（机械设计及理论专业论文）软开关弧焊逆变电源研究.pdf

原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本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，除了论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过的研究成果，也不 包含为获得长沙矿山研究院或其他单位的学位或证书而使用过的材 料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明 确的说明。 作者签名： 涩! 立蛀 日期：五年月上日 关于学位论文使用授权说明 本人了解长沙矿山研究院有关保留、使用学位论文的规定，即： 院有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；院可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；院可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：配虹新签名昏幺：争上月土日 硕士学位论文第1 章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 1 1 i 逆变弧焊电源的发展及现状 1 1 1 1 弧焊电源的发展历史 弧焊电源的发展从1 9 世纪初到现在主要经历了以下八个阶段： 1 - 3 l 1 9 世纪初：气体导电的物理现象被发现。 1 8 8 5 年：俄国人别那尔道斯发明炭极电弧。 1 8 9 2 年：金属极电弧被发现。 1 9 3 0 年：出现了薄皮和厚皮焊条。 2 0 世纪4 0 年代：埋弧焊出现。 2 0 世纪5 0 年代：c 0 2 及各种气体保护焊及等离子弧焊出现。 2 0 世纪6 0 年代：大容量硅整流元件及晶闸管问世。 2 0 世纪7 0 ，8 0 年代：弧焊电源的研究出现了飞跃，自从1 9 7 2 年美国研制了3 0 0 a 晶闸管弧焊逆变器以来，其发展经历了四个阶段g 即晶闸管阶段( 最高可达5 k h z ，但 开关噪音大) ；晶体管阶段；场效应管阶段( 可达2 0 k h z 以上，但功率管容量小，只 能靠多组并联，使得控制线路复杂) ；i g b t 弧焊逆变器阶段( 开关容量大，开关频率 高) 。 1 。1 。1 2 逆变弧焊电源的发展现状及趋势 在逆变弧焊电源大量应用之前，占焊机总产量九成的焊条电弧焊焊机的生产中， 以技术落后的矩形动铁式和大量耗材的动圈式交流弧焊机为主。在我国直流弧焊电源 生产中，经国家三令五申，虽已逐步减少了电力拖动的旋转式直流弧焊发电机的生产， 但未能完全禁绝。对整流式弧焊电源的推广，也是较为困难，由于老式的硅整流弧焊 电源的性能难以与旋转式直流弧焊电源相匹敌，这一局面直到上世纪8 0 年代中期才得 到改变。 硕士学位论文第1 章绪论 根据文献 4 5 6 ，逆变式弧焊电源出现于上世纪7 0 年代。1 9 7 0 年晶闸管逆变焊 机问世，但受电子技术发展的限制，到上世纪9 0 年代才兴旺起来。由于逆变式弧焊机 具有工作频率高、响应速度快、效率高、体积小、重量轻等优点，所以倍受欢迎，产 量逐渐提高，已成为主要的焊机种类。在美国逆变式弧焊机的产量占弧焊机总产量的 比例已超过3 0 ，日本己超过5 0 。我国2 0 0 0 年逆变式弧焊机的产量仅为1 4 5 9 6 台，占 当年生产的弧焊机总产量( 1 7 3 7 9 8 ) 的8 4 。逆变焊机到目前共经历了3 代。第l 代是 以晶闸管为主开关器件的弧焊逆变器( 1 9 8 2 年) ，其逆变频率为2 k h z 5 k h z ；第2 代是以g t r 或m o s f e t 为主开关器件的弧焊逆变器( 1 9 8 2 年) ，其逆变频率为2 0 k h z 5 0 k h z ；第3 代为i g b t 弧焊逆变器( 1 9 9 0 年) ，逆变频率为2 0 k h z , - , 3 0 k h z 。晶闸管( s c r ) 逆变工作频率低，焊接噪声大，但过载能力强、性能稳定、价格低。晶体管( g t r ) 动态特性好、功率大、频率高、波形易于调制；m o s f e t ( 单管容量小，一般适用于小 于2 0 0 a 电流以下的弧焊电源。i g b t 兼有m o s f e t 与g t r 的优点，自1 9 8 9 年在德国埃 森举办的世界焊接与切割博览会展出i g b t 式弧焊电源以来，国内外对这种新型逆变电 源的研制和生产愈来愈多。目前，由于逆变弧焊电源的显著优点，已成为焊接设备领 域的研究热点。国内的焊机制造商多以逆变弧焊电源作为其主要产品，其发展前景光 明。 1 1 2 逆变弧焊电源目前主要存在问题 逆变弧焊电源尽管拥有很多突出的优点，但仍然存在可靠性较差的缺点，究其原 因，主要是由于目前的逆变弧焊电源中的功率器件工作在p w m 控制的硬开关工作状 态。所谓的硬开关是指由于p w m 变换器中存在寄生参数( 比如变压器漏感、开关寄生 电容、二极管结电容等) ，使得开关管在电压不为零时导通，在电流不为零时关断。