大功率高频电源的研究与设计.doc

摘 要根据目前高频开关电源的研究现状，通过对比适合作软开关型逆变器的不同主电路拓扑结构，最终选取IGBT为逆变功率器件，采用能够输出较大功率的全桥式结构，配以高频变压器和高频整流电路构成本课题的主电路系统，并对高频大功率开关电源的主电路和控制电路进行了理论设计和参数估算。在主电路分析中主要讨论了高频变压器的设计，介绍了IGBT的特性，并对驱动电路、输出整流电路的设计要求进行了分析、研究。论文主要阐述和设计了一个高频直流焊机电源，电源控制系统以80C196KC为核心，采用移相PWM控制，逆变电源的软开关实现是通过相移芯片UC3875产生具有一定相序的脉冲去触发IGBT，保证其在零电流或零电压下通断。针对CO2气体保护焊需要，系统通过霍尔电压传感器采样焊接电压，并将焊接电压反馈输入到单片机中与预置电压进行比较，再将误差经过PI运算，获得相应的控制量，经过D/A转换，输入到UC3875，最后通过UC3875的移相调节输出有一定相序的脉冲，经过驱动电路放大，最后触发IGBT通断，系统通过采用电压反馈实现电源恒压外特性控制。论文中对控制系统组成单元电路一一作了详细的说明，包括单片机最小系统、参数预置与显示电路、移相PWM产生电路、驱动电路等，另外，对控制系统中涉及到的过流保护、过/欠压保护、过热保护电路也作了必要的说明。控制系统经过一定的实验调试，得到了初步结果。论文中给出了相关的实验波形，并对实验波形进行了分析、说明。论文针对本次设计的控制系统的后续研究工作提出了进一步实验及完善的建议，为研究大功率高频电源奠定了一定的基础。关键词:高频电源；逆变电源；UC3875；移相控制AbstractThe paper firstly introduces the history, development, actuality about the arc welding inverter and forecasts the foreground and trend of it. That is to develop the inverter power source controled by microcomputer which adopts soft-switches. This researching task is put forward on the base of discussing the characteristics and virtues of the arc welding inverter.The paper chooses the main circuit of a inverter power source. That is a full-bridge configuration which cooperate with high frequency transformer and commutator. The design about high frequency transformer is given. The characteristics and virtues of IGBT are also studied. The amplified circuit and the commuted circuit are designed. The paper mostly researches and designs the soft-switch control system. The microprocessor 80C196KC is the control kernel. The phase-shift chip UC3875 is adopted to produce four phase-shift pulse width modulate. Based on needs of cot welding, the control system samples the welding voltage by Hall element Voltage Sensors. The 80C196KC calculates dates and the chip MAX530 converts them into analogy signal, which is then modulated by UC3875 into four phase-shift pulses. At last the pulses are used to spring IGBT after they are magnified. The function of peripheral circuits and the function of all parts of system are given in the paper. These circuits include