半桥软开关逆变式焊机原理详解

半桥软开关逆变式焊机原理详解 这是一种新型的半桥软开关逆变技术 可使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 由 于采用半桥 器件成本也相应降低了 为达到以上目的 半桥软开关逆变式焊机 包括按设备的电功率流向而顺序连接的 输入滤波电路 一次侧整流滤波电路 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半桥软开关逆变电路联通 图一是 的电路方框图 图二是 的主回路原理图 图三是 的主控制板电路图 如图一所示 半桥软开关逆变式焊机 包括按设备的电功率流向而顺序连接的 输入滤波电路 1 一次侧整流滤波电路 2 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 1 由电源开关 S1 差模滤波电容 C27 和 C28 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 使得本焊机免受外界电磁干扰 提高稳定性 同样 本焊机产生的干扰信号会也会被上述滤波器滤除 使得本焊接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 送入机内的交流电压 电流通过整流桥 BR1 整流成直流电压 电流 经过电容 C34 C35 滤波后送半桥软开关逆变电路 3 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 另两组绝缘栅场效 应电力开关器件 Q01 和 Q02 反向串接组成辅助开关电路 R48 R49 R54 R55 分别为四只绝缘栅场效应电 力开关器件的栅极串接驱动电阻 R50 和 C38 R51 和 C39 分别为半桥主逆变电路的两只绝缘栅场效应电力 开关器件 Q1 和 Q2 两极 对于 MOSFET 器件为 D 和 S 极 对于 IGBT 器件为 C 和 E 极 对于 MCT 器件为 A 和 K 极 并联的阻容吸收电路 辅助开关电路的两组绝缘栅场效应电力开关器件 Q01 和 Q02 反向串接后一边接到 两组绝缘栅场效应电力开关器件 Q1 Q2 串接组成的半桥桥臂的中点 另一边则接到直流母线串接谐振电容 C36 和 C37 的中点 绝缘栅场效应电力开关器件 Q01 Q02 和谐振电容 C36 C37 以及饱和电感 L2 组成软开 关辅助谐振电路 以保证主开关 Q1 Q2 零电流导通 零电压关断 电容 C40 和电容 C39 是桥臂电容 其容 量足够大 以至于主开关 Q1 和 Q2 的每次导通 C 点的电位基本保持为直流母线电压的二分之一 电感 L3 为无功功率电感 其作用是在焊接电源空载时保证电路还能满足软开关条件 从插座 A1 输出的相位相差 180 度的非调制 定宽 驱动脉冲信号送到两组绝缘栅场效应电力开关器件 Q01 和 Q02 上 从插座 A2 输出的相位相差 180 度的 PWM 调宽 驱动脉冲信号送到两组绝缘栅场效应电力开 关器件 Q1 和 Q2 上 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 T5 担当 中频变压器 T5 一次侧绕组的 一头经过饱和电感 L2 接电容桥臂的中点 C 另一头穿过一次侧电流互感器 T4 后接主逆变电路半桥桥臂中点 B 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 D15 D16 滤波电感 L4 以及阻容吸收电阻 R52 R53 和阻 容吸收 C42 C43 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 定宽互补脉冲信号电路和隔离驱动 电路等构成 一 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主开关 Q1 和 Q2 顺向串接成半桥结构 而绝缘栅场效应电力开 关器件辅助开关 Q01 和 Q02 反向串接后一头接 Q1 和 Q2 串接的中点 另一头接到串联电容 C36 和 C37 的中点 辅助开关 Q01 和 Q02 由插座 A1 引入主控制板送来的相位相差 1800 脉冲宽度非调制 固定脉宽 的驱动信号 驱动 而主开关 Q1 和 Q2 则由插座 