其 开通和关断的电流电压波形如下： 2 硕士学位论文 第1 章绪论 图1 1 硬开关时功率开关管的电压电流波形 硬开关存在以下三个主要的问题： 存在开通和关断损耗，由于变换器总的开关损耗与开关频率成正比，那么开关 频率越高【6 l ，总的开关损耗就越大，这样就会导致变换器的效率越低，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型化。 由于硬开关会产生很高的d i d t 和d v d t ，从而产生很大的电磁干扰( e m i ) 。 如果不改善开关条件，硬开关的开关轨迹很有可能超出开关管的安全工作区 ( s o a ) ，而使开关管损坏阴。 为了改善硬开关的开关条件，通常采用缓冲( s n u b b e r ) 电路。但是s u b b e r 电路的 原理是将开关损耗转移到缓冲电路并消耗掉。所以即使改善了开关条件，变换器的效 率并没有提高，甚至会使变换器的效率有所降低，例如r c d 吸收环节。 因而为了真正意义上的降低开关损耗，而不是转移开关损耗，美国维吉尼亚大学 的f c l e e 教授等人提出了谐振软性开关的概念。 1 2 软开关的基本概念及发展历程 1 2 1 软开关的基本概念 所谓“软开关”技术，是指“零电压开关”或“零电流开关 ，它是应用谐振交 流原理，使开关器件中的电流( 或电压) 按正弦或类似正弦规律变化，当电流自然过零 3 硕士学位论文 第l 章绪论 时使器件关断或电压自然过零时使器件开通，实现开关损耗为零，从本质上克服硬开 关的缺点嘲。软开关的实质是在主电路上增加储能元件l ，c 产生谐振，迫使功率器件 上的电压或电流迅速降为零，从而提供理想的开关条件。软开关状态时的电压、电流 波形如下： l 屹 广弘。- - x ： r r 导通断开 导通 断开 图1 2 软开关时功率开关管的电压电流波形 1 2 2 软开关的主要发展历程 软开关的发展经过了以下几个阶段 7 0 年代：串联或并联谐振技术( 半桥或全桥变换器) 。 8 0 年代中：准谐振或多谐振技术( 单端或全桥变换器) 。 8 0 年代末：z c s - p w m 或z v s p w m ( 单端或全桥变换器) 。 8 0 年代末：移相全桥z v s p w 2 v l ( 全桥变换器) 。 9 0 年代初：z c t - p w m 或z v tp w m ( 单端或全桥变换器) 。 1 3 软开关技术的分类： 按照功率变换器能量转换形式的不同，可以将软开关变换器分成d c d c 和 4 硕士学位论文第1 章绪论 d c _ a c 9 。 ( 一) d c a c 类软开关的分类如下图： d c a c 软开关逆变器 i i 厂f 夏至习l 谐振产节ff 谐振i 过渡【 ll；j2j l 串联负载谐振l 并联负载谐振 i 交流环节li 直流环节1极谐振l l 谐振吸收l l 软开关过渡1 i 直流环节并联直流环节串联 图1 3d c a c 类软开关分类图 ( 二) d c d c 类软开关变换器分类： 全谐振型变换器( r e s o n a n tc o n v e r t s ) 该类变换器为负载谐振型变换器。该 类变换器如果按照谐振组件的谐振方式，分为串联谐振变换器( s e r i e sr e s o n a n t c o n v e r t e r s ，s r c s ) 和并联谐振变换器( p a r a l l e lr e s o n a n tc o n v e r t e r s ，p r c s ) 两类。按负载 与谐振电路的连接关系，谐振变换器可分为两类：串联负载( 或串联输出) 谐振变换器 ( s e r i e sl o a dr e s o n a n tc o n v e r t e r s ，s l r c s ) ；采i 并联负载( 或并联输出) 谐振变换器( p a r a l l e l l o a dr e s o n a n tc o n v e r t e r s ，p l r c s ) 。在谐振变换器中，谐振组件一直谐振工作，参与能 量变换的全过程。该变换器与负载关系很大，对负载的变化很敏感，一般采用频率调 制方法。 准谐振变换器( q u a s i - r e s o n a n tc o n v e r t e r s ，q r c s ) 和多谐振变换器 ( m u l t i - r e s o n a n tc o n v e r t e r s ，m r c s ) - 准谐振变换器分为零电流开关准谐振变换器 ( z e r o - c u r r e n t - s w i t c h i n gq u a s i - r e s o n a n tc o n v e r t e r s ，z c sq r c s ) ，和零电压开关准谐振 变换器( z e r o - v o l t a g e s w i t c h i n gq u a s i r e s o n a n t c o n v e r t s ，z v sq r v s ) 。多谐振变换器一 般实现开关管的零电压开关。