提高变换器的变换效率，就必须减小开关损耗。减小开关损耗的途径就是实现 6 第一章引言 开关管的软开关( s o f ts w i t c h i n g ) ，因此软开关技术应运而生。使开关开通前 其两端电压为零，则开关开通时就不会产生损耗和噪声，这种开通方式称为零 电压开通，简称零电压开关( z v s ) ；使开关关断前流过其电流为零，则开关关 断时也不会产生损耗和噪声，这种关断方式称为零电流关断，简称零电流开关 ( z c s ) ；零电压开通和零电流关断要靠电路中的谐振来实现n p l l 3 。 逆变电源的软开关工作方式是指利用l c 谐振的方法，在开关过程中使开 关管两端电压或者开关管中的电流为零，使其开关损耗约为零n 引。相比硬开关 工作方式，开关器件上的开关应力几乎消除，可靠性显著提高，在焊接电源中 进行研究的软开关工作方式主要有两种：串联谐振工作方式和相移谐振工作方 式。 1 串联谐振工作方式 串联谐振式主回路工作于完全谐振状态，有电容、电感及负载组成串联谐 振回路n 引，原理图见图1 2 所示，主回路电流波形约为正弦波，由于在回路电 流过零点时进行开关切换，开关损耗几乎为零，但主回路中空载、轻载时谐振 电压峰值比较大，容易对开关管造成电压损害。图1 2 中e 、c 1 、c 2 、t 、q 1 、 q 2 、d 1 、d 2 分别代表直流电源、电容、变压器、功率开关器件及反并联快恢复 二极管。 + e 图1 2 半桥串联谐振式主电路 d 1 d 2 2 全桥移相工作方式 利用功率开关管( 如m o s f e t 、i g b t 等) 的两端寄生或者并联电容与变压 器回路电感在功率开关器件在开关过程瞬间相谐振的方法来软化开关过程引。 7 第一章引言 全桥移相主电路的拓扑形式跟一般桥式电路基本相同，不同点是在每一个 功率开关管上附加并联电容，四个功率管分为超前臂和滞后臂。控制策略是： 超前臂和滞后臂不调节脉宽，每个桥臂上的上下功率管各导通1 8 0 。，输出功 率的调节是通过超前臂和滞后臂的导通宽度相移完成的。全桥移相主电路如图 1 3 所示。 + e 图1 3 全桥移相主回路 c 3 c 4 由于移相谐振的电路存在以下几个问题，无法适应焊接这种空载到短路这 种剧烈变化的负载，限制了其在焊接电源中的应用。 虽然此电路软化了开关工作过程，但是由于不是完全谐振，仍不能完全 消除开关损耗，从而限制了开关管的工作频率的提高； 实现软化开关过程的负载范围较窄，当电路输出空载或轻载时，滞后臂 无法软化开关过程； 初级有较大的环流损耗存在； 有占空比丢失现象； 第四节本课题主要研究内容 1 4 1本课题选题意义 目前的逆变焊机功率开关管多工作在硬开硬关工作状态，而开关器件的硬 开硬关将会带来不可忽视的开关损耗，开关损耗直接对开关器件带来很大的危 害，使其使用 态下，而目前 模应用。本文 使其能够在逆 1 4 2 本课 1 、研究半桥串联全谐振i g b t 逆变软开关电路拓扑形式及其控制策略。 2 、解决半桥串联全谐i g b t 逆变器空载和轻载谐振电压峰值升高的问题。 3 、解决直流输入侧的直流电压稳定问题。 9 第二章传统逆变焊接电源主电路拓扑及其工作原理 第二章传统逆变焊接电源主电路拓扑及其工作原理 第一节传统逆变式焊接电源组成 2 1 1 传统逆变式焊接电源的基本组成 逆变式弧焊电源的基本组成框图如图2 1 所示。它的主要组成及其作用如 图2 1 逆变式弧焊机电源的基本组成框图 ( 1 ) 主电路：由供电系统和逆变系统组成。 a 供电系统： 把工频交流电经过桥式整流后再滤波变换为直流电供给逆变器。 b 逆变器： 它是逆变式弧焊机电源的核心部分，起着变换电参数( 电压、电流及波形) 的作用。并以低电压大电流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，一个逆变器，其本身并不能焊接，必须与控制电路结合起来才能焊 接。也就是说，只有两者的结合才能对焊接电弧提供所需要的电气性能和焊接 参数。 ( 2 ) 控制电路： 它对逆变器的开关管提供足够大的、按电弧所需要的规律变化的开关脉冲 信号，驱动逆变器电路工作。 ( 3 ) 检测电路： 通过稳定焊接时的各项参数，可以提高焊接过程的质量。 ( 4 ) 辅助电源： l o 第二章传统逆变焊接电源主电路拓扑及其工作原理 它用来供给控制电路工作的源电压( v c c ) 。 ( 5 ) 变压器： 它将电压从初级传输到次级，并将电压变换为焊接所需要的较低 的值。 