A2 引入主控制板送来的相位相差 1800 脉冲宽度被调制的驱动信号 PWM 信号 驱动 使得主开关 Q1 和辅助开关 Q01 同时被驱动开通 之后 Q1 受 PWM 控制关断 而 Q01 则固定脉宽 滞后关断 然后主开关 Q2 和辅助开关 Q02 同时被驱动开通 之后 Q2 受 PWM 控制关断 而 Q02 则固定脉宽滞 后关断 如此反复开通和关断 就形成了软开关需要的开关顺序逻辑条件 T5 为隔离变压器 T4 为一次侧 电流互感器 L2 为包和电感 L4 为二次侧平波电感 电路工作原理如下述 上一个周期刚结束时 电容 C36 已放完电荷 端电压为零 电容 C37 已充满电荷 端电压为直流母线 电压 U 本周期开始 首先 主开关 Q1 和辅助开关 Q01 导通时 电流会沿着 Q1 B T4 一次侧 T5 一次侧 L2 C 变压器 T5 将电能传送到二次侧 二次侧整流二 极管 D16 导通 电感 L4 储能 主开关 Q1 开通时 由于饱和电感 L2 的作用 流过饱和电感 L2 和主开关 Q1 的电流会从零开始线性上升 故主开关 Q1 属于零电流开通 主开关 Q1 开通后 B 点电压等同于直流母线 的电压 U 略去主开关 Q1 导通压降 因此辅助开关 Q01 两端没有电压 同样也没有电流流过 故辅 助开关 Q01 属于零电压 零电流开通 过后 主开关 Q1 会 PWM 关断 由于二次侧电感 L4 电流不能突变 使 得二次侧整流二极管 D16 电流逐步分流到整流二极管 D15 上 最终 两组整流二极管同时导通 中频变压器 T5 一次侧和二次侧均被短路 主开关 Q1 关断后 饱和电感 L2 和中频变压器 T5 的漏感以及逆变电路分布电感中电流不能突变 继续 沿着 A Q01 Q02 体内二极管 B T4 一次侧 T5 一次侧 L2 C 的路径流动 电容 C36 被线性充电 电容 C37 被线性放电 A 点和 B 点电压缓慢下降 主开关 Q1 两 端电压由零开始线性上升 所以主开关 Q1 属于零电压关断 随着时间的推移 电容 C36 被充上电压值为 U 的母线电压 电容 C37 放电到电压值为零 此时饱和电感 L2 和变压器 T5 的漏感以及逆变电路分布电感的电 流转变路径 沿着 Q2 体内二极管 B T4 一次侧 T5 一次侧 L2 C 继续流动 此时使辅助开关 Q01 关断 可见 Q01 属于零电压 零电流关断 这个周期结束后 电容 C37 已放完电荷 端电压为零 电容 C36 已充满电荷 端电压为直流母线电压 U 接着下一个周期开始 主开关 Q2 和辅助开关 Q02 同时道通 电流会沿着 C L2 T5 一 次侧 T4 一次侧 B Q2 变压器 T5 将电能传送到二次侧 二次侧整流二极 管 D15 导通 电感 L4 储能 主开关 Q2 开通时 由于饱和电感 L2 的作用 流过饱和电感 L2 和主开关 Q2 的 电流会从零开始线性上升 故主开关 Q2 属于零电流开通 主开关 Q2 开通后 B 点电压等同于直流母线 的电压 略去主开关 Q2 导通压降 因此辅助开关 Q02 两端没有电压 同样也没有电流流过 故辅助开 关 Q02 属于零电压 零电流开通 过后 主开关 Q2 会 PWM 关断 由于二次侧电感 L4 电流不能突变 使得二 次侧整流二极管 D15 电流逐步分流到整流二极管 D16 上 最终 两组整流二极管同时导通 中频变压器 T5 一次侧和二次侧均被短路 主开关 Q2 关断后 饱和电感 L2 和中频变压器 T5 的漏感以及逆变电路分布电感中电流不能突变 继续 沿着 C L2 T5 一次侧 T4 一次侧 B Q02 Q01 体内二极管 A 的路径流动 电容 C37 被线性充电 电容 C36 被线性放电 A 点和 B 点电压缓慢上升 主开关两两 端电压由零开始线性上升 所以主开关 Q2 属于零电压关断 随着时间的推移 电容 C37 被充上电压值为 U 的母线电压 电容 C36 放电到电压值为零 此时饱和电感 L2 和变压器 T5 的漏感以及逆变电路分布电感的电 流转变路径 沿着 C L2 T5 一次侧 T4 一次侧 B Q1 体内二极管 继续流动 此时使辅助开关关断 可见 Q02 属于零电压零电流关断 如此周而复始 就实现了半桥软开关逆变功能 可以看出 两组主开关工作于零电流开通 零电压关 断的状态 实现了主开关的软开关功能 达到了减小主开关电压电流应力 减小了引起电磁干扰的开关时的 