这两种谐振变换器使电路的开关损耗和开关噪声都大大 降低。但谐振电压峰值较高，要求器件耐压值高；谐振电流的有效值大，电路中存在大 5 硕士学位论文第1 章绪论 量无功功率的交换电路导通损耗大；输出电压的调节通过调节开关频率( p f m ) 实现，当 负载和输入电压在大范围变化时，开关频率也会大范围变化，使得变压器和滤波器的 设计十分困难。为此，又提出了零电压和零电流开关p w m 电路。 零开关p w m 变换器( z e r os w i t c h i n gp w mc o n v e r t e r ) ：它可分为零电压开关 p w m 变换器( z e r o - v o l t a g e - s w i t c h i n gp w mc o n v e r t e r s ) ，零电流开关p w m 变换器 ( z e r o v o l t a g e s w i t c h i n g p w mc o n v e r t e r s ) 以及零电压零电流p w m 变换器( z v z c s p w mc o n v e r t e r s ) 。通过附加的辅助开关阻断谐振过程，使电路在一个周期内，一部 分时间( 一般为开关周期的1 1 0 - - 1 5 ) 按z v s 或z c s 准谐振方式运行，另一部分时 间按p w m 方式运行。同准谐振相比，开关承受的电压明显降低，可以采用固定频率 的p w m 控制方式，既具有软开关的特点，又具有p w m 恒频和占空比可调节的特点。 但由于谐振电感串联在主功率回路中，存在着很大的环流能量，不可避免的增加了电 路的导通损耗，且软开关条件极大地依赖于输入电源和输出负载的变化。为解决这些 问题，提出了零电压转换p w m 变换电路。 零转换p w m 变换器( z e r ot r a n s i t i o nc o n v e n e r s ) ：它可分为零电压转换p w m 变 换器( z e r o c u r r e n t - t r a n s i t i o np w mc o n v e r t e r s ，z v tp w mc o n v e r t e r s ) 和零电流转换 p w m 变换器( z e r o c u r r e n t - t r a n s i t i o np w mc o n v e r t e r s ，z c tp w mc o n v e r t e r s ) 。这类变换 器是软开关技术的又一个飞跃。它的特点是此类型电路中，辅助开关与主功率开关管 相并联，电路的环流能量自动保持在较小的数值，且软开关条件与输入电压和输出负 载无关，电路在很宽的输入电压范围内和从零负载到满载都能工作在软开关状态。但 此类软开关电路并非完美，如( z v t ) p w m 电路中，辅助开关是硬断开的，而且辅助开 关断开时，其电流大于主开关峰值电流，因此当电路电流很大时，辅助开关的断开损 耗就会比较明显，影响电路的效率。 1 4 软开关在弧焊逆变电源中的运用及发展 弧焊逆变器的主要电路拓扑有单端逆变、半桥逆变和全桥逆变电路3 种，在此基础 6 硕士学位论文 第1 章绪论 上衍生发展的软开关电路拓扑也有3 大类。其中单端与半桥实现零电压或零电流软开 关变换多采用变频控制，而变频控制带来了诸多的问题，如控制电路复杂，易受干扰； 不同的负载条件工作模态不同，电路设计和分析较为困难；开关频率变化范围大，使得 变压器、滤波器和反馈控制电路的设计难以优化。因而目前研究的软开关弧焊逆变器 多数采用全桥变换电路。而目前适合采用软开关技术的全桥电路，有全桥串、并联谐 振变换电路；高频直流谐振环电路；移相控制全桥变换电路。其中移相控制全桥变换 电路把软开关电路跟p w m 移相控制技术有机地结合在一起，在大范围内实现p w m 控制， 而在开关瞬间利用谐振达到功率器件零电压或零电流开通和关断，实现了固定开关频 率下的软开关，是目前应用最广、最有前途的一种软开关电路拓扑结构。移相控制全 桥变换电路在逆变弧焊电源中的运用经历了以下的发展历程： 移相控制全桥零电压变换器：该电路被最早运用于逆变弧焊电源，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。但其电路存在一些固有的缺点：存在占空比损失，且软开关的负载范围有 限。而弧焊电源工况复杂，负载频繁的变换在短路一负载一空载状态，因此，很难在 全负载范围内实现软开关；另外由于现在的大功率逆变弧焊电源多采用的功率器件为 i g b t ，而i g b t 存在电流拖尾，因而对于该电路而言，关断损耗仍然很大：该电路环流 损耗也较大。 移相控制全桥零电压零电流变换器：为了克服移相控制全桥零电压变换器的缺 点，人们提出了一些改进措施，如利用饱和电感来实现功率器件的零电流关断；利用 隔直电容来减少环流损耗及占空比丢失。而在这些改进措施的基础上逐渐发展出了许 多移相控制全桥控制零电压零电流变换器拓扑，典型的有：利用超前桥臂i g b t 的反向 雪崩击穿电压来实现z v z c s ；利用饱和电感和隔直电容来实现z 1 z c s t 利用饱和电感和 二极管来实现z v z c s ：在变压器的副侧加有源或无源箝位电路来实现z v z c s 。 