一种具PFC功能的宽电压半桥软开关逆变式焊割机

专利说明书 非对称半桥 ZVS 软开关逆变式焊割电源 技术领域 本发明涉及焊接 切割电源 尤其是一种非对称半桥 ZVS 软开关逆变式焊割电源 背景技术 目前高频化已成为逆变式焊割电源的重要特点 高频化可以使逆变式焊割电源具有更高的 功率密度 更加节约铜材 钢材 铝材等有色金属的用量 使电源结构更加牢固可靠 而且 响应能力更加快速 电流 电压控制精度更高 但由于电力电子开关器件的开关损耗与逆变频率成正比 频率越高 器件和电路的损耗就 越大 逆变器的效率就越低 所以 一般采用硬开关逆变方式的普通逆变式焊割电源的焊割 性能和能效比就显得非常不足了 存在以下缺点 1 逆变器的电力开关器件电压 电流应力很大 很容易失效和被损坏 2 开通和关断时在逆变器的电力开关器件上有很大的电压 电流重叠期间 此期间 电 力开关器件工作在线性区 使得开通和关断期间产生很大的功率损耗 开关器件发热 严重 极易因过热而损坏 为降低电力开关器件的工作温度以提高其可靠性 必须设 计庞大而复杂的散热降温系统 3 逆变器的开关器件在开通和关断时有很高的电压变化率和电流变化率 这样会产生很 强的电磁干扰 使得电磁干扰的防护变得很困难 EMC 器件庞大而复杂 成本高 4 普通逆变式焊割电源的逆变频率不能过高 一般只能在不高于 20KHz 的范围内 故其 功率密度不大 铜材 钢材 铝材等有色金属的用量也大 同时 由于逆变频率不够 高 动态响应速度不够快 控制精度高不够高 大大限制了其自动化 精细化方面的 运用 因此 高频化的软开关逆变电源技术的运用就成为必然 目前采用软开关技术的逆变式焊割电源主要为移相式全桥软开关电路拓扑结构 这种电路 的缺点是 1 移相全桥的软开关逆变电路很难在空载 轻载和短路情况下满足软开关的条件 2 有固有的环流需要抑制 这种电路会损失占空比 为满足输出电压的要求 往往提高 逆变变压器的变比 这样就加重了逆变开关器件的电流应力 3 需要四组载流能力和耐压都相同的电力开关半导体器件 器件成本相对较高 4 四组电力开关器件的驱动既有相序要求又有时序的要求 驱动电路较复杂 生产 调 试和服务成本偏高 发明内容 本发明要解决的问题是 采用一种新型的非对称半桥软开关逆变技术 使得逆变开关器件 在软开通软关断的条件下工作 其开关电压应力和电流应力都大为减小 开关损耗也大为减 小 器件发热大为减小 同时电磁干扰幅度也大为减小 因此可以工作于更高 100KHZ 左右 逆变频率上 其功率密度大 铜材 钢材 铝材等有色金属的用量小 动态响应速度快 控 制精度高 很方便于自动化 精细化方面的运用 由于采用和普通半桥一样的电路拓扑结构 使得逆变器结构牢固 器件成本低 控制电路简单 便于维护和检修 为达到以上目的 本发明 非对称半桥 ZVS 软开关逆变式焊割电源 包括按设备的电功率 流向而顺序连接的 输入滤波电路 EMC 一次侧整流滤波电路 非对称半桥软开关逆变电 路 隔离变压器和二次侧整流滤波电路以及主控制板电路 主控制板电路既和二次整流滤波 电路联通又和非对称半桥软开关逆变电路联通 附图说明 图一是本发明的电路方框图 图二是本发明的主回路原理图 图三是本发明的主控制板电路图 具体实施方式 如图一所示 本发明 非对称半桥 ZVS 软开关逆变式焊割电源 包括按设备的电功率流 向而顺序连接的 输入滤波电路 EMC 1 一次侧整流滤波电路 2 非对称半桥软开关逆变 电路 3 隔离变压器 4 和二次侧整流滤波电路 5 以及主控制板电路 6 主控制板电路 6 既和二 次整流滤波电路 