软开关逆变埋弧焊电源的研究1230

1、江苏科技大学硕士学位论文软开关逆变埋弧焊电源的研究姓名：叶轻凌申请学位级别：硕士专业：材料加工工程指导教师：方臣富20080201大摘要软开关逆变埋弧焊电源的研究大摘要作为最早获得应用的机械化焊接方法，埋弧自动焊具有焊接电流大、熔深大、焊接范围广、生产效率高、焊缝质量优、劳动条件好、自动化程度高等优点，适用于焊接中厚板结构的长焊缝，可焊接的钢种包括碳素钢、低合金钢、不锈钢、耐热钢及复合钢材等，也可用于镍基合金、铜合金焊接及耐磨耐蚀合金堆焊。因此埋弧焊在造船、锅炉与压力容器、桥梁、重型机械、石油机器、海洋结构、武器等制造部门得到了大力推广和应用。但目前弧焊变压器、磁放大器式弧焊整流器的应用仍占

2、60%-70%。近年来，随着逆变技术的不断发展和成熟以及大容量功率开关管 IGBT 的出现，研制和生产大容量的逆变式埋弧焊机己成为发展的趋势。本文首先介绍了埋弧自动焊的原理、特点、发展历史、目前国内外的研究现状。接着对弧焊逆变器的发展现状、趋向作了简要介绍，针对目前弧焊逆变器存在的主功率管开关应力大、整机损耗大、可靠性低以及对电网造成的污染等缺点，提出了用软开关技术来解决这些问题，对本文采用的方案有限双极性控制的零电压零电流全桥变换器(ZVZCS PWM)的工作原理、微观变换过程进行了系统的理论分析。本文在该电路拓扑的基础上，设计了该变换器的主电路及其控制系统，主电路采用有限双极性控制 ZVZ

3、CS 全桥拓扑，包括主变压器设计、输出滤波器设计、饱和电感设计等；控制系统采用了电流闭环 PI 调节系统，设计了控制芯片 UC3846 外围电路、主功率器件 IGBT 的驱动电路及各种保护电路。在各种电路的设计中充分考虑了可靠性，在实现所需功能的同时尽量使电路简洁。在此基础上，研制出了型号为 MZ-1000 IGBT 软开关逆变埋弧焊电源一台，对其进行了安装调试，并用数字示波器对其进行现场检测，控制电路各部分波形正常，四路输出驱动波形稳定，全桥变换器中超前桥臂和滞后桥臂的IGBT 分别工作在零电压、零电流状态下，真正实现了逆变器的双零软开关。该逆变器具有高效节能、重量轻、体积小、噪音小等特点。

4、试验结果表明，该弧焊逆变器具有良好的静态特性和动态特性，恒流稳定，是一种发展前景广阔的新型电源。关键词：埋弧焊；逆变；软开关；电源摘 要摘 要本文首先介绍了埋弧自动焊的原理、特点、发展历史、目前国内外的研究现状。接着对弧焊逆变器的发展现状、趋向作了简要介绍，针对目前弧焊逆变器存在的主功率管开关应力大、整机损耗大、可靠性低以及对电网造成的污染等缺点，提出了用软开关技术来解决这些问题，对本文采用的方案有限双极性控制的零电压零电流全桥变换器(ZVZCS PWM)的工作原理、微观变换过程进行了系统的理论分析。本文在该电路拓扑的基础上，设计了该变换器的主电路及其控制系统，主电路采用有限双极性控制 ZVZ

5、CS 全桥拓扑，包括主变压器设计、输出滤波器设计、饱和电感设计等；控制系统采用了电流闭环 PI 调节系统，设计了控制芯片 UC3846 外围电路、主功率器件 IGBT 的驱动电路及各种保护电路。在各种电路的设计中充分考虑了可靠性，在实现所需功能的同时尽量使电路简洁。在此基础上，研制出了型号为 MZ-1000 IGBT 软开关逆变埋弧焊电源一台，对其进行了安装调试，并用数字示波器对其进行现场检测，控制电路各部分波形正常，四路输出驱动波形稳定，全桥变换器中超前桥臂和滞后桥臂的IGBT 分别工作在零电压、零电流状态下，真正实现了逆变器的双零软开关。该逆变器具有高效节能、重量轻、体积小、噪音小等特点。