1 5 本课题研究内容及设计目标 ( 一) 课题研究内容 7 硕士学位论文第1 章绪论 本文运用软开关技术及弧焊逆变电源控制技术，其主要研究内容如下： 通过对移相全桥软开关逆变弧焊电源不同主路拓扑的比较分析，指出了不同拓 扑的优缺点，并着重分析了移相全桥零电压零电流软开关逆变器的换流过程及其软开 关实现原理。 在对移相全桥零电压零电流软开关逆变器工作原理分析的基础上，对一种较为 实用的软开关逆变弧焊电源主路( 全桥中超前臂电容比滞后臂电容大得多) 进行分析 及设计，包括焊接变压器设计、输入输出电路设计、主路软开关器件( 隔直电容、饱 和电感、谐振电感、谐振电容、辅助谐振电感) 设计。 分析常用逆变弧焊电源五种常用控制方法，并重点分析了移相全桥z v z c s 软开 关逆变弧焊电源所常用的峰值电流控制模式，指出其优点和缺点，并提出了改进其不 足的方法，即加入斜坡补偿。对斜坡补偿的原理加以分析，并设计其电路，并在峰值 电流控制芯片u c 3 8 4 6 的基础上设计软开关移相驱动控制电路、软启动电路、过流、欠 压等保护电路。 对移相全桥零电压零电流软开关逆变器控制电路建模并用m a t l a b 进行仿真，并 对有无斜坡补偿两种控制模型加以比较，进一步验证斜坡补偿的必要性。对移相全桥 零电压零电流软开关逆变器主路进行m a t l a b s i m u l i n k 仿真，得出相应仿真结果，验 证软开关的实现。 课题设计目标 通过对移相全桥零电压零电流软开关逆变器工作原理分析，本课题目标主要 是：完成对该软开关逆变弧焊电源主路的设计，且主要完成软开关器件的设计；完成 软开关移相峰值控制电路和相关保护电路设计。 进行电路仿真，并将设计的软开关主路和控制电路运用于逆变弧焊恒压源或恒 流源，进行样机调试，确定其工作在零电压零电流软开关工作状态。 本章小结： ( 1 ) 本章首先叙述了本课题提出的相关背景即逆变弧焊电源的发展、现状及存在的主 8 硕士学位论文 第1 章绪论 要问题。 ( 2 ) 说明了软开关技术出现的背景、基本概念及其发展历程。 ( 3 ) 提出了本课题的设计内容及设计目标。 9 硕士学位论文第2 章常用弧焊软开关拓扑的工作原理 第2 章常用弧焊全桥软开关拓扑的工作原理 全桥软开关经历了移相控制z v sp w m 全桥逆变器，移相控制z v z c sp w m 全桥逆变器，其理念是通过在某段时间内电路中的电感和电容的谐振，暂时改变 电流和电压的波形，使之在开通或关断时电压或电流过零，从而软化硬开关过程， 其拓扑的发展基于以下的几个基本理念： l ，附加元件尽量的少，且元件不因软开关过程而承受过高的电压与电流应 力。 2 ，某一种拓扑应适用于更多的功率器件，而不能因为功率器件的特性不同 而不同。 3 ，软开关过程所引发的问题应尽量避免，如占空比丢失，环流损耗，附加 开关的损耗及应力等。 为了更好的理解移相软开关全桥逆变器的工作原理，先介绍一下传统的硬开 关全桥p w m 逆变器的工作原理。 2 1 传统硬开关p w m 全桥逆变器 图2 一l 将显示了传统硬开关p w m 全桥逆变器的拓扑和相关波形，拓扑中开 关组( q l q 4 ) 和( q 2 - q 3 ) 以固定频率轮流导通，其中i o ，v o 为负载电流和 电压，v i n 为输入电压源。 该拓扑的主要缺点表现在以下两点【1 3 】； 如果没有加关断s n u b b e r 电路，则所有的开关都工作在硬开关工作状态， 而随着开关频率的增加，其开关损耗将进一步增加，这显然不利于逆变器的优化 设计，因为只有增加逆变器的工作频率，才能减小滤波器和变压器的体积，使逆 变器的重量和体积进一步减小。 1 0 硕士学位论文 第2 章常用弧焊软开关拓扑的工作原理 在如图2 1 所示的续流阶段( d 3 d 2 ) 和( d 1 d 4 ) 的时间取决于漏感中 的储能，因而主路中电流的复位到零的时间将限制逆变器的最高频率。 q l v j 一 驴 | | u b | q 1 d 3 j ，t q 2 d l ，i q 1d 3 j ，| q 2 t q 4 d 2 ： q 3 吵：q 4d 2 j ，l q 3 。、 、jj i | 、一h 站 v h n s n p ) d t st s 2t s 2 + d t s t s 图2 1 传统硬开关全桥p w m 全桥逆变器拓扑及相应波形 t 硕士学位论文第2 章常用弧焊软开关拓扑的工作原理 2 2 移相控制软开关p w m 全桥逆变器 以下是移相控制软开关拓扑的几种主要的拓扑及其工作原理： 2 。