电压电流变化率 减小了主开关器件因开关损耗带来的发热热量 同时 用于协同创造软开关条件的辅助开 关更是工作在零电压 零电流开通和零电压 零电流关断状态 因此 两组辅助开关只承受很小的开关电压 电流应力 引起电磁干扰和因开关损耗带来的发热热量都很小 二 满足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 R13 R26 和电容 C14 组成软启动 定时电路 2 脚为 5 1V 内部基准稳压电源 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 C17 为 PWM 定频电容 9 脚外接电阻 R31 为 PWM 定频电阻 10 脚为同步信号输出端 11 脚和 14 脚为 PWM 脉冲信号的两个互补输出端 13 脚和 15 脚为电源供电端 16 脚为脉冲关断端 从 11 脚和 14 脚输出的相位 相差 1800 的互补的 PWM 脉冲信号送到由 MOSFET 管 M5 M6 M7 M8 组成的功率放大驱动电路后由隔离驱动 变压器 T2 隔离 分成两组由二极管 D5 D13 电阻 R22 R41 R42 R43 电容 C22 C23 整形后通过插座 A2 送 至主开关 Q1 和 Q2 栅极 这组 PWM 信号的脉冲宽度是变化的 其脉冲宽度是根据焊接电流给定与实际焊接输出电流的误差而不 停调整变化的 从 PWM 集成电路 U1 的 8 脚取出 通过集成电路 U2B 射极跟随放大后的锯齿波信号 从 PWM 集成电路 U1 的 10 脚取出的脉冲同步信号 11 脚和 14 脚取出的 PWM 脉冲信号以及从 PI 调节器送来的放大调节后的误差 信号一起送到由集成电路 U3A U3B U4A U4B U5A U5B U6 和 U7 以及电阻 R1 R2 R3 R4 R11 R12 R16 电容 C1 等组成的脉冲锁相 分频电路 其输出通过由 MOSFET 管 M1 M2 M3 M4 组成的功率放大驱动电路后由隔离驱动变压器 T1 隔离 分成两组由二极管 D1 D6 电阻 R9 R10 R21 R23 电容 C2 C3 整形后通过插座 A1 送至辅助开关 Q01 和 Q02 栅极 这组相位相差 1800驱动 信号的脉冲宽度是固定的 脉冲锁相 分频电路中 U4A 和 U4B 是带 R S 触发端的 D 型触发器 U5A 和 U5B 是四输入或门 U6 和 U7 是同向放大器 这里采用时基电路 NE555 这两组驱动脉冲信号使得主开关 Q1 和辅助开关 Q01 同时导通 Q1 PWM 关断 Q01 固定脉宽滞后关断 主开关 Q2 和辅助开关 Q02 同时导通 Q2 PWM 关断 Q02 固定脉宽滞后关断 这样 就为实现半桥软开关提 供了合理的驱动脉冲信号 三 焊接其他功能的实现 1 焊接电流给定和反馈 PWM 调节和焊接电流显示 由电位器 RT2 RT3 参见图二 集成电路 U2D 以及电阻 R36 R46 电位器 RT1 组成焊接电 流给定路 其中 电阻 R36 和 R46 等值 和集成电路 U2D 组成反向器 把正的给定信号电压变成负的 通过 电位器 RT1 送到误差比较点 E 点 同样 分流器 FL1 参见图二 上采集的正的电流反馈信号经电容 C25 高频滤波后通过电阻 R45 也送到 误差比较点 E 点 该误差信号经由集成电路 U2C 电阻 R33 R44 电容 C19 C24 和二极管 D14 ZD1 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 T4 参见图二 采集后 由 D9 D10 D11 D12 整流 C24 高 频滤波 最后在采样电阻 R34 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 R19 R18 和电容 C7 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 R29 R27 R28 R30 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 分频后分别从其 11 脚和 14 脚输出互补的 PWM 信号 集成电路 U1 的 8 脚输出的锯齿波经过集成 电路 U2B 射极跟随放大后 经过由电阻 R24 R25 和电容 C13 C15