6、试验结果表明，该弧焊逆变器具有良好的静态特性和动态特性，恒流稳定，是一种发展前景广阔的新型电源。关键词：埋弧焊；逆变；软开关；电源IAbstractResearch on Soft-switching Inverter Submerged ArcWelding SupplyABSTRACTAs the first used mechanized welding method, Submerged Arc Welding(SAW) has the following advantages, such as large welding current, depth penetration, wid

7、e range of welding, high efficiency, excellent weld quality, good working conditions and a high degree of automation. It applies to the welding of plate structure, including carbon steel, low alloy steel, stainless steel, heat-resistant steel and other composite steel, it also can be used in nickel-

8、base alloy, copper alloy welding and corrosion resistant alloy wear resistant surfacing. Therefore, SAW has been vigorously promoted and applied in shipbuilding, boilers and pressure vessels, bridges, heavy machinery, machine oil, marine structures, and weapons manufacturing sector. However, the app

9、lication of current arc welding transformers, magnetic amplifier arc welding rectifier is still 60% to 70%. In recent years, with inverter technology continues to develop and mature, as well as large-capacity power IGBT switch to happen, development and production of large-capacity inverter SAW mach

10、ine has become the trend of development.The characteristic, history, actuality and foreground of submerged arc welding (SAW) are firstly introduced in the introduction part of this paper. Then the development, trend and application of arc welding inverter are introduced precisely. According to the s

11、hortcomings of conventional inverter SAW, such as the big switching stresses of main power transistor, the large wastage of machine, the low reliability and the pollution for the electric net, the settlement using soft-switching technique is brought, and the research statement about soft-switching c

12、ircuit topology is summarized. The operating principle and microprocessor control inverter of limited bipolar zero voltage zero current switching (ZVZCS-PWM) are analyzed.Based on the circuit topology, the main circuit and control system of the converter are designed. FB ZVZCS PWM circuit is used in

13、 the main circuit, including theAbstractdesign of main transformer, rectifier, filter, and full bridge resonant converter. Using the current closed loop PI system and establishing the delivering function, the external circuit on UC-3846, driving circuit on IGBT and several protesting circuit is deve

14、loped. Fully allowing on the reliability in design, making the circuit simplified as well as fulfilling all the function. In the thesis, a Soft Switching Inverter submerged arc welding supply typed with MZ-1000 IGBT is developed and implemented. Checked with the digital oscilloscope on the SAW of th

15、e control circuit are given and the four section driving-waveform is stable. The IGBT of ZVS for leading-leg switches and ZCS for lagging-leg switches has been presented and the double zero switches in the inverter are fulfilled.The inverter has the goodness of high-efficiency low-wastage, low quali

16、ty, little volume and low noise. Showing through the experimental result, the arc welding inverter has excellent static and dynamic character, invariable current stabilization. It is a new type power source with wide developing prospect.Key words: SAW; inverter power supply; soft-switching; supplyAb

17、stractABSTRACTThe characteristic, history, actuality and foreground of submerged arc welding (SAW) are firstly introduced in the introduction part of this paper. Then the development, trend and application of arc welding inverter are introduced precisely. According to the shortcomings of conventiona

18、l inverter SAW, such as the big switching stresses of main power transistor, the large wastage of machine, the low reliability and the pollution for the electric net, the settlement using soft-switching technique is brought, and the research statement about soft-switching circuit topology is summari

19、zed. The operating principle and microprocessor control inverter of limited bipolar zero voltage zero current switching (ZVZCS-PWM) are analyzed.Based on the circuit topology, the main circuit and control system of the converter are designed. FB ZVZCS PWM circuit is used in the main circuit, includi