5 联通又和非对称半桥软开关逆变电路 3 联通 图一中各电路的构成和相互连接关系见图二 如图二所示 输入滤波电路 EMC 1 由电源开关 S1 差模滤波电容 C28 和 C33 共模滤波电容 C29 C30 C31 C32 以及共模滤波电感 L1 组成 电网干扰信号通过上述滤波器的滤除 使 得本焊割电源免受外界电磁干扰 提高稳定性 同样 本焊割电源产生的干扰信号会也会被 上述滤波器滤除 使得本焊割不会对外界产生电磁干扰 提高其他设备的稳定性 一次侧整流滤波电路 2 由整流桥 BR1 和电容 C34 C35 组成 交流电压 电流通过整流桥 BR1 整流成直流电压 电流 经过电容 C34 C35 滤波后送到非对称半桥软开关逆变电路 3 电阻 R25 为电流泄放电阻 其作用是在关机的情况下 泄放掉电容 C34 C35 的电荷以保证安 全 非对称半桥软开关逆变电路 3 由两组绝缘栅场效应电力开关器件 Q1 Q2 顺向串接组成 半桥拓扑结构 R26 R27 分别为两组绝缘栅场效应电力开关器件的栅极串接驱动电阻 电 容 C36 和 C37 为谐振电容 它们与饱和电感 L2 和中频变压器 T1 的漏电感组成软开关谐振电 路 以保证主开关器件 Q1 Q2 零电压导通 零电压关断 ZVS 电容 C40 隔直电容 其容量 足够大 以至于电力开关器件 Q1 和 Q2 的每次导通电容 C40 上的电压基本维持不变 从插座 A1 输出宽度为 Ton驱动脉冲信号送到绝缘栅场效应电力开关器件 Q1 栅极 从插 座 A1 输出和 Ton互补的 Toff Toff T Ton 驱动脉冲信号送到 Q2 栅极 其中 Ton Toff T T 为整个脉冲周期 Ton为 Q1 的导通时间 Q2 的关断时间 Toff为 Q1 的关断时间 Q2 的导通时间 使得电力开关器件 Q1 在一个脉冲周期里导通 Ton 时间 小于一个周期的 50 而电力开 关器件 Q2 则在 Q1 关断后的的周期剩余时间内互补导通 Toff Toff T Ton 时间 大于一 个周期的 50 这种非对称的导通和关断 就创造了电力开关器件 Q1 和 Q2 的软开关 ZVS 工作条件 隔离变压电路 4 由具有一次侧绕组和二次侧绕组的中频变压器 T1 担当 中频变压器 T1 一次侧绕组的一头经过饱和电感 L2 接直流母线的负端 另一头经过隔直电容 C40 后接逆变电 路半桥桥臂中点 A 二次侧接到二次侧整流滤波电路上 一次侧绕组和二次绕组是通过绝缘 材料安全绝缘的 二次侧整流滤波电路 5 由快恢复整流二极管 D13 D14 滤波电感 L3 以及阻容吸收电阻 R28 R29 和阻容吸收电容 C38 C39 等组成 主控制电路 6 由内部的电流给定 电流反馈 PWM 脉宽调制电路 互补脉冲信号产生电 路和隔离驱动电路等构成 一 非对称半桥软开关逆变功能的实现 参见图二 绝缘栅场效应电力开关器件 Q1 和 Q2 顺向串接成半桥结构 从插座 A1 输出宽 度为 Ton驱动脉冲信号送到绝缘栅场效应电力开关器件 Q1 栅极 从插座 A1 输出和 Ton互补的 Toff T Ton 驱动脉冲信号送到 Q2 栅极 使得电力开关器件 Q1 在一个脉冲周期里导通 Ton时间 小于一个周期的 50 而电力开关器件 Q2 则在 Q1 关断后的本周期剩余时间内互补导通 Toff T Ton 时间 大于一个周期的 50 这种非对称的导通和关断 就为电力开关器件 Q1 和 Q2 的软开关 ZVS 的提供了必要的开关时序工作条件 C36 和 C37 为谐振电容 与饱和 电感 L2 一起 