the microprocessor circuit,the circuit used to give parameters and to show them, the PWM circuit, the circuit used to magnify. In addition, the safeguard circuit that mainly consists of over-current ;over-heat, over-voltage and low-voltage circuit are studied and designed in the paper.At last, some experiments about this control system are advised to do in the future and some improved advices are put forward so as to overcoming deficiency of the system and expected to make the whole system more reliable and more ideal.Key words: High frequency power supply, Inverter power sourse, UC3875, Phase-shift目 录摘 要IAbstractII1 绪论11.1 弧焊逆变电源的发展与展望11.1.1弧焊逆变电源的发展简史11.1.2弧焊逆变电源发展方向11.2 弧焊逆变电源的特点和优点31.3 本课题研究对象及设计方案与设计目标32 弧焊逆变电源主电路选择与设计52.1 主电路拓扑结构选择52.2 软开关技术在逆变电源中的应用62.2.1硬性开关PWM逆变电路的局限62.2.2软开关技术在弧焊逆变器中的应用72.2.3不同软开关型逆变主电路性能72.3 软开关型弧焊逆变器高频变压器的设计112.3.1高频变压器112.4 开关器件的选择122.4.1功率开关器件性能比较122.4.2绝缘栅双极性晶体管152.4.3 IGBT对驱动电路的要求182.5 抗干扰及吸收保护电路设计182.5.1绝缘栅双极晶体管保护电路182.5.2其它抗干扰电路设计192.6 主电路参数计算192.6.1输入整流电路的参数计算192.6.2逆变电路的参数计算212.6.3高频变压器变比的计算212.6.4输出整流电路的参数计算222.7 小结233 软开关型弧焊逆变器控制系统研究与设计243.1 控制系统结构及工作原理243.2 控制系统硬件电路253.2.1单片机主机单元组成253.2.2参数预置电路253.2.3显示电路263.2.4数据采集与调整电路273.2.5 UC3875移相脉宽调制电路283.2.6驱动电路313.2.7保护电路设计333.3 软开关型控制系统软件设计353.3.1系统控制软件结构流程353.3.2 PI控制算法363.4 小结374 控制系统可靠性研究与抗干扰设计384.1 抗干扰技术原理384.1.1干扰的产生及影响384.1.2硬件抗干扰技术原理394.1.3软件抗干扰技术原理424.2 控制系统抗干扰设计444.2.1供电电源抗干扰设计444.2.2单片机最小系统抗干扰配置454.2.3译码电路的可靠性464.2.4数字信号传输通道的抗干扰措施474.2.5感性负载抗干扰配置474.2.6软件抗干扰设计474.3 小结495 系统调试及建议505.1 控制系统调试505.1.1主电路调试505.1.2驱动电路调试505.1.3保护电路的调试525.2 进一步研究和完善系统的几点建议525.3 小结53结 论54致 谢55参 考 文 献561 绪论1.1 弧焊逆变电源的发展与展望1.1.1弧焊逆变电源的发展简史早在20世纪70年代初逆变器已应用于中频加工领域。1978年，美国首次研制成功了300A晶闸管弧焊逆变器，1981年又出现晶体管式弧焊逆变器。到了80年代，随着电力电子技术的飞速发展，以功率MOSFET、绝缘栅双极性晶体管IGBT为代表的自关断功率开关器件取得了长足的进步。1982年瑞典的ESAM公司率先推出了晶闸管弧焊逆变器产品。之后，美国的Lincoln, Miller, Powcon公司，芬兰的Kemppi，瑞士的ELTRON，日本的大坂变压器公司等国际著名的焊接设备公司都相继推出了各自的弧焊逆变器产品。1993年德国埃森国际焊接与切割博览会上，展出了各种规格和用途的弧焊逆变器，其应用范围包括手工焊、TIG焊、MIG/MAG焊、二氧化碳焊等。容量在130A630A之间，逆变频率为220KHz。在我国，弧焊逆变器方面的研究工作开展较早，发展十分迅速。70年代末我国着手研制晶闸管式弧焊逆变器，80年代初取得初步成果。