20、ng the design of main transformer, rectifier, filter, and full bridge resonant converter. Using the current closed loop PI system and establishing the delivering function, the external circuit on UC-3846, driving circuit on IGBT and several protesting circuit is developed. Fully allowing on the reli

21、ability in design, making the circuit simplified as well as fulfilling all the function. In the thesis, a Soft Switching Inverter submerged arc welding supply typed with MZ-1000 IGBT is developed and implemented. Checked with the digital oscilloscope on the SAW of the control circuit are given and t

22、he four section driving-waveform is stable. The IGBT of ZVS for leading-leg switches and ZCS for lagging-leg switches has been presented and the double zero switches in the inverter are fulfilled.The inverter has the goodness of high-efficiency low-wastage, low quality, little volume and low noise.

23、Showing through the experimental result, the arc welding inverter has excellent static and dynamic character, invariable current stabilization. It is a new type power source with wide developing prospect.Key words: SAW; inverter power supply; soft-switching; supplyII论 文 独 创 性 声 明本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指

24、导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了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，也不包含为获得江苏科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：叶轻凌日期：2008 年 3 月 14 日学 位 论 文 使 用 授 权 声 明江苏科技大学有权保存本人所送交的学位论文的复印件和电子文稿，可以将学位论文的全部或部分上网公布，有权向国家有关部门或机构送交并授权其保存、上网公布本学位论文的复印件或电子文稿。本人电子文稿的内容和纸质论文的内容一致。除在保密期内

25、的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。研究生签名： 叶轻凌导师签名：方臣富日 期：2008 年 3 月 14 日日期：2008 年 3 月 14 日第一章 绪论第一章 绪 论1.1 埋弧自动焊综述1.1.1 埋弧焊基本原理埋弧焊是电弧在焊剂层下燃烧进行焊接的方法。图 1.1 为最常见的埋弧焊接装置的示意图。各组成部分的工作是：焊剂漏斗 1 在焊接区前方不断输送焊剂 8 于焊件 9 的表面上；送丝机构 2 由电动机带动压轮，保证焊丝 3 不断地向焊接区输送；焊丝经导电嘴 5 而带电，保证焊丝与工件之间形成电弧；通常焊剂漏斗、送丝机构、导电嘴等安装在一个焊接机头或小车上(图中没示出)，通过机头或小车

26、上的行走机构以一定的焊接速度向前移动，控制盒(箱)6 对送丝速度和机头行走速度以及焊接工艺参数等进行控制与调节，小型的控制盒常设在小车上，大的控制箱则作为配套部件而独立设置，电源 7 向电弧不断提供能量1。图 1.1 埋弧焊接装置示意图1.1.2 埋弧焊基本焊接过程焊接过程如图 1.2 所示。焊接电弧 1 是在焊剂层 3 下的焊丝 4 与母材 2 之间产生。电弧热使其周围的母材、焊丝和焊剂熔化以致部分蒸发，金属和焊剂的蒸发气体形成一个气泡，电弧就在这个气泡内燃烧。气泡的上部被一层熔化了的焊剂焰渣 7 构成的外膜所包围，这层外膜以及覆盖在上面的未熔化焊剂共同对焊接起隔离空气、绝热和屏蔽光辐射作用

27、。焊丝熔化的熔滴落下与已局部熔化的母材混合而构成金属熔池 8，部分熔渣因密度小而浮在熔池表面。随着焊丝向前移动，电弧力将熔池中熔化金属推向熔池后方，在随后的冷却过程中，这部分熔化金属凝固成焊缝 10。熔渣凝固成渣壳 9，覆盖在焊缝金属表面上。在焊接过程1第一章 绪论中，熔渣除了对溶池和焊缝金属起机械保护作用外，还与熔化金属发生冶金反应(如脱氧、去杂质、渗合金等)，从而影响焊缝金属的化学成分2。图 1.2 埋弧焊焊接过程1.1.3 埋弧焊的分类埋弧焊按焊接过程机械化程度分，有自动埋弧焊和半自动埋弧焊。前者从引弧、送丝、焊丝移动、保持焊接工艺参数稳定，到停止送丝熄弧等过程全部实现机械化；后者仅焊丝