2 1 2 传统逆变式焊接电源的基本工作原理 在供电系统中，单相或三相交流电网电压，经整流和滤波后获得逆变器所 需的平滑的直流电压。该直流电压经逆变器中的大功率开关器件( 晶闸管、晶 体管、场效应管或i g b t ) 的交替开关作用下，变成几千至几万赫的中高频电 流，再经过中高频变压器降至适合于焊接的几十伏或十几伏低电压，并借助控 制电路和检测电路及焊接回路的阻抗，获得焊接工艺所需的外特性和动特性。 逆变式弧焊电源的基本工作原理可以简要归纳为： 工频交流一直流( 滤波) 一逆变为中高频交流一降压二次整流一直流输出。 第二节逆变焊接电源主电路拓扑 逆变焊接电源体积小、重量轻、高效节能，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，具有很大的潜在优势。从长远来看，逆变 焊接电源是焊接电源发展的方向。 逆变焊接电源要运行安全可靠，最关键的问题是如何保证逆变器的功率开 关器件不被损坏，因此要分析逆变器的工作状态。在逆变弧焊电源中它的负载 为电弧。这儿为了分析方便，视电弧负载为纯电阻。而逆变弧焊电源的工作状 态与采用何种逆变器电路有关。 逆变开关电路在焊接电源的应用中按开关管的个数及连接方式又可分为半 桥式和全桥式。半桥式采用两个开关管，全桥式则采用四个开关管。 2 2 1硬开关式转换电路 硬开管电路最大的缺点就是开关器件开关损耗大，在开关期间器件极易发 热，容易烧毁开关器件，造成整机的工作稳定性下降。 下面对硬开关半桥式和全桥式变换器拓扑结构进行比较分析7 1 。 第二章传统逆变焊接电源主电路拓扑及其工作原理 2 2 1 1半桥式转换电路 硎 及 司 “：10 。 l d 4 。 图2 2 半桥式转换电路 + 半桥式转换器是有降压型转换器衍生而来的电路结构。图2 2 所示为半桥 式转换器电路。其中q 1 与q ：为功率开关，并以i g b t 表示。l 为输出侧的储能 电感。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2 3 所示为半桥式转换器操作在连续电流模式下的电 压与电流波形。 第二章传统逆变焊接电源主电路拓扑及其工作原理 图2 3 连续电流导通模式下，半桥式转换器电路的电压与电流波形 当功率开关q 1 导通时，输入电流经主变压器的一次侧绕组，并储存能量。 由于变压器的一次侧二次侧有相同的极性，输出二极管d ，承受正向电压而导 通，输出二极管d 。承受反电压而截至。此能量就会经由输出二极管d ，与电感 器l 转移至输出端。此时一次侧绕组上会有o 5 圪的直流输入电压产生，电容 c ：上也会有0 5 的直流输入电压，此时q 。两端电压接近0 v ，而q ：两端电压 为输入电压圪。输出电感的电压方程式为 锄 o 也 o o o 叱o o 0 k 0 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d 3 、d 。与 电感器传输到输出端。输出电感l 的电压方程式为 三等+ = o ( 2 3 ) 由于死区时间为( o 5 - d ) t s ，所以电感电流屯的变化率为 她= 净5 一d ) t s ( 2 4 ) 由于电感电流是连续的，电流的变化量是相等的，因此 半。五= 扣5 一d ) t s ( 2 5 ) 圪= 2 k 木d ( 2 6 ) 由于 玎：生：堡，( 2 7 )玎= 二= 二，l z ，) s ys 所以 珞= 等= 互2 牛吉。 ( 2 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 ( 2 9 ) 刀 当功率开关q ，导通，由于一次侧绕组，的同名端负电位，输出二极管 1 4 第二章传统逆变焊接电源主电路拓扑及其工作原理 d 4 承受正向电压而导通，输出二极管b 反向截止。此能量就会经由输出二极 管d 4 与电感器传输到输出端，此时q ：两端电压接近o v ，而q l 两端电压为 。 2 2 1 2 全桥式转换电路 一 易s r 母0 s 图2 4 全桥式转换电路 + 全桥式转换器电路工作原理类似于半桥转换器。图2 4 所示为全桥转换器 电路。其中q l q 4 为功率开关，并以i g b t 表示。为输出侧储能电感。全桥 式转换器的电路需要四个功率元件做为功率开关，电路结构较为复杂，而上下 桥臂功率开关也必须隔离驱动，驱动电路的设计也较复杂。图2 5 为全桥式转 换器操作在连续电流模式下的电压与电流波形。 