1982年华南理工大学所研制出的ZX7-SO型场效应管手工弧焊逆变器，接着成都电焊机研究所、清华大学等单位也相继有弧焊逆变器样机通过鉴定。近几年来，国内弧焊逆变器的发展迅速，前景十分乐观，国内己出现了时代新技术公司，上海威特力焊接设备公司等一些上规模上档次的弧焊逆变器生产企业。1.1.2弧焊逆变电源发展方向逆变电源运用先进的功率电子器件和高频逆变技术，比传统的工频整流电源材料减少80%90%，节能20%30%，动态反应速度提高23个数量级。这种“明天的电源”正在以极高的速度变成今天的电源。就弧焊逆变器本身来说，归纳起来其发展方向主要有:(1) 器件创新推动逆变器向着轻量化、大容量方向发展随着微电子技术和材料学科的迅速发展，功率开关器件、输出整流器、快速整流二极管等器件性能不断改进，在器件容量加大的基础上，其频率也在提高，不仅能够获得更好的电气特性，而且控制性能不断得到优化。电力电子器件制造水平的提高必将促使弧焊逆变器向着高频率、大容量、小型化的方向发展。 (2) 计算机技术的发展使数字化逆变焊接电源成为未来发展趋势计算机技术及通信技术的发展促进了各个学科的发展和进步，大规模集成电路（LSI）与超大规模集成电路（VLSI）制造技术水平不断得到提高，微机的应用已普及到每个角落。近10年来，利用微机进行设计、制造焊接与切割电源有很大进展。特别是在先进的逆变式焊接与切割电源上配以微机控制己成为当今焊接与切割电源发展的主流。微机控制的焊接电源有很多优点，一般的逆变弧焊电源控制电路都是以集成电路为主的模拟控制技术，存在硬件电路复杂，安装维修困难，功能开发受到限制等问题。采用微机控制的逆变弧焊电源则可消除传统电子电路的不足，硬件电路设计简单，软件设计灵活，随着单片机及其相关技术的发展，在单片机上实现在线编程与升级己经成为可能，这样就可以方便地对原有程序加以修改和更新，以适应不同焊接工艺的要求，增加了焊接的柔性与适应性。微机以其较高的可靠性和性能价格比将深入到焊接控制的各个领域，应用微机控制技术可使焊机向多功能化、智能化的方向发展；并且随着微机技术、DSP芯片技术及其他数字信号处理技术的进一步发展，弧焊电源将向着数字化的方向迈进，焊机性能和适应性将进一步得到提高。采用单片机控制的弧焊逆变电源正在逐步成为产品呈现在广大用户面前。以微机技术为基础的数字化焊接电源即将成为弧焊逆变电源未来重点研究和发展的对象，建立性能优化和智能控制的弧焊电源专家系统将大大提高弧焊逆变器的各种性能。因而，广泛应用微机技术的高效节能焊机和专用成套焊接设备的前景会越来越好。(3) 软开关技术的实现是逆变焊接电源发展的重要方向弧焊逆变器的另一发展趋势是研究旨在降低开关器件的功耗、减少电磁干扰的软开关式零电压、零电流开关（ZVZCS-PWM）弧焊逆变器。软开关方式包括零电流开关方式、零电压开关方式及两者兼用的方式。由于采用软开关技术可以进一步提高逆变焊机工作频率，大大降低开关器件功耗，因此采用此种方式的弧焊逆变器具有比硬开关型弧焊逆变器更小体积、更高效率、更小噪声、更低成本的优点，而作为实现这种软开关方式的手段，有谐振型开关电源技术和部分谐振型开关电源技术，而后者很可能会成为今后弧焊逆变电源采用的主要技术。因此，软开关技术在弧焊逆变器中的应用是弧焊逆变器未来发展方向之一，新型的软开关型弧焊逆变器可以进一步把逆变频率提高到50KHz以上，并能可靠工作。综上所述，将逆变技术和微机技术结合应用到焊接领域是今后焊机发展的方向，用软开关技术代替传统的硬开关技术必将成为逆变电源的一个重要发展趋势。目前，国外在这方面的结合做的较好，美国、日本、德国、瑞典等发达国家都己有较为成熟的微机控制逆变焊机问世，而在国内，这方面还处于实验室研究阶段。因此我们有必要在这方面做一些有益的探讨，为我国民族工业的发展尽微薄之力。1.2 弧焊逆变电源的特点和优点弧焊逆变器对焊接工艺性能的改善很大，传统的弧焊电源均采用工频来传递电功率和变换电参数，而弧焊逆变电源则把工频电提高到几千至几十万赫兹进行电能传输和变换，因此，弧焊电源的结构和性能有了很大变化，形成了弧焊逆变器高效、轻巧、性能优良的特点。频率的大幅度提高减小了变压器的体积和重量，节约了大量的材料，提高了功率因数，节省了电能，并且给弧焊逆变器的电气性能、弧焊工艺性能带来了明显的好处：(1) 因为频率高，交变电流过零的时间短，电流换向和熄弧期间由于热惯性使得电弧空间的残余热场可以保持在较高的水平，这样变换极性后电弧空间重新进行气体放电所需的电场强度可以降低，从而有助于交流电弧的稳定性。(2) 在输入整流电路和输出回路中均存在储能的电容器，从而明显减少了无功损耗，提高了效率因素。(3) 焊接回路滤波电抗器的电感量因频率的提高而大大减小，故减小了时间常数。由于上述种种原因，弧焊逆变器与传统的弧焊变压器、直流弧焊发电机、弧焊整流器等焊接电源相比，具有如下显著的优点:(4) 高效节能。效率可达8090%，空载损耗极小。(5) 重量轻，体积小，主变压器的质量仅为传统弧焊电源主变压器的几十分之一。