28、向前移动由焊工通过焊检来操作，其余均由机械操作。按焊丝的数目分有单丝埋弧焊和多丝埋弧焊。前者只使用一根焊丝，在生产中应用最普遍；后者则采用双丝、三丝和更多焊丝，目的是为了提高生产率和改善焊缝成形。大多数情况是每一根焊丝由一个电源来供电。有些是沿着同一焊道多根焊丝以纵向前后排列，一次完成一条焊缝；有些是横向平行排列，同时一次完成多条焊缝的焊接，如电热锅炉生产中的水冷壁(膜式壁)焊缝的焊接。按送丝方式分为等速送丝埋弧焊和变速送丝埋弧焊两大类，前者焊接过程焊丝送进速度恒定，它适用于细焊丝、高电流密度焊接的场合，它要求配备具有缓降的、平或稍为上升的外特性弧焊电源；后者焊接过程焊丝送进速度随弧压变化而变

29、化，它适用于粗焊丝低电流密度焊接场合，它要求配备具有陡降的或恒流的外特性弧焊电源3。按电极形状分有丝极埋弧焊和带极埋弧焊，后者作为电极的填充材料为卷状的金属带，它主要用于耐磨、耐蚀合金表面堆焊.1.1.4 埋弧焊的优点1.生产率高。埋弧焊时，焊丝从导电嘴伸出长度短，可以提高焊接电流(或电流密度)，一般可提高 45 倍。因此，熔透能力和焊丝熔敷率大大提高，一般不开坡口单面一次焊，熔深可达 20mm；另一方面，由于焊剂和熔渣的隔热作用，电弧热散失少，飞溅少，故热效率高，可提高焊接速度。厚度 810mm 钢板对接，单丝埋弧焊速度可达 3050m/h。2.焊缝质量好。埋弧焊时，焊剂和熔渣能有效地防止空

30、气侵入熔池而免受污2第一章 绪论染，还可以降低焊缝冷却速度，从而可以提高接头的力学性能。由于焊接工艺参数可以通过自动调节保持稳定，焊缝表面光洁平直，焊缝金属的化学成分和力学性能均匀而稳定，对焊工技术水平要求不高。3.节省焊接材料和能源。较厚的焊件不开坡口也能焊透，从而焊缝中所需填充金属焊丝量显著减少，省去了开坡口和填充坡口所需能源和时间；熔渣的保护作用避免了金属元素的烧损和飞溅损失；不像焊条电弧焊那样，有焊条头的损耗。4.劳动条件好。由于焊接过程的机械化和自动化，焊工劳动强度大大降低;没有弧光对焊工的有害作用；焊接时放出的烟尘和有害气体少，改善了焊工的劳动条件4。1.1.5 埋弧焊的发展电力电

31、子技术的高速发展，促进了器件、电路及其控制技术向着集成化、高频化、全控化、电路弱电化、控制技术数字化及多功能化的方向发展。埋弧焊也得到快速发展。在工艺方面，为适应一些特定的焊接要求(如工字钢、螺纹钢管的焊接及立焊、横焊等)，派生出双丝和多丝埋弧焊、窄间隙埋弧焊、带极电极埋弧焊、添加粉末埋弧焊，及在焊接过程中添加磁性焊剂等焊接方法；在焊接设备方面，传统的埋弧焊电源多为磁饱和放大器或晶闸管式埋弧焊电源，软开关逆变电源尚未完全成为主流产品，软开关逆变焊接电源因其线路简单、工作可靠、维修方便等优点，得到越来越广泛的应用。埋弧焊过程控制方面，在国外埋弧焊过程控制已经实现微机控制、模糊控制、专家系统等，并