当功率开关q 3 与q 2 导通，由于一次侧绕组尸的同名端与输入电源电压的 正端连接，输入电流经过变压器的一次侧绕组，并储存能量。由于变压器的一 次侧与二次侧有相同的极性，输出二极管d 。正向导通，输出二极管d 。反向截 止。此能量就会经由输出二极管d ，与电感器转移至输出，此时q ，与q 2 两端 电压接近0 v ，而q l 与q 4 两端电压为输入电压。输出电感的电压方程式为 哮+ = ( 2 1 0 ) 第二章传统逆变焊接电源主电路拓扑及其工作原理 - 。 t 一 。 一 一 r 1 h 点 一 图2 5 连续电流导通模式下，全桥式转换器电路的电压与电流波形 电感o g n i 的电流变化率为 她：! 毕d t s ( 2 11 ) 当功率开关q ，与q 2 截至时，q 。与q 4 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( d e a d 1 6 3 i o o 叫 。 叱o v v 5 6 0 0 k o 乙 0 第二章传统逆变焊接电源主电路拓扑及其工作原理 t i m e ) ，功率开关q 。q 4 同时截止，此时翻q 4 的两端电压为输入电压的一 半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d ，、d 。与电感器l 传输到输出端。输出电感l 的电压方程式为 l d i - l + v o ：o ( 2 1 2 ) d t 由于死区时间为( 0 5 一d ) t s ，所有电感电流屯的变化率为 觇= 争( o 5 一d ) t s ( 2 1 3 ) 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7 ( o 5 一d ) t s ( 2 1 4 ) l 一 圪= 2 k 幸d ( 2 1 5 ) 由于 刀：生：堡， ( 2 1 6 ) h s y s 所以 = 瓮= 鲁。 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：丝( 2 1 8 ) 刀 当功率开关q l 与q 4 导通，由于一次侧绕组坼的同名端负电位，输出二 极管d 。承受正向电压而导通，输出二极管d 5 反向截止。此能量就会经由输出 二极管仇与电感器l 传输到输出端，此时q l 与幺两端电压接近0 v ，而q 3 与 q ：两端电压为。 2 2 2全桥移相控制( f b ) 零电压p w m 转换电路( f b - z v s - p w m ) 1 s - l o 由于硬开关存在这开关损耗大这样的不可避免的致命缺点，限制了其在实 第二章传统逆变焊接电源主电路拓扑及其工作原理 际中的应用规模，尤其是在中大功率的逆变焊接电源中。软开关电路应运而 生。 目前研究比较多的是全桥移相谐振电路。移相控制方式是谐振变换技术与 p w m 变换技术的结合。其主电路结构如图2 6 所示。 i 到岳到掣 1 一c 2 l _ jd 5 f b 芝 r _ u u 一 萎 c f _ 一 l r a “r y y 、一、 l f 当年酽型唾 t 亨4 1 k 图2 6 全桥移相控制( f b ) 零电压p 删转换电路 在图2 6 中d 。、d ：、b 、d 4 分别是功率器件q l 、q 2 、q 3 、q 4 的内部 反并联二极管，c l 、c 2 、c 3 、c 4 分别是q l 、q 2 、q 3 、q 4 的寄生电容或外加 电容。厶是谐振电感，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，即移相角矽，通过调节移相角的大小来调节输出电压的大小。q l 、q 3 分 别超前q 2 、q 4 一个相位，故称9 、q 3 为超前臂( 1 e a d i n gb r i d g e ) ，q 2 、q 4 为滞后臂( 1 a g g i n gb r i d g e ) 。 为简化分析，假设：所有功率器件i g b t 、二极管均为理想器件，所有电 感、电容均为理想元件，c 1 = c 2 = g = c 4 ，忽略变压器线圈匝间电容和变压 器的激励电流，变压器匝比，z = 咒。：以。，折合到变压器原边的漏感为厶，输出 滤波电容c ，较大，在一个开关周期中输出电压可视为恒等值。 第二章传统逆变焊接电源主电路拓扑及其丁作原理 q 1 w 。