(6) 具有良好的动特性和弧焊工艺性能，可以设计出最合适的外特性曲线形状，并根据焊接工艺要求对外特性和动特性进行任意控制，以适用于各种不同的焊接方法，做各种位置的焊接，获得优良的焊接工艺性能和焊接结果。1.3 本课题研究对象及设计方案与设计目标根据当前弧焊逆变器的研究现状及发展趋势，我们确定了这一研究课题：针对逆变器主电路中，大功率开关元件采用隔离栅双极性晶体管（IGBT）的逆变焊机的微机控制系统研究。所研制的逆变焊机微机控制系统，其对应控制的逆变主电路为全桥式逆变结构，频率为20KHz。在不改变逆变主电路的情况下，研究和设计控制系统电路，通过改变控制系统的软件，既可以实现电源恒压、恒流特性控制，又可以实现脉冲输出控制及其它任意特性控制。通过对研究对象的分析和设计，本控制系统应具有以下基本功能:(1) 向逆变焊机主电路开关管IGBT提供所需的前后沿陡峭、相位差180对称的脉冲列。(2) 能够控制输出弧焊工艺所要求的电气性能（外特性、动特性和波形）。(3) 具有过流、过热和过、欠电压等故障诊断和处理功能。(4) 具备参数预置、显示和实时检测功能。(5) 能够获得需要的输出电压、电流及调节范围。(6) 具有较强的软、硬件抗干扰能力。(7) 实现移相PWM零电压、零电流软开关；实现电流、电压的软启动和软关断。该设计任务完成以后，就可以搭建一套逆变电源控制系统实验平台，为今后研究数字化软开关型弧焊逆变电源奠定基础，也为后续焊机试验工作创造一定的条件。2 弧焊逆变电源主电路选择与设计逆变式弧焊电源通常由两部分组成：一是主电路部分，它完成电能的转换和传输，是逆变电源的主要部分；二是控制电路部分，它的作用是对逆变主电路进行控制，实现电源外特性输出控制、焊接工艺参数调节及其它功能，如保护功能、参数预置与显示功能等。逆变电源控制系统研究必须以一定的逆变主电路为基础，因此有必要对逆变主电路进行讨论和研究。逆变式弧焊电源是一种可控的能量转换器，它将电能由一种形式转换为另一种形式。常用的弧焊电源主电路实质上是由三个转换器组成，即：交流直流整流器；直流交流逆变器；交流直流整流器，这三个转换器加上必要的吸收保护电路环节即构成了逆变弧焊电源主电路。其中输入为三相380V工频交流电，通过整流滤波后转换为540V直流电，然后通过全控功率器件IGBT的导通和关断转变为频率很高（设计中为20KHz）的方波交流电，之后通过高频变压器降压、整流桥整流、电抗器滤波得到焊接所需的低压直流电。可以通过控制IGBT的通断时间获得需要的电压、电流及功率。主电路在整个电源系统中完成功率传输及转换功能。 弧焊逆变器电能转换和功率输出控制的实现是一项系统的工作，涉及到多方面具体的任务，除了选择和设计合适的控制系统，优化设计控制电路中元器件的参数之外，对主电路的选择和设计及对其元器件的参数设计是最基础也是十分重要的。2.1 主电路拓扑结构选择弧焊逆变器主电路拓扑结构通常有以下几种形式：推挽式、半桥式、全桥式以及单端正激、单端反激式等。它们的性能对照如表2.1所示。由上表可以看出，如果要获得较大功率的输出，一般情况下应该选择推挽式或者全桥式的主电路结构。但是对于推挽式主电路结构，它的功率开关管集射极之间承受的电压在稳态时为2倍的直流输入电压E，而其漏感引起的尖峰电压VCEmax2E。因此，考虑到功率开关管的耐压容限，本系统中选择使用全桥式逆变主电路结构。由于本设计中涉及到逆变器的软性开关实现问题，因此我们首先从软开关技术在弧焊逆变电源中的应用入手，对逆变器主电路进行必要的分析和研究。表2.1 逆变主电路拓扑性能比较/推挽式全桥式半桥式单端式功率开关管集射极间施加电压稳态为2E，漏感引起的尖峰使Vcemax2E稳态为E，二极管箝位VcemaxE同全桥截止期二极管箝位Vcemax=E输出相同功率时集电极电流IcIc2Ic2Ic功率开关管数量2421输出滤波电容数量1121获得的输出容量大大中等中、小2.2 软开关技术在逆变电源中的应用2.2.1硬性开关PWM逆变电路的局限在常规的PWM逆变电路中，电力电子开关器件在大电压下导通，大电流下关断，处于强迫关断过程，这种逆变电路被称之为硬性开关电路。硬性开关电路在频率很高的情况下运行将带来以下主要问题:(1) 温度和功耗问题硬性开关电路的开关器件是在高压下导通，大电流下关断的，它导致的电压和电流重叠会产生开关损耗（如图2.2所示）。ttiuuiuiui(a) 开通 (b) 关断图2.2 硬开关通断U/I示意图一般情况下一个周期内器件的开关损耗可占全部损耗的30%40%。随着工作频率的提高，这种损耗将成比例增加。同时由于过大的开关损耗使得器件结温上升，不仅限制了工作频率的提高，而且也无法使器件在额定电流、电压容量条件下运行。(2) 电磁干扰问题在高频情况工作时，开关器件本身的极间电容和电路中的杂散电感将影响整个电路的工作状况。过大的du/dt和di/dt将对系统产生电磁干扰（EMI），导致系统不稳定。