32、用人工神经网络进行理论分析，为埋弧焊过程的智能化开辟了广阔的前景。随着埋弧自动焊机在大型锅炉与压力容器等领域的广泛应用，焊接操作机的作用越显突出。焊接操作机从最早的横臂、台车及转台控制，发展到横臂、小臂、台车、焊接机头及转台等控制。虽然焊接操作机的功能越来越多，但绝大多数操作机控制系统仍采用简单的模拟控制，其控制性能很不稳定，从而影响焊接性能5-6。1.2 逆变焊接电源的历史发展电弧焊方法通常可以分为手工电弧焊、埋弧焊、氩弧焊和 CO2 气体保护焊。它们所采用的弧焊电源按惯例可分为交流弧焊电源、直流弧焊电源、脉冲弧焊电源和逆变式弧焊电源。自 1978 年第一台弧焊逆变电源诞生以来，弧焊逆变电源

33、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3第一章 绪论段7-9。1.2.1 逆变焊接电源的特点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的发展方向，目前在工业发达国家，手工电弧焊、TIG 焊，并且 MIG/MAG 焊已经广泛采用逆变电源，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完成了逆变焊机产品，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。1.2.2 逆变焊接电源发展焊接电源中的

34、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。50 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。70 年代初，由晶闸管（SCR）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。70 年代中期到 80 年代中期，性能优良的自关断电力电子开关器件（GTO）、功率晶体管（GTR）、功率场效应管（MOSFET）、绝缘栅晶体管（IGBT）等相继出现。70 年代末开始出现晶

35、闸管式逆变弧焊机并主要应用于 TIG 和手工电弧焊，后来又推广到 CO2、MAG 等焊接方法和切割。80 年代末又出现 IGBT 式逆变焊机，主要应用于各种电弧焊和切割。以功率晶闸管、晶体管、MOSFET、IGBT等为开关器件的新一代弧焊逆变器，采用高频 PWM 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。1989年世界焊接与切割博览会(埃森博览会)上有 30 多家厂商展出了弧焊逆变器。1993年的埃森博览会上

36、，绝大多数的厂商都展出了弧焊逆变器及设备。据 1993 年 11 月所作的调查，逆变式焊机在日、美、欧等地使用的焊机中占 17%，其中在气体保护焊和 TIG 焊中占 30%以上。到了 1996 年日本日立公司的 IGBT 逆变焊机已占 MIG/MAG 焊机的 70%，占 TIG 焊机的 95%以上，占切割机的 100%，日本松下、大阪变压器公司的逆变式焊机都超过 50%10。当前功率半导体开关器件正朝着高压大容量化、集成化、全控化、高频化及多功能化方向发展。IGBT 是发展最快而且很有前途的一种混合型器件，它是将 N 沟道 MOSFET 和 PNP 双极性晶体管以达林顿方式集成到芯片上，具有4

37、第一章 绪论MOSFET 的输入特性，输入阻抗高，驱动功率小，又有双极性晶体管的输出特性，通态压降低，电流控制能力强，容量较大，目前 IGBT 单管容量已经高达1000A/1200V。IGBT 主要用在大、中容量的逆变焊接电源中，现已成为主流开关器件。IGBT 逆变焊机的研制开始于八十年代末九十年代初，其产品在国外市场所占的比重较大，国内也致力于这方面的研究，并且产品所占市场份额也逐年开始增多，以 IGBT、MOSFET 等为开关器件的弧焊逆变器，有着广泛的应用前景，是当前国际焊接电源设备发展的主流和方向。在我国,逆变式焊机的研究工作起步不算晚，始于 80 年代初，紧跟国际研究开发的进程，水平

38、差距也不大,已形成 3 代产品。第 1 代是以晶闸管为主开关器件的弧焊逆变器(1982 年) ，其逆变频率为 20005000Hz；第 2 代是以 GTR 或 MOSFET 为主开关器件的弧焊逆变器(1982 年),其逆变频率为 2050KHz；第 3 代为 IGBT 弧焊逆变器(1990 年) ，逆变频率为 2030KHz。到 90 年代初，多个规格的 1、2、3 代的弧焊逆变器已在多所高校和研究所研究成功，并逐渐进入小批量生产，但大批量生产和大面积推广应用逆变式焊机却比较缓慢。能进行批量生产的厂家为数不多，并开始于90 年代中后期。1.3 逆变焊接电源存在的问题在目前使用的绝大多数逆变焊机