配合电力开关器件 Q1 和 Q2 的互补通断时序 为电力开关器件 Q1 和 Q2 零电压 开通和零电压关断创造条件 T1 为隔离变压器 T3 为一次侧电流互感器 L2 为饱和电感 L3 为二次侧滤波电感 电路工作原理如下述 假设电路工作时电力开关器件 Q1 先导通 电流会沿着 Q1 A C40 T1 一次侧 L2 变压器 T1 将电能传送到二次侧 二次侧 整流二极管 D13 导通 电感 L3 储能 电路为负载供电 电力开关器件 Q1 开通时刻 由于饱 和电感 L2 的作用 流过饱和电感 L2 和电力开关器件 Q1 的电流会从零开始线性上升 电力开 关器件 Q1 开通后 A 点电位就等于母线正电位 电流为隔直电容 C40 充电 由于 C40 容量足 够大 所以在整个充电过程中 C40 上的电压基本不变 一段时间后电力开关器件 Q1 PWM 关断 由于二次侧电感 L3 中电流不能突变 映射到隔 离变压器 T1 一次侧的电流也不能突变 于是电流改变路径为 A C40 T1 一 次侧 L2 这个过程会对电容器 C36 充电 电容 C36 端电压从零线性上升 这个过程也会对电容器 C37 放电 电容 C37 端电压从母线电压 Ui 线性下降 故电力开关器件 Q1 关断时其端电压从零开始线性上升 属于零电压关断 当电容 C36 端电压从零线性上升到 母线电压 电容 C37 端电压从母线电压 Ui 线性下降到零时 二次侧整流二极管 D13 电流逐步 分流到整流二极管 D14 上 二次侧整流二极管 D13 和 D14 将同时导通 变压器一次侧和二次 侧都等效于短路 同时一次侧电流改变路径 将沿着 Q2 体内二极管 C40 T1 一次侧 L2 流动并且很快衰减到零 这时电力开关器件 Q2 互补导通 Q2 导通时刻 其端电压为零 故电力开关器件 Q2 的开通属于零电压开通 电力开关器件 Q2 开通后 隔直电容 C40 上存储的电压加到饱和电感 L2 和隔离变压器 T1 的一次侧 电流流动路径为 C40 正端 A Q2 L2 T1 一次侧 C40 负端 变压器 T1 将电能传送到二次侧 二次侧整流二极管 D14 导通 电感 L3 储 能 电路为负载供电 周期结束时 电力开关器件 Q2 关断 由于二次侧电感 L3 电流不能突 变 映射到隔离变压器 T1 一次侧的电流也不能突变 电流改变路径为 L2 T1 一次侧 C40 A 这个过程会对电容器 C37 充电 电容 C37 端电压从零线 性上升 这个过程也会对电容器 C36 放电 电容 C36 端电压从母线电压 Ui 线性下降 故电力 开关器件 Q2 关断时其端电压从零开始线性上升 属于零电压关断 当电容 C37 端电压从零线 性上升到母线电压 电容 C36 端电压从母线电压 Ui 线性下降到零 二次侧整流二极管 D14 电 流逐步分流到整流二极管 D13 上 二次侧整流二极管 D13 和 D14 将同时导通 变压器一次侧 和二次侧都等效于短路 此后 由于饱和电感 L2 和中频变压器 T1 的漏感等使一次侧电流再 次改变路径将沿 L2 T1 一次侧 C40 A Q1 体内二极管 流动并很快衰减到零 此后 Q1 开始下一个周期的 PWM 开通 此时 Q1 端电压为零 故 Q1 的开通属于零电压开通 如此周而复始 就实现了非对称半桥 ZVS 软开关逆变功能 可以看出 两组电力开关器 件都工作于零电压开通 零电压关断的状态 实现了电力开关器件的软开关功能 达到了减 小电力开关器件电压应力 减小了引起电磁干扰的开关时的电压变化率 减小了电力开关器 件因开关损耗带来的发热热量 