为了解决硬性开关PWM逆变电路存在的上述问题，国内外学者专家提出了改变器件开关轨迹的思想，研究和开发了多种软开关型弧焊逆变电源，使软开关型逆变电源成为一种有较大发展和应用前景的弧焊电源。2.2.2软开关技术在弧焊逆变器中的应用软开关型逆变器的特点是功率开关器件在零电压或零电流或零电压和零电流状态下导通或关断。它不仅解决了开关耗损过大的问题，而且降低了器件运行时的结温，降低了du/dt和di/dt，减少了电磁干扰（EMI），突破了硬性开关对工作频率增大的限制。可以说从根本上克服了硬性开关PWM逆变电路的缺点。2.2.3不同软开关型逆变主电路性能在软开关型全桥逆变主电路中，有根据负载方式实现零电压或零电流开关的，也有根据控制方式实现功率器件的软开关技术的。属于前一种方式的电路有全桥串联谐振逆变电路或全桥并联谐振逆变电路以及它们的组合电路；属于后一种方式的有移相控制全桥逆变电路。目前适合采用软开关技术的全桥逆变电路有：全桥串联谐振逆变电路；全桥并联谐振逆变电路；高频直流谐振环逆变电路；移相控制的全桥逆变电路。(1) 全桥串联、并联谐振逆变电路全桥串联、并联谐振逆变主电路，它的电路如图2.3所示。电路中电感L、电容C、功率器件和负载串联（并联）在一起形成一个欠阻尼电路，由于电路是欠阻尼的，引起振荡，导致流过功率开关的电流出现自然过零的现象。这两种主电路既可以实现零电压开关，也可以实现零电流开关，其具体实现要根据频率大小和负载情况而定。全桥串联、并联谐振逆变电路实现功率器件软开关的基本原理是：当电路在一定频率下工作时，如果负载是感性的（或容性的），则由于感性负载电压超前电流（或容性负载电压滞后电流），在逆变过程中，关断VT1、VT2时，电流转移到VD3、VD4（或电流转移到VD1 、VD2 ），使得VD3、VD4导通（或使得VD1、VD2导通），这样当VT3、VT4被触发时，就实现了零电压开通（或零电流开通），从而实现了功率开关器件的软开关通断。采用负载谐振来实现功率开关器件通断的软开关型逆变电路，其输出功率的大小主要靠调节频率来进行调节，相对于定频率调脉宽的控制方式技术难度较大；而电路中器件所受的应力与电路的功率值Q是成正比的，不适合输出功率大的场合；而且虽然全桥串联、并联谐振逆变电路在恒定负载容易实现零电压或零电流开关，但对于频繁处于“空载一短路一负载一短路”负载大范围变化的弧焊电源来说却是很难满足软开关性能要求的。 图2.3 全桥并联谐振逆变电路图2.4 全桥串联谐振逆变电路 (2) 相移控制的全桥逆变电路相移控制的全桥逆变电路综合了PWM控制技术的优点和软开关技术的优点，其开关工作频率恒定，在大范围内实现PWM控制，在功率开关器件通断瞬间实现软开关换流，减少了开关损耗，降低了du/dt和di/dt，减少了电磁干扰（EMI），提高了系统的稳定性和可靠性。它一经出现就受到了人们的青睐。常用的相移控制的全桥逆变电路如图2.5所示，它实质上也是PWM控制，所不同与一般PWM控制电路的是，逆变功率器件的驱动信号有特殊的时序要求（如图2.6所示）。按照如图所示的时序信号驱动全桥逆变主电路中的功率开关管，使其按照驱动信号的顺序先后通断以达到软开关型逆变电路的技术要求。相移PWM控制逆变电路实现零电压开关，是依靠功率开关管本身反并联的二极管先导通，实现零电压开通的。它的控制策略是VT1、VT3和VT2、 VT4分别轮流导通，每只开关管导通180（实际上为避免发生直通现象存在死区时间的限制）。其中VT1、VT3反相，VT2、VT4反相，VT1、VT3管导通时刻不变，是先导通的器件（称为超前桥臂），控制VT2、VT4（称为滞后桥臂）的导通时刻，使VT2管和VT1导通时刻相差为0180，VT3与VT4类似，当VT1、VT2移相为0时，输出最大。VT1、VT2移相为180时，逆变器输出为0。移相控制实现零电压开通的工作原理是这样的：假定负载是感性的，根据控制时序，VT1管先导通，VT2经过一定的移相角后导通，电流由电源正极出发，流经VT1管从A点流到B点经VT2流向电源负极，此时电源向负载输出功率。当VT1关断后，电流换流，方向为ABVT2VD3A。此时电流处于换流阶段，VT3管可在零电压下导通（VD3导通后，VT3两端的电压近似为0），且UABO。因为Ldi/dt=UAB，所以电流衰减很慢。紧接着VT2关断，电流从VT2换流到VD4，方向为VD3ABVD4，由于VD4的导通，故VT4可在零电压下导通，但是因为此时Ldi/dt=UAB等于电源电压负值，所以电流衰减很快，因此VD4开通时间较短，滞后管VT4的零电压开通有一定的限制范围。（由于此种原因导致的在负载为轻载或电路中电感量小时，难以实现零电压开通的情况可以通过进一步改进电路而得到解决。）图2.5 相移控制的全桥逆变电路VT1VT5VT3VT2VT4VT6UGEt图2.6 移相控制时序图 (3) 高频直流谐振环逆变电路高频直流谐振环逆变电路是一种新型的实现软开关技术的方法，由于其技术难度较大，目前设计的软开关型逆变器暂时不考虑这种方式，因此我们的方案选择不考虑高频直流谐振环逆变电路。