39、的逆变电路中，通常采用保持功率开关管的开关频率固定，而靠改变功率开关管接通时间长短(即脉冲的宽度)的方法，来调节焊机的输出能量，这种控制方法被称为脉宽调制法(pulse width modulation, PWM)。在这种情况下，由于功率开关管按照外加的控制脉冲而通断，是强迫功率开关管在电压不为零时开通或电流不为零时关断，这就是所谓的“硬开关”技术，其典型的开关过程如图 1.3 所示11-13。uiuittp t p t图 1.3硬开关电路的开关过程逆变变换器作为电源系统中为设备提供直流动力的主要装置之一，面临着体积更小、重量更轻、效率更高可靠性更高、等诸多要求。要达到上述要求，变换器必须实现

40、工作频率由低频向高频的转变。众所周知，在硬开关方式下，不断提5第一章 绪论高变换器的工作频率会引起以下问题：1.开关损耗大。开通时，开关器件的电流上升和电压下降同时进行，关断时电压上升和电流下降同时进行。电压、电流波形的交叠产生了开关损耗，该损耗随开关频率的提高而急速增加。2.感性关断电压尖峰大。当开关器件关断时，电路中的感性元件感应出尖峰电压。开关频率越高，关断越快，该感应电压越高。此电压加在开关器件两端，易造成器件击穿。3.容性开通电流尖峰大。当开关器件在很高的电压下开通时，储存在开关器件结电容中的能量将以电流形式全部耗散在该器件内。频率越高，开通电流尖峰越大，从而会引起器件过热损坏；另外

41、，二极管由导通变为截止时存在着反向恢复期，开关管在此期间内的开通动作，易产生很大的冲击电流。频率越高，该冲击电流越大，对器件的安全运行造成危害。4.电磁干扰严重。随着频率提高，电路中的 di/dt 和 dv/dt 增大，从而导致电磁干扰（EMI）增大，影响整流器和周围电子设备的工作14。上述问题严重妨碍了开关器件工作频率的提高，近年来开展的软开关技术研究为克服上述缺陷提供了一条有效途径。和硬开关工作方式不同，理想的软开关工作过程是电流先降到零，电压再缓慢上升到断态值，所以关断损耗近似为零。其典型的开关过程如图 1.4 所示。由于器件关断前电流已下降到零，解决了感性关断问题。理想的软开通过程时电

42、压先降到零后，电流再缓慢上升到通态值，所以开通损耗近似为零，器件结电容上的电压亦为零，解决了容性开通问题。开通时二极管反向恢复过程已经结束，因此二极管反向恢复问题亦不存在，di/dt 和 dv/dt 的降低使得 EMI 问题得以解决。所以，软开关技术得到越来越广泛的应用。ui t tp t p t图 1.4软开关电路的开关过程1.4 软开关技术概述软开关技术的研究的报道始于二十一世纪八十年代。1984 年，美国 VEP 的 FCLee 等人提出了准谐振开关电路，该电路中由谐振电感与原来的 PWM 变换器组成谐振开关，这也是软开关的雏形。1986 年，美国威康星大学的6第一章 绪论DM Diva

43、n 教授提出“谐振直流环逆变器”的概念，对软开关技术应用于逆变器起了很大的推动作用。1988 年，美国 VPEC 的 WATbiz 等人提出了多谐振电力开关变换器。在此之后，软开关逆变电路的研究成为电力电子学领域的热门研究方向之一。软开关逆变器的发展主要经历了以下几个阶段：1.谐振直流环逆变器：谐振环的原理是把原先具有恒定直流电压的母线变成一个高频直流脉冲或高频交流的母线，从而在母线上出现电压过零的现象。利用谐振元件 Lr 和 Cr 及谐振控制开关 Vsr 在逆变器的输入直流电路产生谐振，把输入直流电压转换成一系列高频脉冲电压供给逆变器。由于谐振环存在以下缺点：直流环振荡电压幅值大，一般两倍于