2 1z v s 全桥p w m 逆变器( z v s - f b - p w m ) 工作原理 2 2 1 1z v s 全桥p w m 逆变器( z v s - f b - p w m ) 工作模态 移相控制z v s f b - p w m 逆变器是最早提出的利用移相控制和全桥的寄生元 件来实现功率开关的零电压开断，其电路拓扑如下f 1 4 】【1 5 】： q 1 ； ；q 3l ；l j ! q ；5 fl q 4 ： ：q 2 ：；f ：q 4 ： ： ： 一n j ；|； 户o n ； t弋 il； 一n l 、 i i i，1 ：、： ： i il ：叫l -i nzj !n ii i l i 】 t o t l 乜1 3t 4b 1 6 其工作模态如下： 图2 2z v s - f b - p w m 拓扑 图2 2 ( 8 ) 开关模态0t o 时刻 图2 2 ( b ) 开关模态1i t o ，t l 】 1 2 图2 2 ( c ) 开关模态2i t l ，2 】 图2 2 ( d ) 开关模态3i t 2 ，r 3 】 图2 2 ( e ) 开关模态4i t 3 ，】 图2 2 ( f ) 开关模态5 t 4 ，岛】 图2 2 ( f ) 开关模态6i t 5 ，气】 ( 1 ) 开关模态o ：原边电流? ，正半周功率输出过程 软开关移相控制全桥电路的工作状态与普通的p 删硬开关全桥 相同，即两臂对角线上下开关管同时导通，输入电压圪全部施加 1 3 脉宽调制电路 在原边绕组两 硕士学位论文 第2 章常用弧焊软开关拓扑的工作原理 端。 ( 2 ) 开关模态1 【“，1 ：超前臂谐振过程 谐振电感，和滤波电感0 与c 3 和c ，发生谐振，在 时刻c ，的电压下降到零， 包的反并联二极管皿自然导通，从而结束开关模态1 。 ( 3 ) 开关模态2 ，。，： ：正半周筘位续流过程 皿导通后，开通g 。虽然这时候q 3 被开通，但q 并没有电流流过，原边电 流由d 3 流通。由于是在d 3 导通时开通幺，所以酝是零电压开通。在，：时刻，原 边电流下降到i p ( f 2 ) 。 ( 4 ) 开关模态3 r ：，岛 ：滞后臂谐振过程 在，：时刻，关断骇，原边电流由c 2 和c 4 两条路径提供，也就是说，原边电 流用来抽走g 上的电荷，同时又给c 4 充电。由于c 2 和c 4 的存在，g 是零 电压关断。此时整流管d ，和d ，：同时导通，将变压器副边绕组短接，这样变压 器副边绕组电压为零，原边绕组电压也为零，直接加在谐振电感上。因此这 段时间由谐振电感三，和c 2 、c 4 谐振。在时候，当c 4 的电压上升到圪，皿自 然导通，结束这一开关模态。 ( 5 ) 开关模态4 ， ：谐振结束时，原边电感储能返回电网过程 在f ，时刻，见自然导通，将q 2 的电压箝在零位，此时就可以开通q 2 ，q 是 零电压开通。虽然此时致已开通，但幺不流过电流，原边电流由d 2 流通。原边 谐振电感的储能回馈给输入电源。由于副边两个整流管同时导通，因此变压器副 边绕组电压为零，原边绕组电压也为零，这样电源电压加在谐振电感两端， 原边电流线性下降。n t 。时刻，原边电流从f f ( ，) 下降到零，二极管伤和b 自 然关断，q 和q 3 中将流过电流。 ( 6 ) 开关模态5 f 4 ，t ， ：原边电流下冲过零点后开始负向增大过程 1 4 硕士学位论文第2 章常用弧焊软开关拓扑的工作原理 在时刻，原边电流由正值过零，并且向负方向增加，此时q 和珐为原边电 流提供通路。由于原边电流仍不足以提供负载电流，负载电流仍由两个整流管提 供回路，因此原边绕组电压仍然为零，加在谐振电感两端电压是电源电压圪， 原边电流反向增加。到，时刻，原边电流达到折算到原边的负载电流值一o k ， 该开关模态结束。此时，整流管关断口，d ，：流过全部负载由流。 ( 7 ) 开关模态6 ，t 6 ：原边电流f p 负半周功率输出过程 在这段时间里，电源给负载供电，在f 。时刻，q 3 关断，变压器开始另半个周 期的工作，其工作情况类似于上述的半个周期。该拓扑开关管的开关工作状态如 下表： 袁2 1z v s 软开关全桥逆变器开关工作状态 开关( 桥臂)开通关断 q i ( 超前臂) 零电流，零电压近似零电压 q 3 ( 超前臂)零电流，零电压近似零电压 q 2 ( 滞后臂) 零电流，零电压近似零电压 q 4 ( 滞后臂)零电流，零电压近似零电压 2 2 1 2z v s 全桥p w m 逆变器( z v s - f b - p w m ) 优缺点 该拓扑的优缺点如下： 优点： 不用附加器件即可实现z v s 。 低的开关的电流及电压应力。 缺点： 由于超前臂和滞后臂实现z v s 的差异，使滞后臂实现z v s 较难，尤其在 空载和轻载时。 变压器副侧存在占空比丢失和寄生振荡的问题。 开关在环流时的通态损耗。 中大功率时i g b t 的零电压切换和关断损耗。 硕士学位论文第2 章常用弧焊软开关拓扑的工作原理 为了解决以上拓扑的缺点，许多的新的移相控制零电压零电流全桥p w i v l 逆变器 拓扑被提了出来。 2 2 2z v z c s 全桥p w m 逆变器( z v s z c s - f b - p w m ) 工作原理 2 2 2 1z v z c s 全桥p w m 逆变器( z v s z c s - f b - p w m ) 工作模态 移相控制z v z c s 全桥p w m 逆变器的典型电路拓扑及工作波形如下【1 7 】： q i | | q 3 iq l 鸱：c 2 ：q i ： ；i 。 