通过对上述适合采用软开关技术的不同全桥逆变主电路的特性及优缺点分析，以实验室现有条件为基础，我们拟选择采用全桥相移PWM控制的逆变主电路结构形式，在此基础上通过改变控制策略设计合适的移相控制系统来达到在逆变焊接电源中实现软开关技术的目的。因此我们设计了如图2.7所示的逆变器主电路结构。图2.7 逆变焊接电源主电路原理图2.3 软开关型弧焊逆变器高频变压器的设计2.3.1高频变压器在大功率软开关型弧焊逆变器中，高频变压器的功能包括：电气隔离，降压作用，利用磁耦合作用传送能量，参与功率开关管的软开关过程。与传统的弧焊变压器相比，最后一项功能是软开关弧焊逆变器中高频变压器特有的功能。进行高频变压器设计时必须全面考虑对变压器性能产生影响的因素，如磁芯材料的选择、磁通密度和铁损的限制、制造工艺等。(1) 在设计高频变压器时，必须满足以下要求： 变压器初、次级绕组变比应满足要求，即输入电压最低时，仍能得到所需的输出电压。 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，变压器稳升在允许的范围之内。 初、次级绕组的损耗应相等，铜损与铁损也应相等，损耗应足够低。 初、次级绕组之间的漏感应适当小。 符合必要的安全规格。根据上述要求，我们重点对磁芯材料选择和变压器初、次级变比计算进行讨论。(2) 磁芯材料的选用主电路中由于高频变压器初级直接与开关管相连，其漏感引起的尖峰电压对开关管的安全工作有很大威胁，因此，高频变压器的性能是至关重要的，而其性能又是由磁芯材料及绕制工艺决定的。对于工作频率为20KHz的变压器，主要考虑其漏感和励磁电流的影响，工作时不能使变压器饱和，否则励磁电流会大大增加。一般选择高频磁芯材料有以下几点特殊要求: 在工作频率下，铁损要尽可能小。 磁芯材料饱和磁通密度要高，电阻率要大。 随着温度升高，饱和磁通密度下降要慢。用于弧焊变压器的磁芯材料主要有超薄硅钢片、软磁铁氧体、非晶和微晶合金。它们之间的性能比较见表2.2。由表可知，超薄硅钢片的饱和磁通密度高，使用厚度极薄的硅钢片可以降低涡流损耗，但很不经济，且其电阻率太低，高频使用时铁损仍然较大，不宜用于高频变压器；铁氧体的电阻率非常高，高频铁损小，磁滞损耗小，价格低，缺点是饱和磁通密度低，温度系数大，易脆裂，工作频率为2030KHz，在IGBT和MOSFET弧焊逆变器中多被选用作为铁芯材料；非晶态合金的饱和磁通密度高，导磁率高，磁滞回路狭窄，机械强度高，热稳定性能好，高频损耗比铁氧体还要小，是一种较为理想的高频磁芯材料。但是与铁氧体相比，其价格较高。因此在本设计中根据现有条件选用铁氧体作为高频变压器的磁芯材料。表2.2 不同磁芯材料主要性能指标对照名称规格饱和磁感应强度Bs（T）铁损（W/kg）磁密度 r/Hc矫顽磁力r/B电阻率（cm）临界磁滞伸缩系数 s*10-6硅钢片D332.01.54*1040.7247-10铁氧体MX0-20000.4/17*1040.351*1053000非晶态Fe80B201.60.44321040.77145312.4 开关器件的选择2.4.1功率开关器件性能比较功率开关器件的品种繁多，性能指标相差很大。对于逆变电路中逆变用功率开关器件的选择既要符合输出功率大、电流和电压等级高的要求，又要满足功耗小，能够达到高频工作的要求。因此选择合适的电力电子开关器件是电路元件选择中十分重要的一环。我们对常用的普通晶闸管（SCR）、可关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（GTR）、功率MOSFET、绝缘栅双极晶体管（IGBT）等器件的主要性能指标进行比较：(1) 输出功率与工作频率 MOSFETGTOP/W108106105107104106f/HzSCIGBTGT图2.8 器件输出功率与工作频率的关系 图2.8所示为单个功率开关器件的输出功率与工作频率的关系曲线。由图可知，SCR的输出功率最大，但工作频率最低，属于半控型器件；GTO次之，频率则明显增大；GTR的容量界于GTO和MOSFET之间，工作频率有更大的提高；MOSFET的工作频率最高，但是其容量最小，不适合大功率输出场合；目前，IGBT的容量已超过MOSFET和GTR，其工作频率能够达到较高的数量等级，它的应用范围正在逐步扩展，在高频逆变方面使用较为广泛，是一种趋于完善的器件。(2) 电流和电压等级图2.9所示为几种全控型功率器件的电压、电流等级情况。由图可知，GTO的电压、电流耐量等级最高，属于高压大电流器件，依次是IGBT, GTR和功率MOSFET。GTR的电流容量仍可增大，但电压容量难以高于1500V；而由于MOSFET的导通电阻随着电压的升高而增大，因此，继续提高它的耐压容量就显得非常困难。