44、电源电压；振荡电路能耗大；难以采用 PWM 控制技术。故目前尚未见到应用于弧焊逆变器的谐振直流环软开关技术。2.谐振变换器：谐振变换器均采用 L、C 元件产生谐振，能实现 ZVS 和 ZCS 软开关技术。虽然降低了损耗，且电压或电流波形呈正弦，使得 du/dt 及 di/dt 大大减少，也降低了 EMI 和 RFI，但采用调频方式进行控制，使得功率器件受到较大的电压、电流应力，并且频率大范围变化使得逆变电路参数设计难以优化，负载也不能大范围变化。3.移相控制全桥变换电路：移相控制全桥变换电路是近年研究的热点，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

45、压开通。它把 PWM 控制和谐振变换器的优点结合在一起，在大范围内实现 PWM 控制。但在该变换器中，超前桥臂的零电压开通范围大，而滞后桥臂零电压开通范围窄，在轻载或电感量小时，往往难以实现零电压开通，需要作进一步改进15。软开关弧焊逆变器采用谐振变流技术和 PWM 控制技术，结合二者的优点，其特点是功率器件在零电压或零电流条件下自然开关，在本质上克服了硬开关型弧焊逆变器的缺点。在较大程度上解决了功率开关损耗过大的问题，并降低了功率器件的 du/dt 和 di/dt，减少电磁干扰(EMI)和射频干扰(RFI )，降低了逆变器的重量，提高频率，减小电路中变压器、电感、电容的体积，降低输出纹波，提

46、高功率密度和系统动态性能16-17。1.5 本研究的目的及内容在高效、节能、省材和环保的大环境下，由于软开关弧焊逆变电源具有诸多优点，使得其成为当前各国都争相研制和推广的一种新型焊接电源。目前，在欧美日等地，逆变电源己大量运用于手工电弧焊、TIG 焊、MIG 焊等焊接设备中。在我国，由于起步较晚，虽然对逆变技术有一定程度的研究，也开发了一些7第一章 绪论逆变焊机，但由于在可靠性上存在一些问题，应用还有一定局限性。软开关技术有望全面、经济、有效地解决逆变焊机的可靠性问题，进一步实现弧焊逆变器的大容量化、高频化和高效化，大大提高我国焊机产品的市场竞争力。针对当前埋弧焊逆变器存在的问题，结合软开关埋

47、弧焊逆变器的研究现状，拟作如下研究：（1）在定量分析逆变器固有寄生元件参数的基础上，充分发掘和有效利用寄生元件，提出一种实用的埋弧焊电源电路拓扑。（2）正确分析 ZVZCS 的微观过程。（3）采用 UC3846 进行 PWM 控制系统设计。（4）围绕主功率器件 IGBT，充分研究其特性，提出合理的驱动及保护方案，提高整机可靠性。（5）以研制的软开关逆变式埋弧电源为基础进行实验测试，对实验波形进行对比分析，并对逆变器的特性进行分析。8第二章 主电路拓扑结构设计第二章 主电路拓扑结构设计2.1 主电路结构的选择2.1.1 逆变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

48、式、全桥式、单端正激式以及单端反激式等。它们的性能对照如表 2.1 所示。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稳态为 2E，漏感稳态为 E，二同全桥截止期二极管箝极间施加电压引起的尖峰使极管箝位位 VCEmax2EVCEmax2EVCEmaxE输出相同功率时IcIc2Ic2Ic集射极电流功率开关管数量2441获得的输出容量大大中等中、小由上表可以看出，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直流输入电压(E)的 2 倍，而其漏感引起的尖峰电压VCEmax2