之之 占空比丢失 图2 7 全桥移相控制( f b ) 零电p 删转换电路工作波形 该电路的工作波形如图2 7 所示，工作原理简述如下：现假设电路的初始 状态为功率i g b t 开关管q i 和q 4 导通，输出整流二极管d 。导通，输入直流电源 经过变压器把能量传给负载，变压器原边电流f 。直线上升，在t ，时刻关断q l ， 由于c 1 电压从零开始上升，所以q l 是零电压关断。之后，厶与电容c 1 和c ，谐 振，当c ，两端电压下降到为零的时刻，并联在q 并联的二极管d 3 自然导通， 在t ，时刻，9 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 。下降，开始了输出电流从输出整流二极管d 。到d 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 1 9 第二章传统逆变焊接电源主电路拓扑及其工作原理 ( l ， l ，) 导致了输出整流二极管d ，到d 6 同时导通，负载续流的状态，其 两端电压为零，副边短路，同样变压器原边也被短路。谐振电感厶和电容 c 2 、c 4 谐振。到t 4 时刻，c 2 两端电压谐振到零，此时d ：自然导通，此后开 通q 2 ，q 2 为零电压开通。虽然这时q 2 已经导通，但是q 不流过电流，f 口由 d ，流过，能量反馈给输入电源。之后f 。在线形下降，直到t 。时刻下降到零，然 后反向增加，电流流过q 2 、q 3 。副边整流二极管d ，中流过的电流下降，d 。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，直到t 。时刻， 输出整流二极管完成换流，整流二极管d ，关断，仇流过全部负载电流。然后 开始下半个开关周期，其作工过程大致与上半个周期相同，故在此不再赘述。 然而该电路具有以下缺点： 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，和变压器副边，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。而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，提供，由，比，小 很多，故很难满足z v s 的条件。 2 副边占空比的丢失问题。图2 7 中的阴影部分为负边占空比丢失部分所 i n m l j 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 = d 巧+ a d ( 2 1 9 ) 式中d ，厅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2 7 可知，在k t 。i 时间段内，尽管变压器原边电压 为电源电压一。，但由于在此期间副边整流二极管职和d 6 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。，则 a tf1 。 a d 二= 2 生卫 ( 2 2 0 ) 疗 因此输出电压为 v o = d 珂刀。 由上式可知，在输入电压最低、负载电流最大时，占空比丢失最厉害。由 于存在占空比丢失，为了在输入电压最低、负载电流大时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。 2 0 第二章传统逆变焊接电源主电路拓扑及其丁作原理 第三节本章小结 本章对逆变焊接电源中经常用到的几种电路拓扑结果进行了简单的分析计 算，为了计算方便，开关器件看成理想器件，变压器也看成理想变压器，得到 了上面的计算结果和波形。由于以上拓扑结构的控制方式都采用p w m 恒频控 制，而实际中用到的开关器件( 如m o s f e t 、i g b t 等) 、变压器等都不可能是理 想的，这样开关器件势必要工作在硬开硬关的工作状态下，所以就带来了新的 问题：开关损耗。开关损耗引起的直接后果就是，器件发热、性能变坏、整机 工作不稳定，直至最后的器件烧毁。 要解决这个问题必须采用软开关电路，来减少或者避免开关损耗。目前比 较普遍的软开关电路是全桥移相电路，由于其不是采用完全谐振的方法，仍然 存在着一些无法克服的缺点： 虽然此电路软化了开关工过程，但由于不是完全谐振，仍不能完全消除 开关损耗，从而限制了开关管的工作频率的提高： 实现软化开关过程的负载范围较窄，当电路输出空载或轻载时，滞后臂 无法软化开关过程； 初级有较大的