从当前的发展来看，IGBT是一种很有发展前途的电力电子器件，它的电压、电流容量已超过了GTR，随着半导体制造技术及工艺水平的提高，IGBT的电压、电流容量还将进一步提高。102103104I/A102104103U/VMOSFETGTIGBTGTO图2.9 不同全控型器件电压与电流等级情况(3) 功率损耗P/W10210110-110102104106108f/HzMOSFETGTRGTO IGBT图2.10 功率损耗与工作频率的关系在逆变电路中，功率器件工作在开关状态，随着工作频率的升高，功率器件的动态损耗将占器件总损耗的95%以上，因此要根据设计的逆变器工作频率选择合适的功率器件。图2.10显示了几种1000V级耐压器件功率损耗与工作频率的关系。由图可知，功率MOSFET的功耗最大，但随着工作频率的提高，其功耗增加幅度很小，这说明功率MOSFET更适合于高频场合；GTO和GTR在低频时管压小，因此功耗小，但随着工作频率的增大，开关损耗急剧上升，这就限制了它们的工作频率不能太高；从目前的应用情况看，IGBT既可以在较高的频率下工作，又不至于使功率损耗过高。通过对比不同功率开关管的性能，可以得出结论：选择绝缘栅双极晶体管（IGBT）作为逆变焊接电源开关器件，既可以承受高电压和大电流，获得大功率输出，又可以工作在较高频率，还不至于产生过高的功率损耗。2.4.2绝缘栅双极性晶体管绝缘栅双极晶体管简称IGBT，是一种复合型电力半导体器件。它将MOSFET与GTR的优点集于一身，既具有速度快、输入阻抗高、热稳定性好和驱动电路简单的特点，又具有通态电压低、耐压高和电流容量大等优点。IGBT的开通和关断是由栅极电压控制的。 (1) 静态特性IcUGEUGEOO饱和区击穿区UGE(th)UGE1UGE2UGE3UGE4UGE5图2.11 IGBT输出特性 图2.12 IGBT的转移特性IcIGBT的静态特性主要包括输出特性和转移特性，如图所示。图2.11是IGBT正向输出特性（UCE通态压降，Ic漏极电流）。当UGEUGE（th）（开启电压）时，IGBT处于截止区，仅有极小的漏电流存在，直至UCE上升至PN结雪崩击穿进入击穿区为止。当UGEUGE（th）且为一定值时，IGBT处于放大区。在该区中，漏极电流Ic几乎不变，其大小取决于UGE。当UGEUGE（th）漏极电流Ic不随UGE而变化时，IGBT处于饱 和区，导通压降较小，相当于一只合闸的开关。图2.12是IGBT的转移特性。当栅极电压小于开启电压UGE（th）时，IGBT处于阻断状态。在开启电压UGE（th）附近，c与UGE呈非线形关系，IGBT导通后，在大部分漏极电流范围内，c与UGE呈线形关系。(2) 开关特性UcictticVCEONOFFab0图2.13 IGBT开关波形及开关特性ICBT的开关特性如图2.13所示。由图可知，在它的关断波形存在电流拖尾现象，这就需要一定的关断时间，从而增大了开关损耗。而采用软开关技术的目的就是改变其开关曲线轨迹，使其达到曲线b所示轨迹，而不是曲线a。(3) 擎住效应与安全工作区 擎住效应IGBT为四层结构，体内存在一个寄生晶闸管，其等效电路如图2.14所示。在NPN寄生晶体管的基极和发射极之间并接有一个体区扩展电阻R1。在此电阻上，会产生一定压降，对寄生晶体管来说，相当于一个正偏置电压。在规定的集极电流范围内，这个正偏置电压不大，NPN晶体管不起作用。当Ic电流大到一定程度时，该正偏置电压使NPN晶体管开通，进而使NPN和PNP晶体管处于饱和状态。于是寄生晶体管开通，门极失去控制作用，这就是所谓的擎住效应。由于漏极通态电流的连续值过大而产生的擎住效应称为静态擎住效应。此外，在IGBT关断过程中，由于重加dUCE/dt过大，在PN结J2引起的位移电流流过体区电阻，产生较大正偏置电压，致使寄生晶体管导通，称为动态擎住效应。IGBT发生擎住效应后，集极电流增大，造成过高的功耗，导致器件损坏。因此使用过程中必须防止IGBT发生擎住效应，为此可限制Ic。电流的最大值，同时用加大门极电阻RG的办法延长IGBT的关断时间以减小重加dUCE/dt值或者在IGBT关断时，栅极采用一定负偏压以减小重加dUCE/dt值。图2.14IGBT等效电路 安全工作区IGBT开通的正向偏置安全工作区是由电流、电压、功耗三条边界极限包围而成。最大漏电流是根据避免动态擎住而确定的；最大漏源电压是由IGBT中PNP晶体管的击穿电压确定:最大功耗PCM动受限于最高允许结温，与导通时间密切相关，导通时间长，发热严重，安全工作区变窄（如图2.15）。10usDC100usicic00uCEuCE1000v/us2000v/us3000v/us图2.15 正偏安全工作区 图2.16 反偏安全工作区 IGBT的反向偏置安全工作区随IGBT关断时的重加dUCE/dt而改变，dUCE/dt越高反向偏置安全工作区越窄（如图2.16），因此，设计电路使IGBT关断时，栅极应施加一定反偏压，以减小重加dUCE/dt，同时可以缩小关断时间。