i 一 n；i ! i | ； 尊卜小；：i 一 ： ，i j 图2 3 移相移相控制z v z c s 全桥p w m 逆变器的典型电路拓扑及工作波形 该拓扑与z v s - f b p w m 逆变器相比而言，增加了一个阻直电容和一个小的饱 和电感其工作过程如下： 该拓扑的基本工作模态【1 8 1 1 9 】【2 0 】如图2 - - 3 所示： 图2 3 ( a ) 模态i 1 6 图2 3 ( b ) 模态2 硕士学位论文 第2 章常用弧焊软开关拓扑的工作原理 图2 3 ( c ) 模态3图2 3 ( d ) 模态4 l 遗3 朴黾廿上遗卅通 ii q 毯 缸) a 气l 薛甲毒，拌1 压 b i 广遗，件 l | 睦) 仲 l 3 羔啪 士如l 1 专 士l i i ，心眢姜妥v + 尚士一1 ： f b 一” i 叫 町0 胁+ 门嵯。 t 紫一”、晋l l t& 1晋 图2 3 ( e ) 模态5图2 3 ( f ) 模态6 以下对每种模态的工作过程作简要的介绍： 模态l ：q 1 与q 4 开通，饱和电感处于饱和状态，几乎没有感值。而隔直电容 的电压值从负的最大值线性增加。其电压值增加的规律如下式： 舻等卜 公式( 3 1 ) 模态2 ：q 1 关断，q 4 继续开通。这时c l 充电，c 3 放电，c 1 的电压一直充到 v s ，此时c 3 的电压变为零，则d 3 ( s 3 的反并联二极管) 导通，由于d 3 导通， 此时s 3 导通可实现零电压导通，而s 1 关断时，只要s 1 的外接电容足够大，则 s 1 可实现近似的零电压关断。在此模态c 1 的电压线性增加，此时c 1 的电压变 化规律如下式： 1 7 硕士学位论文第2 章常用弧焊软开关拓扑的工作原理 ( f ) = 两n l o r l 一+ i 公式( 3 2 ) 模态3 ：d 3 导通后，箝位为零，此时厶依然饱和，变压器初级电流由于g 的存在，开始减小，变压器副侧绕组的电势也发生反向，变压器副侧处于续流状 态，则原侧绕组两端电压为零，此时g 与k 产生谐振， 由于阻直电容足够大， 所以其两端电压可近似视为不变，为峰值电压，且远远小于输入电压，所以电流 可以视为线性减小，其变化规律如下式： i 刖t 一等t + n i 口 p ( ) = 一乎+ 口 公式( 3 3 ) 模态4 ：当变压器原侧的电流降到零，此时电流将反向，而由于饱和电感脱 离了饱和状态，从而阻止了电流的增加，虽然有很小的电流流过，但电流近似为 零。此时q 4 继续导通，但并没有电流流过，因而q 4 可实现零电流关断。 模态5 ：在箝位环流阶段的末期，q 4 实现了零电压零电流关断，此时主电路 近似开路。 模态6 ：q 2 零电流开通，因为在短暂的开通时间内，饱和电感仍然没有达到 饱和，而一旦q 2 开通，输入电压v s 和电容峰值电压同时加在厶的两端， 使电流迅速增加，从而进入饱和状态。而饱和电感一旦饱和，高电压将加在变压 器漏感上，此时变压器原侧电流将线性增加，直到达到输出电流在原边的映射值。 其电流的变化规律如下： 7 。：坠旦尹 2 气尹 公式( 3 4 ) 以上就是就是半个工作周期的工作模态，另半个周期的工作模态与之相似。 对于上面描述的这类移相控制z v z c s 全桥p w m 逆变器，它们有共同的开 关工作状态如表2 2 所示： 1 8 硕士学位论文第2 章常用弧焊软开关拓扑的工作原理 表2 2 ：z y z c s 软开关全桥逆变器开关工作状态 开关( 桥臂)开通关断 q l ( 超前臂) 零电流，零电压近似零电压 q 3 ( 超前臂)零电流，零电压零电流，近似零电压 q 2 ( 滞后臂) 零电流，零电压近似零电压 q 4 ( 滞后臂) 零电流，零电压零电流，近似零电压 2 2 2 2 拓扑分析及针对z v $ 全桥p w m 逆变器的改进 由以上的分析，我们可以看出： 对于超前臂而言，即q 1 与q 3 ，可以实现零电压开通，因而开通损耗为 零，而关断为近似的零电压关断，其电压的变化率取决于开关电容的大小，对于 m o s f e t 而言，由于其快速关断的特性，使其只需靠本身的寄生电容，就能实 现小的关断损耗，而i g b t 由于在关断过程中存在电流拖尾，因而必须并联较大 的外接电容，才能实现较小的关断损耗。 对于滞后臂而言，即q 2 与q 4 ，可以实现零电流关断，其开关损耗为零， 即使对于i g b t 而言也是如此，因为只要有足够长的箝位环流时间，i g b t 的大部 分少数载流子可以得到复合，从而消除电流拖尾现象，实现零损耗。而对于开通 而言，可以实现近似的零电流开通，其开通损耗也很小。 ， 与z v s 移相控制全桥逆变器相比较而言，该拓扑的软开关范围更大，即 使在轻载时也能实现软开关。虽然其超前臂的z v s 开关范围相对于z v s 移相控 制全桥逆变器相比有所减少，因为为了减少关断损耗，在超前臂的两端并了较大 的外接电容，因而两超前臂开关间所需的死区时间至少为1 ：i ：鱼笋匕，但对于该 ，珏。 拓扑，由于其滞后臂在全负载范围内都能实现z c s 开关，不象z v s 移相控制全 桥逆变器其滞后臂在轻载情况下很难实现软开关，因而该拓扑的软开关范围得到 了拓宽。 与z v s 移相控制全桥逆变器相比较而言，由环流损耗和占空比丢失引起 的能量损失将大大减小，因为对于z v s 移相控制全桥逆变器而言，为了实现软 开关，必须要求有较大的变压器漏感，而较大的漏感意味着环流期间的主路的电 1 9 硕士学位论文第2 章常用弧焊软开关拓扑的工作原理 流较大，且不衰减，这样不但引起环流期间，两个功率开关有较大的损耗，而且 有较大的占空比的损失。