使得焊割电源即使在较高频率下 电力开关器件也只承受很 小的开关电压电流应力 只有很小的电磁干扰和开关损耗带来的发热热量 二 满足非对称半桥软开关逆变功能的驱动脉冲电路实现 参见图三 U1 为一电流型 PWM 集成电路 其 1 脚为软启动端 外接分压电阻 R1 R9 和 电容 C6 组成软启动定时电路 2 脚为 5 1V 内部基准稳压电源 C8 为其退藕电容 3 脚和 12 脚接电源地 4 脚为一次侧脉冲电流信号输入端 5 脚为误差信号电压输入端 5 脚 6 脚和 7 脚内部为一运放电路 5 脚为该运放输入同相端 6 脚为该运放电路反相端 7 脚为该运放输 出端 6 脚 7 脚相连 内部运放接成了以 5 脚为输入端的射极跟随器 8 脚外接电容 C9 为 PWM 定频电容 9 脚外接电阻 R11 为 PWM 定频电阻 10 脚为同步信号输出端 11 脚和 14 脚为 PWM 脉冲信号的两个反相位输出端 我们只取出其中 14 脚的 PWM 脉冲信号 13 脚和 15 脚为 电源供电端 C10 为其退藕电容 16 脚为脉冲关断端 从 14 脚输的 PWM 脉冲信号一路送到由 集成电路 U3A U3B 和电阻 R7 二极管 D2 电容 C12 等组成的 PWM 脉冲开通延时电路 经延时一 个死区时间后 送到半桥驱动集成电路 U4 的 2 脚 另一路送到由集成电路 U3C 电阻 R12 二极 管 D5 电容 C11 等组成的互补脉冲开通延时电路 经延时一个死区时间后倒相 形成互补脉冲 驱动信号 送到半桥驱动集成电路 U4 的 3 脚 经过半桥驱动集成电路 U4 的隔离和电流放大 后 通过插座 A1 送至电力开关器件 Q1 和 Q2 栅极 死区时间是根据所用的绝缘栅场效应电力 开关器件的开关参数来决定和设计的 死区时间一般应略大于绝缘栅场效应电力开关器件在 最高工作温度运行时的开通时间和关断时间的总和 这两组驱动脉冲信号使得电力开关器件 Q1 PWM 开通关断 Q2 互补开通关断 这样 就 为实现非对称半桥 ZVS 软开关提供了合符时序的驱动脉冲信号 由于电力开关器件的导通时间不等 造成隔离变压器 T1 一次侧会有直流分量流过 因此 本非对称半桥 ZVS 软开关逆变式焊割电源的隔离变压器 T1 必须开有足够的磁路气隙 三 焊割其他功能的实现 1 焊割电流给定和反馈 PWM 调节和焊割电流显示 由电位器 RT1 RT2 RT3 参见图二 组成焊割电流给定路 其中 电位器 RT3 的滑动 点给出正的给定信号电压 通过电位器 RT1 送到误差比较点 E 点 分流器 FL1 参见图二 上采集的数值为负的电流反馈信号电压经电容 C27 高频滤波后通过电阻 R24 也送到误差比较 点 E 点 该误差信号经由集成电路 U2C 电阻 R19 R20 电容 C17 C19 和二极管 D8 ZD3 等 组成的误差放大器放大调节后送到集成电路 U1 的 5 脚 另外 一次侧的电流脉冲信号通过互感器 T3 参见图二 采集后 由 D6 整流 C20 高频 滤波 在采样电阻 R21 上取得幅度和一次侧脉冲电流幅度成正比的脉冲电压信号 该信号一 路经电阻 R5 R6 和电容 C4 组成的阻容网络后送到集成电路 U1 的 16 脚作过流关断信号 另 一路经电阻 R10 R16 R17 R18 和电容 C18 组成的阻容网络后送到集成电路 U1 的 4 脚 在 4 脚和锯齿波补偿信号合成后在集成电路 U1 的内部和集成电路 U1 的 5 脚送来的误差信号比 较 生成 PWM 脉冲 通过集成电路 U1 内部电路锁相 分频