2.4.3 IGBT对驱动电路的要求IGBT属于电压驱动型器件。根据IGBT的特性，它对驱动电路有以下特殊要求:(1) 栅极驱动电压的选择要综合考虑正偏压降（+UGE）增大时，IGBT通态压降和开通损耗均下降。但负载短路时其漏极电流增大，承受短路电流的时间减少，对其安全工作不利，因此正偏压降也不能太高，一般选择为+12+15V；负偏电压（-UGE）增大时集极浪涌电流明显下降，所以提高负偏电压可防止由于关断时浪涌电流过大而使IGBT误导通，但负偏电压受到G、E极间最大反向耐压限制，一般取-2-10V。(2) IGBT的开关时间应综合考虑快速开通和关断有利于提高工作频率，减小开关损耗。但要考虑到IGBT中寄生电容的存在因素。在大电感负载下，IGBT的开关时间不宜过短，以限制di/dt形成过大的尖峰电压，防止IGBT因过电压击穿而损坏。(3) IGBT开通后，驱动电路应提供足够的电压和电流幅值，以免IGBT在正常工作时退出饱和区而损坏。(4) 驱动电路应具有较强的抗干扰能力及对IGBT的保护功能。2.5 抗干扰及吸收保护电路设计在逆变焊接电源主电路设计当中，有一些辅助的电路设计，它们在整个系统中起到了抗干扰和吸收保护的作用。2.5.1绝缘栅双极晶体管保护电路故障检测栅极驱动&ce2.17 过流保护原理图电压检测IGBT是一种安全工作区宽，使用简单的功率元件，但负载电流过大时能够承受的时间很短，而且开关速度高易产生浪涌电压，因此使用IGBT时一般要采用过流保护电路和浪涌箝位电路。脉冲信号过流故障信IGBT负载过流保护电路有多种类型。设计中所采用的是通过检测IGBT漏极与源极电压降来实现IGBT的过流保护如图2.17。IGBT过流时，电路中漏源电压UCE将增大，故障检测电路检测此信号如果大于某一值时便发出故障信号，同时关断送给栅极的驱动信号，进而关断IGBT的输出，起到过流保护的功能。2.5.2其它抗干扰电路设计主电路中还考虑了其它一些保护和抗干扰电路设计：(1) 输出整流二极管设置了阻容网络，用以吸收二极管开关工作以及变压器接线电感所产生的浪涌，保护开关元件。阻容网络中的电容采用自身发热少、低损耗，而且耐压、耐高温（+125）的HR系列绝缘型陶瓷电容器。(2) 变焊接电源易受到电网噪声的污染，也易将自身产生的噪声污染电网。为了抑制电网中的高次谐波噪声，在工频交流电输入端接有由电容组成的低通滤波器，以滤去干扰噪声。(3) 阻止噪声由输出回路进入负载，在主电路输出回路中接入了旁路电容器。在靠近主电路回路配置低电感、低ESR的小容量电容，能够有效减少高开关频率的噪声，也可以抑制正态与共态噪声。2.6 主电路参数计算2.6.1输入整流电路的参数计算(1) 三相整流桥的选择因为三相电网输出电压为：50Hz，380V，且要求整流后输出直流平均为400V，故三相整流桥输入线电压有效值为：296V5%，即281311V，其峰值为：397440V；整流后输出直流电压的范围为：357440V。整流桥的耐压整流二极管的峰值电压为：V(2.1)取50%的裕量得：V(2.2)整流桥的额定电流因为电源的输入功率随效率变化，所以应取电源效率最差时的值。在此，按开关电源的效率最差时取值，取，(2.3)电源的输入功率为：W(2.4)最大输入电流为：A(2.5) 考虑裕量，取整流桥的额定电流为400A根据以上计算，拟选用Shindengen公司的D400VTA160（VRM=1600V，IO=400A） 三相整流桥模块。(2) 输入滤波电容和电感的设计 输入滤波电容的设计输入滤波电容（C1）主要起滤波和平滑直流输出电压，减小其脉动的作用，因此输入滤波电容的选择是比较关键的。通常输入滤波电容值是从控制纹波的角度来估算的，即为保证给逆变电路提供稳定的直流电压，滤波电路时间常数必须为纹波中基波周期的6倍以上，由此根据直流输入电压、电流推算出输入滤波电容值。本设计则从能量角度估算电容值，即输入滤波电容要能为后续电路提供所需的足够的能量，以保证其按要求运行。推算方法如下：输入整流后面的电路每个周期中所需的能量约为：J(2.6)式中A为输入交流电压的相数，单相输入时A=1，三相输入时A=3；每半个周期输入滤波电容所提供的能量为：(2.7)可得输入滤波电容的容量为：F(2.8)从控制纹波角度考虑，也可验证此结果也满足纹波要求。一般来说，无法找到一个可以把电源的所有电流纹波都吸收的电容，所以通常采用多个电容并联，故选用的铝电解电容4只关联；由于铝电解电容无法吸收加在其两端的高频分量，一般还要并上无极性的陶瓷电容，以吸收高频分量。故选用 的陶瓷电容4只并联。 输入滤波电感的设计输入滤波电感的选取一般根据经验公式进行选择，一般要求负载电流为10%额定电流时电感电流连续，此时电流为107.1A左右，输出功率为，则输入功率为。输入直流的最小值为，则输入滤波电感的值约为：mH(2.9)输入滤波电感为工频电