而新的拓扑由于饱和电感和隔直电容的存在，可以在环 流期间使环流迅速衰减到零，因而不需要象z v s 移相控制全桥逆变器那样需要 较大的漏感来存储能量，因而其环流损耗和占空比丢失将大大减小。 对于全桥电路而言，其一个明显的缺点是偏磁现象的存在，这是由于功 率器件的饱和压降及驱动脉冲的宽度不同引起的，而隔直电容的存在能有效地断 绝变压器中的直流分量，消除了高频变压器初级电压正负半波波形的不对称而引 起的直流磁通，从而有效地防止了偏磁。 另外在采用线性谐振电感的f b z v s p w m 变换器中，输出整流二极管的电 压迅速反向时，二极管的结电容和谐振电感产生强烈的高频寄生振荡；而在 f b z v z c s p w m 变换电路中，由于整流二极管关断时磁性开关是退饱和状态的， 虽然产生寄生振荡，但由于磁性开关的储能很低，二极管的寄生振荡较小。 由以上的分析可以看出，该拓扑与z v s 移相控制全桥逆变器相比一个重要改 进是在环流期间其主路电流能很快的衰减到零。这不但减小了环流期间的开关损 耗，也减少了占空比的损失。因而为了实现环流期间电流能迅速衰减到零，现在 主要有以下几个方案1 2 1 】： 1 利用i g b t 的反向雪崩阻断电压( 超前臂) 来消耗谐振回路的能量。但 缺点是变压器漏感中的能量都消耗在i g b t 中。 2 如上面介绍的拓扑，利用隔直电容和饱和电感。只是有些新的拓扑将饱 和电感加在变压器副侧，可以拓展滞后臂的电流工作范围。 3 因为以上两种方案都采用有损元件来使主路电流置零，因而相应的能量 损耗使得焊机的整体效率降低，因而对5 k w 以上的逆变器已不适合，因而新的 方案即在变压器的副侧加电压箝位电路来使环流期间电流衰减到零，而该方案也 经历了几个发展阶段，开始阶段j g c h o 等人提出的副侧箝位电路( a c t i v ec l a m p ) 多有附加的开关，而这增加了费用和控制的复杂程度；另外由于电容和辅助开关 位于副侧，因而相对于处于原侧，有更大的充放电电流流过。因而对电容和辅助 开关的要求更高；再由于电容负责在环流阶段为二次电感器提供电流，因而容值 2 0 硕士学位论文 第2 章常用弧焊软开关拓扑的工作原理 必须较大，这也增加了费用。而后e s k i m 等人提出了在副侧增加吸收( s n u b b e r ) 电路的方法，但该方法也存在缺点，就是整流二极管承受的电压是普通拓扑的两 倍，因而整流二极管的耐压值要增加。而最近几年，j g c h o 等人又提出了几种 新的拓扑( p a s s i v ec l a m p ) ，即没有有损元件和附加的功率开关，虽然该类拓扑 不需要附加的控制电路和辅助开关，降低了控制的复杂性和费用，但该类拓扑的 电流衰减到零的时间比带辅助开关的拓扑的时间要长，因而在漏感较大的情况 下，使占空比的丢失加大，另外由于谐振，该类拓扑中的快恢复二极管仍然承受 着较大的电压应力。 本章小结： 本章首先简要描述了传统硬开关p w m 全桥逆变器拓扑结构，工作波形及其 存在的缺点，然后对几种典型的全桥软开关拓扑的工作原理进行了分析，并说明了 这些电路的优点及其存在的缺点。 2 l 硕士学位论文 第3 章软开关全桥逆变焊机主路参数选择及计算 第3 章软开关全桥逆变焊机主路参数选择及计算 3 1 常用的焊机主电路拓扑比较 逆变弧焊机的主路拓扑一般有以下五种方式，即全桥，推挽，半桥，单端正 激，单端反激这五种，这些拓扑各有优缺点，其主要特性如下表t 2 2 1 2 3 1 ： 表3 一i 主要逆变焊机比较 全桥式推挽式半桥式单端式 开关管集射极 稳态为e ，二稳态为2 e ，漏感 稳态为e ，二极截止期二极管 极管箝位引起的尖峰使 间电压管箝位v 咖娜e箝位v 铷私= e v m 舢ev c c m 戤 2 e 相同输出功率 时集电极电流 i c i c2 i c2 h 相同集电极电 流时输出功率 p 0p op o 2p o 功率开关数量 4222 驱动电路复杂 复杂简单中等简单 程度 易获得输出容 大大 中等中，小 量 不存在直通偏 其他 抗不平衡能力强 磁瞬间饱和，变 压器效率低 由以上的分析可以看出，全桥和推挽较适宜大容量的功率输出，推挽虽然所 需要的功率开关较少且驱动电路简单，但相应功率开关所承受的集射极间的电压 较大，为全桥的两倍，且漏感引起的尖峰较大，因而对开关的耐压值提出了更高 的要求，因而给电路的设计和调试带来了困难，对于半桥和单端而言，虽然有功 率开关用量少和驱动电路简单及抗不平衡能力强等优点，但因为对于相同的容量 的开关管，它们的输出功率仅为全桥和推挽的一半，因而它们一般适用于中小容 硕士学位论文 第3 章软开关全桥逆变焊机主路参数选择及计算 量的功率输出，所以本系统采用了全桥式电路拓扑结构，下面将介绍本系统所采 用的z v z c s 相移控制全桥逆变器。 