49、E，这给电路设计与调试带来了困难，并对开关管的耐压值提出了更高的要求。全桥变换器中变压器工作在励磁与消磁的周期过程中，所以可以最大程度地利用变压器。本文研究的是逆变式埋弧焊机，其输出功率很大，故采用己被广泛应用的全桥式电路拓扑结构。2.1.2 输出整流滤波电路弧焊逆变电源的高频输出整流滤波电路通常采用全波整流加直流电感滤波。在全波整流中有全波中心抽头和桥式之分，虽然桥式整流电路中高频变压器利用率高，但中心抽头全波整流电路少用一个二极管，可以减少一个二极管的正向压降，对于大电流埋弧焊电源，则可减少效率损失 5%左右。因而，输出整流电路采用中心抽头全波整流方式。在选择整流二极管时，应尽可能选用正向

50、压降低的整流器件，也可以采用大电流器件多只并联起来，以便减少正向压降。同时，单个二极管的正向电流的减小，也有利于缩小反向恢复时间和反向恢复电流，从而有益于减小功率开关管的开通瞬间集电极电流和损耗。若采用普通整流管，由于二极管在导通瞬间出现比稳定正向管压降高得多的正向峰值电压，关断时又有较长的反向恢复时间，故而9第二章 主电路拓扑结构设计会导致输出电压下降、整流管和功率开关管发热严重等不良情况。肖特基势垒二极管正向压降很小，反向恢复时间也极短，是首选元件，在实际设计中考虑到二极管的容量，采用四组管子并联整流，经过电抗器滤波后建立焊接电压。输出滤波电感，除滤波作用外，还有限制短路电流上升速度，改善

51、电源动特性的作用。由于频率很高，所以用于高频逆变整流回路的电抗器的电感量比工频电源整流回路中电抗器的电感量要小得多。2.1.3 开关元件的选择功率开关元件是逆变器中的一个关键器件。当前，功率开关元件正朝着高压大容量化、集成化、全控化、高频化及多功能化方向发展。从可控性来分，可以大致分为半控型和全控型器件，如普通晶闸管(SCR)、逆导晶闸管(RCT)、非对称晶闸管(ASCR)和双向晶闸管(TRIAC)为半控器件，半控器件存在着开关速度较慢的缺点。全控型器件，如可关断晶闸管(GTO)、电力晶体管(GTR)、功率场效应管(MOSFET )、绝缘栅双极性晶体管(IGBT)等，如表 2.2 所示。全控型

52、器件的开通和关断是由栅极控制，具有导通电阻小、正向压降低、开关速度快、开关损耗低、di/dt 及 dv/dt 耐量大的优点，全控型器件是今后电力半导体发展的方向18。表 2.2 大功率开关器件性能比较器件名称GTRGTOIGBTVDMOSSITSITH控制方式电流电流电压电压电压电压常态阻断阻断阻断阻断导通/关断导通/关断反向电压阻断能50V50065002002500005004500力（V）正向阻断电压范1001400500900020025005010005015005004500围（V）正向电流范围（A）4003500400100100122002200导通电流密度3040606301

53、00500（A/cm2）最大开关速度50105020000200000100（KHz）最高工作结温150125200200200200（）门极驱动功耗高中等很低低低中等dv/dt中等低高高高高di/dt中等低高高高中等抗辐射能力差很差中等中等好好使用难易程度较难难中等很容易容易容易在焊接逆变电源中，对功率半导体器件(尤其是开关管)有如下基本要求：10第二章 主电路拓扑结构设计1.耐电压值高。2.开关速度快，开关损耗低。3.动态特性 di/dt 及 dv/dt 耐量要高。4.耐冲击电流大，可靠工作范围大。5.热稳定性好。基于以上考虑，全控型器件是应优先考虑选用的器件。表 2.3 给出了 300V 级达林顿 GTR、功率 MOSFET 和 IGBT 三种全控型器件的特性比较。GTR 开关速度较低，对 di/dt 有影响，而且是电流驱动方式，驱动功率较大，还存在二次击穿问题；功率 MOSFET 有较好的高速控制性能，然而容量小，难以实现大电流，主要应用于小型和轻型设备中；IGBT 是 MOSFET 与双极晶体管的复合器件，它兼有 MOSFET 易驱动和功率晶体管电压、电流容量大的优点。其频率特性介于 MOSFET 与功率晶体管之间，可正常工作于几十千赫兹频率范围内