3 2 新型z v z c s 软开关逆变弧焊电源主电路形式 为适应焊机的负载变化大的特点，本系统采用的是一种新型的零电压零电流 移相控制全桥逆变器，与第三章中所描述的传统移相全桥控制电路不同，其滞后 臂两端并联的电容比其超前臂并联的电容小很多，而且在变压器的副侧增加了一 个辅助电感，目的是为了在空载及轻载时能较轻松地实现换流，从而实现全负载 范围类的软开关【2 4 】【2 5 1 1 2 6 2 7 2 8 2 9 。 图3 1 焊机主电路 + 其中q l ，q 3 为超前臂，q 2 ，q 4 为滞后臂，l l k 为焊接变压器漏感，l s 为饱和 电感，c b 为隔直电容。 3 3 控制方式与工作过程 3 3 1 控制方式 本系统的控制方式与工作过程与传统的零电压零电流移相控制全桥逆变器 硕士学位论文 第3 章软开关全桥逆变焊机主路参数选择及计算 也有所不同，其控制方式如图3 2 所示，其中超前臂和滞后臂的两个开关管都 为互补导通，超前臂采用p w m 控制，而滞后臂不采用p w m 控制。该控制方式 的优点是驱动电路比传统的相移控制简单。 q i q 3 q 2 3 3 2 - r 作过程 图3 2 驱动波形 t 为了更好的描述工作过程，首先做以下假定： 所有器件都视为理想器件。 二次侧滤波电感足够大，可等效为恒流源，其折算至原边的电流也可视 为恒定。 该拓扑共分为八个工作阶段，因为前四个工作阶段和后四个工作阶段是对称 的，因而我们只描述前四个工作阶段【3 0 】： 阶段一：q l ，q 4 导通，其电流通路如下图所示： 硕士学位论文 第3 章软开关全桥逆变焊机主路参数选择及计算 图3 3 工作阶段1 在此阶段饱和电感l s 饱和，副侧恒流源折算到原边的电流i p 给电容c b 充电， c b 的电压线性上升。 阶段二：q l 截至，电流通路如图3 - 4 所示： 图3 4 工作阶段2 i o l f + 在此阶段，电流通路转移至c i 支路上，电流i p 给c l 充电给c 3 放电，c l ，c 3 电 压线性变化，其中开关q l 的开关硬度取决于i v 和c i 的大小，i p 越大c l 越小则 q l 的开关硬度越大。 阶段三：当c l 两端的电压升至e 时，d 3 导通，此时的电流通路如图3 - - 5 所示： + 硕士学位论文 第3 章软开关全桥逆变焊机主路参数选择及计算 图3 5 工作阶段3 t 0 l f + 此阶段为环流阶段，在此阶段输出整流二极管d 5 与d 6 同时导通，将变压器短路， 此时由l s ，l l l 【与c b 一起构成了谐振回路，由于c b 的阻挡作用，回路中的电流 将不断衰减，当电流小到l s 的临界饱和电流时，l s 将进入退饱和状态，其电感 值将急剧增加，此时电流将衰减很小，基本保持在接近零电流的状态，在此阶段 末q 4 零电流关断。 阶段四：q 4 零电流关断后，电流通路如图3 - 6 所示： 在此阶段，q 4 关断后，流过l s 的电流给c 2 和c 4 充放电，当c 4 的电压充至 e 时，与q 2 并联的续流二极管d 2 导通，在此阶段开通q 3 与q 2 能实现零电流零 电压开通。 + 硕士学位论文 第3 章软开关全桥逆变焊机主路参数选择及计算 i o 【f 图3 6 工作阶段4 在接下来四个工作阶段与以上的四个工作阶段相对称，就不加以描述了 3 4 焊机工作频率选择 + 随着逆变频率的增加，将有以下优点： 根据变压器电压变换的公式( 式3 - - 1 ) 可知，变压器的体积和重量将进 一步降低。 v = 4 4 f b n s公式( 3 1 ) 变压器工作频率b ：饱和磁感应强度n ：变压器匝数s ：铁芯截面积 可提高焊机控制精度，因为随着频率的增加，相应的控制周期将缩短。 当然随着焊机逆变频率的增加，也存在以下的缺点： 1 ) 随着逆变频率的增加，功率开关管的开关损耗将加剧，因而相应的散热 器的体积将增加。 2 ) 变压器的漏抗将恶化，影响焊机的稳定性。 根据以上的优缺点和国内外焊机研究和使用的具体情况，本系统决定采用 2 0 k h z 的工作频率。 硕士学位论文 第3 章软开关全桥逆变焊机主路参数选择及计算 3 5 主路参数选择及计算 3 5 1 焊接变压器设计 ( 一) 因为焊接变压器是高频开关变压器，所以先描述一下高频开关变压器 与普通变压器的区别： 电源电压不是正弦波，而是交流方波，初级绕组中电流都是非正弦波。 变压器的工作频率比较高，通常都在几十赫兹，甚至高达几十万赫兹。在 确定铁芯材料及损耗时必须考虑能满足高频工作的需要及铁芯中有高次谐波的 影响。 绕组线路比较复杂，多半都有中心抽头。这不仅增大了初级绕组的尺寸， 增大了变压器的体积和重量，而且使绕组在铁芯窗口中的分布关系发生变化。 ( 二) 焊接变压器的设计原则【3 l 】 在设计焊接变压器的过程中应遵循以下原则： 当输入电压降到最低值时，仍能得到所要求的输出电压； 当输入电压最高，占空比最大时，磁芯不会饱和； 当输出功率最大时，变压器的温升在允许的范围内； 保证变压器的铜耗和铁耗相同，使变压器效率最高，同时使原、副边绕 组损耗相同； 原、副边线圈之间的漏感尽量小。 ( 三) 变压器磁芯材料选择 从变压器的性能指标要求可知，传统的薄带硅钢已很难满足变压器在频率、 使用环境方面的设计要求。磁芯的材料只有从坡莫合金、铁氧体材料、钴基非晶 态合金和超微晶合金几种材料中来考虑